【国盛机械】机器人量产元年，商业化和泛化能力成焦点

证券研究报告|行业深度 2024年08月21日 【国盛机械】机器人量产元年，商业化和泛化能力成焦点 机械行业首席分析师张一鸣邮箱：zhangyiming@gszq.com执业证书编号：S0680522070009 打造极致专业与效率 制造业的存量和增量：大规模更新vs新质生产力 存量设备大规模更新增量来自新质生产力 低空经济、深海空天开发 人形机器人、增材制造 未来空间 未来制造 基因技术、合成生物、脑机交互 先进半导体、超导材料 未来健康 未来材料 人工智能、大数据、物联网、 云计算、量子信息 锂电、光伏、氢能、核聚变 未来信息 未来能源 新质生产力是由技术革命性突破、生产要素创新性配置、产业深度转型升级而催生的当代先进生产力，它以劳动者、劳动资料、劳动对象及其优化组合的质变为基本内涵，以全要素生产率提升为核心标志。 当前，中国正处于新的设备投资周期之中，较为陈旧设备的更新需求较大。新型工业化和新型城镇化是未来设备更新的重点发展方向。 《推动大规模设备更新和消费品以旧换新行动方案》 24.03.13 钢铁、化工等重工业节能高效生产设备、用能设备更新和技术改造 老旧农业机械更新 老旧营运船舶报废更新 索道缆车、游乐设备、演艺设备等文旅设备更新 教学仪器设备更新 《关于加力支持大规模设备更新和消费品以旧换新的若干措施》 24.07.25 老旧电梯等领域设备更新 老旧营运货车报废更新 AI+机器人代表着新质生产力最前沿赛道 机器人行业已呈现科技发展&海外巨头&政策支撑三重共振特性，在产业起点积蓄力量。科技发展：多模态大语言模型的出现，代表人形机器人“大脑”层面难题取得突破。双足工程化推动硬件规模化发展。海外巨头：2022年以来产业巨头陆续入局，特斯拉、英伟达、OpenAI、谷歌等均在人形机器人领域取得实质性进展。政策支持：工信部《人形机器人创新发展指导意见》为行业描绘了发展蓝图，而美联储也在2024半年度货币政策报告提出可 能采用人工智能和机器人等新技术来提升生产力。 图表：机器人行业的三重共振 人形机器人产业趋势已逐渐形成共识，板块走出概念期，向价值投资切换。市场关注焦点在量产与商业化，尤其 是以特斯拉为代表的头部企业的进展。 图表：人形机器人行情复盘（基于wind人形机器人指数） 人形机器人指数8841699.WI 人形机器人指数8841699.WI 马斯克声称将在22年推出人形 机器人原型机，行情启动 特斯拉AIDAY（9月30号）前由ChatGPT带动的AI行情快速 情绪退潮，出现较大幅度回 调，随后是约3个月的盘整期 轮动，机器人作为AI应用， 开始震荡上行 跟随大盘下 跌 5月中旬特斯拉股东大 会及黄仁勋“具身智能”的提出引爆行情 丝杠板块走出独立 行情，但对指数无 明显拉升 23年&24Q1板块业绩低于预期，6月市场对特斯拉股东大会解读较悲观，情绪逐渐弱化，底部或已出现 超跌反弹叠加定点预期 盘整期 8500 8000 7500 7000 6500 6000 5500 5000 4500 4000 22/4/1 22/5/1 22/6/1 22/7/1 22/8/1 22/9/1 22/10/1 22/11/1 22/12/1 23/1/1 23/2/1 23/3/1 23/4/1 23/5/1 23/6/1 23/7/1 23/8/1 23/9/1 23/10/1 23/11/1 23/12/1 24/1/1 24/2/1 24/3/1 24/4/1 24/5/1 24/6/1 24/7/1 3500 相较于生成式AI，具身智能训练数据目前较为短缺。当前不同模型所有的数据集是完全不同的，其中，大语言模型是目前数据集最大的大模型，发展最为成熟的大语言模型最大量的数据集已经达到了15Ttokens，比如目前运用较好的GPT-4。图像作为标记的模型最大数据集量已经达到了6B，如Midjourney。视频作为标记的模型大数据集量已经达到了2.6B，如世界 通用大模型runway。而目前机器人的数据集量只有2.4M，还远远达不到成为机器人通用模型的状态。 图表当前各模型参数情况 一个是模型端入手，用更加高效的模型，少量数据即可完成训练：如千寻智能创始人高阳提出了全球样本效率最高的强化学习算法（EfficientZero和EfficientZerov2），通过提高样本效率，从模型底层解决数据短缺的问题。 另一种方式则是从训练端入手，通过仿真和模拟扩充数据：如英伟达GR00T项目，通过在仿真中扩展学习实现大幅度降低人形机器人训练数据的成本。具体实现方式主要分为几步：1）给定人形机器人使用AppleVisionPro得到的人类轨迹，即得到初识小量的物理世界的数据；2）英伟达研究人员通过RoboCasa在仿真中改变人形机器人实验场景的视觉变化和场景布 局，从而得到比原来更为庞大的数据；3）研究人员再通过MimicGen改变人形机器人执行同一个人物时不同的动作，同时过 滤掉失败的路径，把数据扩展到初始数据1000倍或以上倍数的数据。 图表千寻智能图表英伟达人形机器人领域应用扩展实现路径 黄仁勋：机器人是AI和执行器以及传感器的结合。以特斯拉Optimus为例，硬件投资机会集中于执行器和传感器。特斯拉Optimus最新方案共有50个以上的执行器，其中30个躯干执行器（旋转16+线性14），20以上的个手部执行器。传感器方面，主要包括视觉感知系统和触觉感知系统。触觉传感器主要包括Mems传感器、电子皮肤、力传感器。视觉传感器主要包括2D视觉方案、3D视觉方 案，如特斯拉FSD采用的2D视觉方案，其获取信息的中介为8个2D摄像头，而国内较多厂商采用了成本较高的3D视觉方案，但对机器人主机厂的算法要求相对宽松。此外，人形机器人还需要精度较高的编码器来检测电机转子的位置和角度。 图表：特斯拉Optimus硬件拆解 Optimus预计售价为2万美金 （大约15万人民币） 未来期望成本 （元） 产业链相关个股 图表：执行器降本空间大 无框力矩电机 500 德国TQ、步科股份 谐波减速器 800 哈默纳科、绿的谐波 旋转执行器 力矩传感器 300 ATI、FUTEK、宇立仪器、安培龙、东华测试、柯力传感 （16个） 外壳 250（开模后） 单个旋转执行器成本合计 1850 16个旋转执行器成本合计 29600 集成商：三花智控、拓普集团 无框力矩电机 500 德国TQ、步科股份 行星滚柱丝杠 1000 舍弗勒、北特科技、新剑传动 线性执行器 （14个） 外壳 250（开模后） 单个线性执行器成本合计 1750 14个线性执行器成本合计24500集成商：三花智控、拓普集团 手部执行器 （20个以上） 空心杯电机模组 （电机、减速器、驱动器） 500Maxon、鸣志电器 触觉传感器600帕西尼、蓝点触控等 马斯克在2024年8月的访谈中表示，手部需要大量的工程设计，Optimus的手在整机工程量中可能占到接近一半。同时控制人手的肌肉绝大部分在前臂，因此特斯拉对灵巧手执行器进行了重新设计，部分电机置于前臂，自由度也由11个增加至22个。灵巧手常用的传动方案有腱绳传动、连杆传动、蜗轮蜗杆传动等，其中腱绳传动为主流，并且同样适用于电机外置的方案。 图表：采用滚珠丝杠连接的腱绳传动结构 图表：马斯克8月访谈称将灵巧手部分电机置于前臂 空心杯电机天然适配灵巧手，是目前性能最优的电机方案。空心杯电机在结构上取消了传统电机的铁芯，优点明显：1）节能性：能量转换效率高，其效率一般在70%以上，部分产品可达到90%以上，而普通铁芯电机能量转换效率在70%以下；2）控制特性：起动、制动迅速，响应极快，在高速运转状态下，可以方便地对转速进行灵敏的调节；3）运行稳定且十分可靠，转速波动很小，能够容易的控制在2%以内；4）重量轻，体积小：空心杯电动机的能量密度大幅度提高，与同等功率的铁芯电动机相比，其重量、体积减轻超过三分之一。 空心杯电机竞争格局：据华经情报网，2022年全球空心杯电机市场规模约为51亿元人民币。从格局看，空心杯电机属于微特电机行业，海外品牌Maxon、Faulbaber、Portescap等处于行业第一梯队，并已经大量申请空心杯电机相关的专利技术。国内虽起步较晚，但以鸣志电器为代表的优秀企业正在加速追赶，性能已逐步趋近海外同类型产品。 图表：空心杯电机和普通有齿槽电机结构差异图表：微特电机市场竞争格局 空心杯电机传统有齿槽直流电机 常有的精密减速器有行星减速器、摆线针轮减速器、谐波减速器、RV减速器等，其中谐波减速器是人形机器人性能最优的方案。常用的工业精密减速器有行星减速器、摆线针轮减速器、谐波减速器、RV减速器等，其中RV减速机由一个行星齿轮减速机的前级和一个摆线针轮减速机的后级组成，是在 传统针摆行星传动的基础上发展而来。工业机器人通常采用谐波减器（如6轴工业机器人第4、5、6关节）与RV减速器（如6轴工业机器人第1、2、3关节），而人形机器人通常采用谐波减速器与行星减速器。谐波减速器传动比大、重量体积小，搭配力矩传感器可以实现精确的力控，是性能更出色的方案，但成本较高；行星减速器传动比较小，相同力矩要求下重量与体积均大于谐波减速器，这将限制其在人形机器人大部分关节的使用，但其传动刚度较高，可适用于电机自带的电流环力控，降低了传动与力控环节的成本。 图表：四类精密减速器介绍 图表：滚珠丝杠（ 左）与行星滚柱丝杠（右）的三大部 件图表：静压丝杠的丝杠被替换为楔形垫块 梯形丝杠：主要由丝杆、螺母、滑块和导向装置等组成。摩擦阻力较大，传动效率较低，有自锁性。 滚珠丝杠：由螺杆、螺母、滚珠和预压片组成。 滚柱丝杠：由螺杆、行星滚柱、螺母组成，按照价值量占比来看，螺母占60%，行星螺柱占30%，螺杆占10%。 丝杠分类 细分品类 图示 优势 劣势 滑动丝杠 梯形丝杠等 结构相对简单，制造成本较低，具备自锁能力 容易磨损，使用寿命相对较短，且无法达到高精度的传动效果 传动效率高，线性运动精度高于滑动丝杠，传 滚珠丝杠 动可逆，可实现高速进 制造难度较大，承载能力较低 给和微进给，售价较滚 滚动丝杠 柱丝杠低在定位精度、速度、加 滚柱丝杠 速度、使用寿命、承载力、传动效率、刚度方 结构复杂，制造难度高，制造成本高，售价高 面优于滚珠丝杠 特斯拉人形机器人主要用反向式行星滚柱丝杠。丝杠将电机的旋转运动转换为直线运动，控制机器人的各个关节，从而实现位置调整、姿态控制和负载传递等功能。丝杠在人形机器人中主要作用是线性执行器，具有较高的传动效率和刚性，能够提供大的力矩和负载承重能力，更好地模拟人体关节活动。在特斯拉人形机器人中，其线性执行器就采用了反向式行星滚柱丝杠。 图表：特斯拉Optimus应用丝杠的部位（右左对称使用） 人形机器人有望带来百亿级丝杠增量需求。以特斯拉Optimus为例，其大臂、小臂、大腿、小腿均需要使用行星滚柱丝杠，用量分别为2、4、4、4副，我们预计未来量产价格分别为1100、600、1500、800元，则单台机器人丝杠价值量为1.38万元。在50/100万台机器人销量假设下，机器人丝杠市场空间将达69/138亿元。 图表：人形机器人丝杠市场空间敏感性分析 应用部位 用量（副） 预计单价 （元/副） 单台成本（元） 50万台背景下 （亿元） 100万台背景下 （亿元） 大臂 2 1100 2200 11 22 小臂 4 600 2400 12 24 大腿 4 1500 6000 30 60 小腿 4 800 3200 16 32 合计 13800 69 138 触觉传感器：帕西尼研发技术优秀，其核心产品维触觉传感器PX-6AX引领触觉传感器潮流。早期机器人难以放量的问题之一在于没有很好的触觉系统，类比人类的�官，触觉没有具体的量化指标，是摩擦度、温度、厚度等各种因素的结合，触觉由于物理量