人形机器人：黎明破晓，AI归宿

行业报告：机器人 2024年9月20日 人形机器人：黎明破晓，AI归宿 行业评级：增持 分析师：邹润芳 证券执业证书号：S0640521040001 分析师：闫智 证券执业证书号：S0640524070001 分析师：卢正羽 证券执业证书号：S0640521060001 中航证券研究所发布证券研究报告请务必阅读正文后的免责条款部分 核心观点 人形机器人：行则将至，量产可期。人形机器人是AI技术落地物理世界的优质载体，近两年通用大模型的发展赋予人形机器人强大的泛化能力，产业进入商业化落地的初级阶段，特斯拉、OpenAI、英伟达、三星等科技巨头纷纷入局抢占行业高地。以特斯拉为例，马斯克于2021年提出人形机器人概念机TeslaBot，2022年推出原型机Optimus，2023年12月推出Optimus-Gen2，相比一代进化显著，感知、大脑、运控能力明显提升。伴随特斯拉Optimus落地，2025年人形机器人将步入量产元年，其应用场景有望经历“汽车工厂应用—制造业开始全面渗透铺开—成熟后走进千家万户”三个阶段。据我们测算，至2030年全球人形机器人需求有望达200万台，对应市场空间超5700亿元。 执行系统：灵活关节，丝杠、电机、减速器是关键。硬件决定人形机器人的运动灵活程度，特斯拉Optimus关节由40个执行器组成，核心零部件包括丝杠、电机、减速器，旋转关节、直线关节、灵巧手合计成本占比超过50%，降本诉求下国内产业链更具优势。1）丝杠：用于直线关节，主要种类包括梯形丝杠和滚柱丝杠，常见的加工工艺包括车削、铣削、磨削，其中磨床是粗加工和精加工环节的重要设备；目前成本占比23.4%，降本需求最为迫切。2）电机：无框力矩电机用于旋转关节和直线关节，空心杯电机/无刷有齿槽电机用于灵巧手，电机合计成本占比约8.9%。3）减速器：用于旋转关节，谐波减速器为当前主流方案，部分精度要求较低的关节也可用行星减速器，目前成本占比约4.1%。 感知系统：交互之媒，多传感器综合赋能。传感器是将机器人对内外部环境感知的物理量变换为电量输出的装置，可分为内部传感器和外部传感器，人形机器人核心的传感器包括力矩传感器、视觉传感器、触觉传感器，目前传感器成本占比约24.7%。1）力矩传感器：旋转关节和直线关节应用扭矩传感器，手腕、脚腕可使用六维力矩传感器增加柔顺控制能力。六维力/力矩传感器成本及制造难度远高于单维力矩传感器，早期应用场景以航天领域的空间机械臂为主。2）视觉传感器：特斯拉Optimus采用纯视觉方案，小米、宇树等大多使用多传感器融合方案。3）触觉传感器：特斯拉Optimus-Gen2手部搭配触觉传感器，是相比上一代最大的边际变化之一，有望引领行业新趋势。 控制系统：智能“小脑”，核心算法自研为主。运动控制是指对机械运动部件的位置、速度、方向等进行实时控制，使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动。一般控制器需要根据机器人的任务场景与需求具体设计开发，需要满足低功耗、高算力、高集成度等要求，目前各家人形机器人场景应用多样，且算力需求存在差异，因此控制器以自研为主。 投资建议：人形机器人产业趋势明确，目前产业进入从0到1的重要突破阶段，2024年是突破量产的关键一年，后续应重视技术迭代、定点、新品发布等事件催化，我们建议重点关注以下投资方向：1）Tier1：三花智控、拓普集团；2）丝杠：北特科技、贝斯特、五洲新春；3）传感器：柯力传感、东华测试、汉威科技；4）减速器：绿的谐波、中大力徳、双环传动；5）电机：鸣志电器、步科股份；6）国内整机：博实股份。 风险提示：AI技术迭代不及预期、人形机器人量产进度不及预期、国产替代不及预期、宏观经济波动等。 目录 1.人形机器人：行则将至，量产可期 2.人形机器人拆解及产业链总览 3.执行系统：灵活关节，丝杠、电机、减速器是关键 4.感知系统：交互之媒，多传感器综合赋能 5.控制系统：智能“小脑”，核心算法自研为主 6.投资建议 1960-1999 2000-2015 2016-2020 2021-至今 早期发展阶段 以早稻田大学WABOT为代表 高度集成发展阶段 以本田仿人机器人为代表 高动态发展阶段 以波士顿动力Atlas为代表 商业化落地的初级阶段 以特斯拉Optimus等为代表 1963年 NASA造出了一个名为“机动多关节假人”的机器人“试穿”宇航服，能模拟35种基本人类动作； 1973年 日本早稻田大学加藤一郎团队推出世界首个全尺寸人形智能机器人WABOT-1；1984年 加藤一郎教授和多个研发实验室合作，开发出更智能化的WABOT-2； 1985年 中国哈尔滨工业大学开始涉足二足步行机器人相关研究； 1986-1992年 本田开发了双足机器人E0、E1、E2、E3、 E4、E5、E6； 1993-1997年 本田开启了为原型机加装上半身的研发，推出人形机器人P1、P2、P3； 1998年 本田公司联合川田工业公司和国家先进工业科学技术研究所（AIST）共同发布了全新的机器人系列HRP； 1999年 上海交通大学研制仿人机器人SFHR，共24个自由度； 2000年本田推出身高一米二，可用双脚流畅直立行走的Asimo（P4）；2002年北京理工大学研制出仿人机器人BRH-1；2003年日本工业技术研究院（AIST）推出HRP-1S和HRP-2原型机；丰田第一代仿人类机器人进化为有腿版；2004年意大利理工学院（IIT）发布iCub机器人原型；2005年本田对Asimo进行升级改造，实现人形机器人奔跑，速度达6km/h； 2016年改进后的Atlas正式亮相，并拥有了更强的运动平衡能力；540台优必选Alpha机器人亮相央视2016年春晚；2017年本田发布第三代人形机器人T-HR3；2019年优必选发布第二代人形机器人Walker； PALRobotics推出可以行走、具有语言和视觉功能的机器人平台REEM；2009年2013年Atlas前身美军双足机器人Petman亮相；波士顿动力初代人形机器人Atlas亮相；丰田发布第二代会跑步的机器人，跑速丰田推出小型人形机器人Kirobo；7km/h；2010年2014年美国宇航局与通用公司计制造的机器宇航日本软银和法国AR联合推出会表达情员Robonaut2进入国际空间站；绪的人形机器人Pepper；2011年本田推出All-NewASIMO； 2021年7月； 优必选发布人形机器人WalkerX 2021年8月 特斯拉在AIDay上首次发布人形机器人Optimus概念； 2022年8月 小米公布首款人形机器人CyberOne； 2022年10月 特斯拉Optimus原型机首次亮相，计划3-5年内实现量产，售价控制在2万美元；2023年5月 特斯拉展示Optimus最新机型，实现多个机器人同时行走与抓取物品； 2023年7月 傅利叶推出最新研发的GR-1机器人，拥有良好的运动控制能力和感知计算能力；2023年8月 宇树发布第一款人形机器人UnitreeH1；智元发布人形机器人远征A1； 达闼首次展示人形机器人“七仙女”小紫；追觅科技展示人形机器人； 2023年11月 乐聚机器人发布首款基于开源鸿蒙的人形 机器人，涵盖工业、服务等多场景应用； 开普勒发布通用人形机器人先行者K1、S1、 D1三个型号； …… 售价 没有进行大规模商业化，只租不卖，租用一天约200万日元（约合12万人民币） 200万美元 为什么机器人要做成人形？1）现实世界的工作、生活场景多数是为人类专门设计的，人形机器人可以很好地适应场景而无需改变现有设施。2）因为具备人的形状，人形机器人在人机交互过程中更容易被人接受，更具有情感价值。 为什么人形机器人还未大规模商业化？人形机器人有着几十年的发展历程，在特斯拉Optimus受到广泛关注之前，日本本田和美国波士顿都有人形机器人推出，但没有商业化量产，原因在于：1）成本居高不下：波士顿动力Atlas与本田Asimo的成本均达到了百万美元以上；2）技术难点尚未完全攻克：如软件端不能适应复杂应用场景、交互能力差、运控平衡能力有待提升，硬件端续航能力不足、执行器的精度和功率密度/力矩密度仍需提升。 图表：本田Asimo和波士顿动力Atlas受限于成本与软硬件等功能尚未大规模商业化 本田第三代ASIMO 波士顿动力Atlas 产品示意图发布时间 2011年 2016年 体重 48kg 80kg 身高 130cm 150cm 步行速度 9km/h 5.4km/h 续航时间 40min（步行） 90min 全身自由度 共57个DOF头3+腕14+手24+腰2+腿12 共28个DOF臂12+颈2+腰2+腿12 腿部自由度 单腿6个DOF髋3+膝1+踝2 单腿6个DOF髋3+膝1+踝2 双手 有十指 无十指 负载 1kg 约20.41kg 商业化情况 目前暂无商业化对象，出席会展/表演等 目前暂无商业化对象 通用大模型为具身智能带来革命性潜力。人形机器人的硬件决定运动的灵活程度，零部件多为其他行业的应用迁移，成本痛点可通过产业链规模生产解决；而软件算法充当机器人的“大脑”，决定机器人的应用上限，是机器人商业化拓展的主要瓶颈。此前，机器人依赖固有的程序设定执行任务，难有在各类场景通用的算法，机器人的落地应用受限。近年来LLM、VLM、VNM等通用大模型的发展赋予了机器人本体强大的泛化能力，机器人可以适用于更多复杂场景、非专业人员不需编程即可实现操作，人形机器人商业化进程提速。“具身智能”的机器人不再是机械式地完成单一任务，而是能够基于感知到的任务和环境进行自主规划、决策、行动、执行的新个体，语言交互、智能决策、自主学习、多模态感知等能力全面提升。 图表：多模态大模型加速机器人智能迭代 ①将任务信息转化为向量 •环境信息（图片） ③根据任务和环境生成指令 ②将桌子上信息表示为向量 •与环境交互反馈，完成任务 执行控制指令 •机器人控制指令 输出控制指令 模型 •任务信息（文字） 从桌子上拿篮球 输入 视觉模型ViT 控制向量 大语言模型LLM 科技巨头加速入局推动产业革新。1）特斯拉：2022年9月30日特斯拉推出人形机器人Optimus原型机，2023年马斯克表示特斯拉的长期价值将来自AI和机器人；2）OpenAI：2023年3月，OpenAI投资挪威人形机器人公司1XTechnologies；2024年5月，OpenAI称已重启机器人团队两个月；3）三星：2023年1月，三星向韩国机器人厂商RainbowRobotics投资590亿韩元；4）英伟达：2023年5月，黄仁勋表示，人工智能的下一个浪潮将是具身智能；2024年2月，英伟达成立通用具身智能体研究部门；2024年3月，英伟达发布人形机器人大模型ProjectGR00T；2024年6月，黄仁勋强调“下一波AI的浪潮是物理AI，机器人时代已经到来”；5）FigureAI：2022年成立，2024年2月获英伟达、微软、OpenAI、英特尔等科技公司共计6.75亿美元的投资。 图表：特斯拉机器人泛化能力显著提升图表：英伟达GR00T项目可与多款人形机器人集成 特斯拉Optimus快速迭代，引领新一轮科技革命浪潮。马斯克在2021年AIDAY上提出人形机器人概念机TeslaBot，随后开始快速发展迭代，2022年2月搭建完成开发平台，2022年10月在AIDAY上正式推出原型机Optimus，此时可实现行走、搬运、洒水等简单动作，2023年12月推出Optimus-Gen2，相比一代显著进化，感知、大脑、运控能力明显提升。特斯拉人形机器人可形成完整的产业闭环，商业化落地值得期待：Optimus复用自动驾驶相关技术，快速实现了从概念机到智能灵活机器人的进化，特斯拉汽车的工厂生产和门店销售也为人形机器人提供了商业化落地的初步场景，产业链优势为降本提供了可能，远期量产价