人形机器人行业深度报告：人工智能的终极载体

2023-08-26 18:16:29 来源：中国教育信息服务网小 中

1、人形机器人开启人工智能应用大未来

人形机器人特点：通用性打破工业及服务机器人的限制

(资料图片仅供参考)

人形机器人最基本的特征是具有人类的外形特征和行动能力。人形机器人相比工业机器人拥有更高级的感知交互系统，包括传感模块和软件方面（导航技术、智能决策等）。与服务机器人相比更需要保持平衡，普通服务机器人有底盘，用轮式驱动，不存在摔倒问题，人形机器人比服务机器人更高，靠双足行走，并需要适应不同的地面，每个关节受力更加复杂，对减速器负载和电机响应速度要求更高。

人形机器人发展：人类的梦想，产业研发提速

近2年人形机器人的研发及投入大增，国内外资本大举进入，未来20年产业大趋势确立。海外厂商主要有特斯拉、本田、波士顿动力、英国Engineered Arts、挪威1X，特斯拉Optimus预计24年底量产。国内厂商主要包括傅利叶、优必选、达闼、小米，其中优必选、达闼的人形机器人具备量产能力。

特斯拉机器人：兼具性能与性价比，进度引领全球

特斯拉机器人产品性能不断升级，性价比优势凸显，且产业化进展快。特斯拉在2021年AI Day上发布了特斯拉的通用机器人计划，并用图片展示了人形机器人 Tesla Bot 的概念。2022年10月，特斯拉在AI Day发布会展示了Optimus人形机器人工程机，首次展示其详细参数和行动能力。2023年5月，特斯拉在股东大会上发布最新视频，Optimus控制能力、环境探索能力、学习能力增强。目前特斯拉机器人硬件进入b样阶段，24年中C样，24年开始小批量在特斯拉工厂运行，24年底-25年有望实现量产，最终产品目标定价2万美金，适用于大规模应用。

特点：1）控制能力强：躯干28个执行器，手部各6个执行器，11个自由度，具有精确控制握持力输出的传感器，全身超200个自由度，行走、抓取物体自然。2）环境探索能力强：承接视觉AI，安装无人驾驶系统 FSD，接入和特斯拉汽车同样的神经网络，可以全面识别周边环境。3）学习能力强：可以通过AI算法识别和学习人类动作。

人形机器人构成：三大模块，软件与硬件交互

感知模块：包括两方面视觉和触觉，视觉有纯视觉路线，也有依靠雷达等多方式融合路线，以便躲避障碍、规划路线；触觉主要通过传感器判断物体的重量、特性等，以便更好实行动作控制。决策模块：是机器人的大脑，核心是芯片与算法，为输入的任务进行分解、制定最佳决策规划，并根据感知和运控模块的反馈，实时调整；同时可利用大模型不断训练和迭代算法。运控模块：机器人的身体，根据指令，对关节的控制是核心，包括角度、力、速度等控制，难点是保持动态平衡、行走跳跃奔跑、手部抓取等，电驱动方式下主要由电机、减速器、丝杠、编码器等构成。

人形机器人空间测算：25年起步，30年开始爆发

出生率下降、人力成本抬升，人形机器人空间广阔。我们按照美国的安保、第二产业、送餐、快递、商场导购、餐饮服务、看护、家政及其他领域就业人数及渗透率测算出美国机器人市场需求，其他市场按照中国需求的1.5倍进行预测，预测全球25年人形机器人初步商业化，销量3万台左右，30年这些领域就渗透率 1.5-2%对应存量需求230万台，新增需求100万台+，2035年销量有望突破1000万台。

2、AI加速人形机器人产研，特斯拉引领全球

软件决定人形机器人高度，算法需与硬件匹配

人形机器人本质是AI系统落地物理世界的最佳载体，算法是核心，需与硬件匹配。机器人的输出包含了虚拟与物理两种能力。虽然人形机器人从本体硬件上看，存在抗压硬度与灵敏度不足的问题，但更核心问题在于是算法对运动能力的控制，包括本体平衡、行走的步态、手部抓取等规划与控制。这需要成熟的感知系统基础、强大的算法分解任务和规划动作、大模型不断仿真训练以及超强的算力支撑。同时要求，算法与硬件相匹配，这要求机器人企业需自研算法，并持续更新迭代。

人形机器人是头部科技公司的竞争

人形机器人进入门槛高，科技巨头拥有研发实力及软件基础。头部科技公司，如特斯拉、腾讯、OpenAI、小米等纷纷布局人形机器人，与工业机器人四大家族相比，可能在机械硬件方面积累较少，但在视觉感知、算法、虚拟仿真等软件方面领先优势明显，且与原有业务协同效应明显。综合来看，特斯拉人形机器人优势最为突出，一是可直接嫁接FSD感知与算法、深度神经网络训练软硬件基础，且具备最为顶级的研发团队；二是成熟的汽车供应链，降本路径清晰；三是特斯拉汽车工厂提供率先应用场景。

感知：特斯拉机器人与FSD一脉相承

特斯拉FSD纯视觉+深度学习神经网络渐趋成熟，可嫁接至人形机器人。与自动驾驶类似，人形机器人同样需利用传感器（摄像头、激光雷达等）感知、采集和处理周围环境信息，以便做出决策。特斯拉人形机器人仅使用3个摄像头（中间鱼眼摄像头、左右各一个视觉摄像头），直接嫁接FSD成熟的纯视觉方案，再辅之以力/力矩/声学/触觉/温度等传感器。

执行：人形整机平衡与行走步态是基本

执行层：系统在做出决策后，对机器人本体做出控制。机器人各操控系统都与决策系统相链接，并按指令精确执行。自平衡系统：机器人在不同环境下保持动态平衡（特别是外力冲击下），需要软件算法和机械设计共同作用。软件层面看，一方面通过传感器获取机器人的状态信息，从而控制关节运动实现平衡；另一方面，通过预测机器人的运动轨迹和所需动作，而提前应对。行走步态：零力矩点(ZMP)必须落在支撑面内，合理地规划踝关节和髋关节，以保持动态行走时重心的稳定；同时腿部应具备适当的机械柔顺性，有效缓解来自未知高刚度环境的碰撞冲击。这均要求算法与关节硬件相匹配。

仿真学习：不断训练算法，提升机器人能力

大模型提升仿真学习能力，可大幅提升算法训练效率：仿真的目的在于评估机器人结构和算法的设计，包括机器人的运动、工作环境、感知等，意义在于通过仿真模型快速、低成本、高安全性地训练机器人的算法。通过仿真，可加快软件更新迭代，同时缩短算法与硬件调整时间，极大提高训练效率。未来端到端训练有望突破，具身智能未来可期：特斯拉FSD将推12版本，将小模型集成至大模型中，也有望应用于机器人，提高训练效率。具身智能是人工智能的终极形态，机器人可理解、推理并与物理世界互动，集视觉、语言、认知和推理、机器学习等大成。

3、特斯拉运控系统最具量产优势，中国供应链受益

特斯拉机器人结构：40个执行器组成身体最核心的关节构架

特斯拉机器人采用电驱动方式，设计之初就考虑大规模量产：区别于波士顿的液压方式，电驱动方式关节更灵活，且核心部件均大规模量产应用（除丝杠），成本可供。三大类、40个执行器组成特斯拉机器人核心关节构架，电池、摄像头、芯片均为成熟工艺：Optimus机电执行器系统含3大类、40个执行器——身体14个旋转执行器、14个线性执行器，手部12个空心杯模组，上述执行器均由“电机+传动装置+各类轴承+传感器”组成。躯干搭载2.3kwh电池，头部搭载三个摄像头（中间鱼目、两侧各一普通摄像头），大脑采用FSD芯片。

成本拆分：执行器为成本之重，核心部件降本空间大

人形机器人成本拆分预计：主要包括动力总成系统（60%，电池系统+各关节机电执行器）、智能感应系统（ 15%）、结构件及其他（10%）、制造成本（15%），其中行星滚柱丝杠、六维传感器降本空间大。我们测算2025年小批量生产时，单个机器人成本40万元以上，2030年之后大规模量产成本有望降低至13-14万元。

特斯拉机器人关节：三类旋转执行器，谐波方案为主

旋转执行器主要实现关节旋转运动，传动部件以谐波减速器方案为主：目前由无框伺服电机+谐波减速器+ 电机驱动器+离合器+力传感器+编码器组成。目前共三类额定负载20N·m/110N·m/180N·m，分别应用于肩膀、手肘、腰髋部。由于谐波减速器承载力有限，我们推测髋部等部位后续可能采用其他减速器方案。

三花已送样旋转执行器，目前处于B样品，24年中有望C样，量产最快为24年底25年初：三花目前送样的旋转执行器中自制电机，采用绿的谐波减速器，编码器及传感器由特斯拉制定海外供应商，后续三花目标进一步提高执行器集成度及零部件自供比例。

展望关节驱动新方案：技术尚未定型，寻找性价比最优方案

新技术方案或带来人形机器人行业成本超预期下降。特斯拉当前的方案采用的是传统的刚性驱动器的结构，特点是精度高，但功率密度达不到生物肌肉的水平、抗冲击性也一般，不太能适应复杂的地理环境。除了刚性驱动器外，还有弹性驱动器、准直驱等方案，控制算法会复杂、精度一般，但安全性和效率显著提升，其中准直驱方案在一些四足狗、人形机器人方案中使用较多。

核心零部件：控制类电机广泛应用人形机器人关节

“电机”是将电能转换成机械能的电气设备，按照用途可以分为控制电机和驱动电机（功电机），也可根据工作电源种类方式分为交流电机和直流电机。控制电机：侧重电机输出量的幅频特性、相频特性及输出特性的精度、灵敏度（汇川技术、鸣志电器、江苏雷利等归于此类）。控制电机根据控制方法、结构、用途等不同又可以分为步进电机、伺服电机、直流无刷电机、力矩电机等。人形机器人要求电机体积小、扭矩密度高、精度高，故应用控制电机为主。驱动电机：侧重启动和运行过程中的力能指标，功率较大（卧龙电驱、方正电机、英搏尔从事的电机业务等归于此类）。可分为交流的永磁同步电机、异步电机、磁阻电机，以及直流电机（通常是发电机）。

核心零部件：六维传感器技术壁垒极高，国产技术未完全突破

六维力传感器也是维度最高的力觉传感器。六维传感器可同时测量沿三个坐标轴方向的力和绕三个坐标轴方向的力矩，给出最为全面的力觉信息，其技术难度和使用难度都比较大。如果力的作用点离传感器标定参考点的距离较远，且随机变化，测量精度要求较高，一定需要采用六维力传感器，不仅可获得力的信息，同时可获得内部受力姿态，多应用于机器人手腕，便于抓取。六维传感器国产技术尚未完全突破，价格高昂。六维传感器软硬件均存在难点，仅个别厂商可以国产化但精度仍与进口存在差异：1）难以解决对所测力分量敏感的单调性和一致性问题；2）无法解决因结构加工和工艺误差引起的维间干扰问题、动静态标定问题；3）矢量运算中的解耦算法建模困难；4）电路实现困难。目前六维传感器价格2-5万/个，后续国产化+规模化后降价空间大。

4、对标电动车化，人形机器人星辰大海

特斯拉人形机器人产业化进程较电动车或大幅缩短

特斯拉电动化三步战略：1）04-08年Roadster时代：5年时间测试电动化系统；2）09-15年SX时代：7年时间实现品牌积累及规模化量产；3）15-至今的3Y时代：推向大众化，实现盈利，智能驾驶实现快速迭代。人形机器人将延续三步战略，但已有深厚积淀，推进速度更快：目前特斯拉人形机器人的阶段相当于 Roadster的后期和SX的初期，相较当年，特斯拉已具备深厚的人工智能技术基础、生产管理经验、品牌效应、资金及研发实力，因此从研发到大众化大规模生产时间有望缩短一半至6年。

电动车行情复盘：放量行情前的主题投资仍值得参与

电动车行情的三部曲： 1）10-14年0-1纯主题投资：消息催化，涨幅空间1倍，沾边普涨； 2）15-17年1%-5%初期放量行情：政策推动放量，涨幅2-3倍，供应紧缺环节领涨； 3）19底-21年底5%-30%的大行情：车型推动放量，涨幅10倍，格局好、壁垒高的龙头成长为大市值公司。

2010年第一次纯主题炒作：2010年初科技部万钢部长表明支持新能源车的发展，提出十城千辆目标，第一波主题行情展开，龙头个股是万向钱潮，集团的新能源汽车相关资产注入上市公司，大洋电机计划要做新能源汽车电机电控，奥特迅作为充电桩纯正概念股。但是年底并没有出台实质性政策，甚至纯电和插电路线也没有确定，随后相关概念股在2011年和2012年跟随市场调整回调幅度很大。

电动车复盘：动车行情复盘：价值高/壁垒高/格局好易出10倍股

整车/电池环节易出大市值公司，资源/隔膜/电解液/负极次之，正极/电机及小零部件最难：细分版块产品壁垒、成本曲线决定行业的竞争格局；个股自身的能力，全球化、一体化的布局，客户及降本优势决定个股的成长空间。

机器人与电动车产业对比：壁垒更高，绑定龙头更重要

人形机器人壁垒更高，格局集中。电动车是电动化与智能化并行的变革，电动化是基础，智能化是高度，因此传统车型转型简单，并且电动化降低造车门框，新势力密集涌现，初期格局分散；而人形机器人本质是人工智能的物理落地，人工智能是基础，身体关节与人工智能配合，仅头部科技巨头有实力参与，初期格局集中。供应链：第一条绑定最头部企业，第二条选择核心壁垒最高环节，第三条单机价值量可提升。由于人形机器人格局集中，放量来自某个别头部公司，而非电动车车企全面开花，因此头部机器人供应链最具投资价值。

5、优选特斯拉供应链及高壁垒高价值量龙头

三花智控：全球热管理龙头，布局机器人执行器

公司持续深耕热管理领域，龙头地位稳固。公司是全球热管理龙头，主要从事制冷电器零部件与汽车热管理零部件，涵盖电子膨胀阀、四通阀、电磁阀、微通道换热器、Omega泵等，22年公司实现收入213.48 亿元，同比+33.25%；实现归母净利润25.73亿元，同比+52.81%。开始布局仿生机器人机电执行器业务，渠道优势显著。2022年公司积极布局机器人产业，通过持续投入和联合研发（与绿的谐波合资设企，保证谐波减速器配套能力），有望率先实现与头部客户的合作。

拓普集团：剑指全球汽配龙头，设立事业部推进机器人

公司剑指全球汽配龙头，产品线持续延伸。公司以减震、内饰起家，并持续推动产品线的拓展，目前汽车业务已拥有汽车NVH减震系统、内外饰系统、车身轻量化、智能座舱部件、热管理系统、底盘系统、空气悬架系统、智能驾驶系统等8大产品系列，22年公司实现收入159.93亿元，同比+39.52%；实现归母净利润17.00亿元，同比+67.13%。拆分设立机器人事业部，有望加大布局。据公司官网，近期公司拆分设立机器人事业部，建立独立管理架构，后续有望在机器人布局持续投入。

双环传动：减速器布局全面，渠道优势显著

国内汽车齿轮及RV减速器龙头，22年业绩持续高增。双环传动主营齿轮、减速器等业务，涵盖汽车、轨交及工业机器人等多个领域。公司22年RV减速器市占率15%，是内资企业Tier1，22年营收/归母净利润达68.38/5.82亿元，同比+26.84%/+78.37%。减速器布局较早，占比结构性增加。公司13年组建精密减速器研发团队，18年面向机器人升级产品，20 年成立子公司环动科技专精减速器业务（从双环剥离）。18年至今减速器收入占比从1.99%提升至5.59% ，业务结构发生变化。