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1、汽车行业报告:人形机器人关节执行器,国产替代正当时薛玉虎(证券分析师)王琭(联系人)S0350521110005S证券研究报告2023年09月04日汽车请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明2重点关注公司及盈利预测重点关注公司及盈利预测重点公司代码股票名称2023/09/04EPSPE投资评级股价20222023E2024E20222023E2024E601689.SH拓普集团76.201.542.223.0437.9734.32 25.07 买入002050.SZ三花智控28.530.720.851.0629.6133.56 26.92 未评级002472.SZ双环传动34.500.680
2、.971.2137.1835.57 28.51 买入300580.SZ贝斯特24.981.140.791.0116.2731.62 24.73 买入301310.SZ鑫宏业56.951.992.463.68-23.15 15.48 买入300124.SZ汇川技术68.981.642.072.6242.7733.32 26.33 增持688017.SH绿的谐波118.410.921.852.47105.0664.01 47.94 增持603728.SH鸣志电器70.200.590.630.9856.63111.43 71.63 未评级资料来源:Wind资讯,国海证券研究所(注:未评级公司盈利预测
3、取自 Wind一致预期)资料来源:Wind资讯,国海证券研究所请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明3核心提要核心提要特斯拉人形机器人特斯拉人形机器人OptimusOptimus有望落地商业化,点燃人形机器人市场投资热情:有望落地商业化,点燃人形机器人市场投资热情:人形机器人探索历史已超百年,但因技术不成熟、成本过高和应用场景有限等约束至今仍未大规模商业化应用。特斯拉机器人有望突破技术、成本和应用场景等既有瓶颈,实现大规模商业化应用:复用特斯拉汽车FSD技术,共享汽车产业链供应商,实现研发协调和生产协同,提升研发速度,降低研发生产成本;特斯拉超级工厂、人形机器人自我制造、汽车与火箭测试以及火
4、星计划等应用场景助推人形机器人走向量产应用。“机器代人”符合社会发展趋势,以人形机器人为代表的具身智能有望成为第四次科技革命的核心领域“机器代人”符合社会发展趋势,以人形机器人为代表的具身智能有望成为第四次科技革命的核心领域,带动社会经济增长:人形机器人可破解劳动力不足难题,替代重复、危险的体力劳动,大幅解放生产力,根据Precedence Research,20322032年全球市场将年全球市场将达达286.6286.6亿美元亿美元;人形机器人开启新一轮国际竞争,我们预计特斯拉现阶段仅关节硬件成本就存在仅关节硬件成本就存在70%70%以上的降本空间以上的降本空间,我国供应商性价比、响应速度、
5、产业链等优势凸显,有望凭借成本优势切入特斯拉人形机器人供应链,迎来重要发展机遇。Tesla BotTesla Bot采用电池组采用电池组+电机驱动电机驱动+刚性金属传动刚性金属传动+串并联关节分布串并联关节分布+视视/力力/位传感器的方案,位传感器的方案,核心构成可分为大脑和执行器:核心构成可分为大脑和执行器:负责感知和控制的大脑复用了特斯拉汽车上FSD的芯片和算法,是特斯拉相对于其他人形机器人公司的一大优势;执行器分为旋转和线性两大类执行器分为旋转和线性两大类,分别占现阶段关节主要硬件成本的32.35%32.35%和和62.82%62.82%,每一类有大小三个规格:旋转执行器:旋转执行器:无
6、框力矩电机+谐波减速器+机械离合+力矩传感器+高低速双编码器+驱动器,用于肩肘腰髋等关节;线性执行器:线性执行器:无框力矩电机+行星滚柱丝杠+力传感器+编码器+驱动器,用于腕肘膝踝等关节。关节执行器的通过伺服驱动器、伺服电机、编码器等零部件组成的伺服系统实现为位置和动作的精准控制:无框力矩电机是以输出扭矩为衡量指标的无框架式永磁电机,优点:体积小、性能强、可集成外壳用于严苛环境;编码器是测量机械旋转或位移的传感器,一体化机器人关节采用增量编码器+单圈绝对值编码器的双编码器方案。减速器是连接动力源和执行机构的中间机构,用于匹配转速和传递转矩,精密减速领域主要包括谐波减速器、RV减速器等,Tesl
7、a botTesla bot主主要使用谐波减速器,约占现阶段关节硬件成本的要使用谐波减速器,约占现阶段关节硬件成本的6.65%6.65%;行星滚柱丝杠具有高承载、长寿命、抗冲击、高可靠性等特点,但结构复杂、加工难度大、成本较高。反转式行星滚柱丝杠可通过较小的导程实现更高的额定负载,尺寸更紧凑,密封性能更好,约占现阶段关节硬件成本的约占现阶段关节硬件成本的44.32%44.32%。请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明4核心提要核心提要投资建议:投资建议:我国零部件供应商有望凭借价格低、质量高、产业链全等优势,插入以特斯拉Optimus为代表的人形机器人零部件供应链,国产替代进程加速进行。我们
8、看好技术领先并在海外市场快速布局的零部件供应商,重点关注拓普集团、三花智控、双环传动、贝斯特、鑫宏业、汇川技术(机械组覆盖)、绿的谐波(机械组覆盖)、鸣志电器(电新组覆盖)。风险提示:风险提示:关键技术创新不及预期风险;特斯拉机器人降本进度不及预期;特斯拉机器人量产能力不及预期;供应链国产替代不及预期风险;市场竞争加剧风险;宏观经济下行风险;人形机器人渗透率不及预期风险;地缘政治不确定性对供应链产生影响风险;外汇市场汇率波动风险;税收优惠政策变化的风险;国内外公司、国内国际市场对比研究具有局限性带来的风险。请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明5线圈环形磁铁集成电路板线圈端部绝缘电源线叠片过
9、热保护装置霍尔传感器特斯拉机器人关键机械零部件概览特斯拉机器人关键机械零部件概览旋转执行器14个:肩部6个、肘部2个、腰部2个、髋部4个常规旋转执行器构造无框力矩电机谐波减速器线性执行器14个:腕部4个、肘部2个、腿部8个线性执行器及关键零部件:反转式行星滚柱丝杠钢轮柔轮波发生器灵巧手及关键零部件空心杯电机构造前法兰机壳磁轭绕组永磁体滚珠轴承轴后法兰霍尔传感器PCB控制磁钢注:零部件信息仅供参考示意,非特斯拉最终方案;详见报告第三章资料来源:Maxon官网,Maxon微信公众号,2022特斯拉AI Day,新浪直播,天誉科技,绿的谐波招股说明书,科尔摩根官网,国海证券研究所请务必阅读报告附注中
10、的风险提示和免责声明61.1.人形机器人:人形机器人:AIAI赋能,大规模应用临近赋能,大规模应用临近2.2.人形机器人代替人类:科技进步与社会发展大势所趋人形机器人代替人类:科技进步与社会发展大势所趋3.3.关节执行器国产替代大有可为关节执行器国产替代大有可为4.4.重点标的梳理汇总重点标的梳理汇总5.5.投资建议与风险提示投资建议与风险提示目录目录请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明70101人形机器人:人形机器人:AIAI赋能,大规模应用临近赋能,大规模应用临近 1.11.1 特斯拉有望突破研发、生产和应用三大瓶颈特斯拉有望突破研发、生产和应用三大瓶颈 1.21.2 人形机器人初见大
11、规模商业化曙光人形机器人初见大规模商业化曙光 1.3 1.3 人工智能技术加速人形机器人落地应用人工智能技术加速人形机器人落地应用请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明81.11.1、特斯拉机器人快速迭代,售价或限制在、特斯拉机器人快速迭代,售价或限制在2 2万美元以内万美元以内 特斯拉人形机器人特斯拉人形机器人OptimusOptimus(擎天柱擎天柱)两年内从概念到样机落地两年内从概念到样机落地,快速开发迭代:快速开发迭代:2021年 AI Day,马斯克首次公布首次公布人形机器人的研发计划,并展示出真人扮演的 Optimus 概念机;2022年 AI Day,特斯拉正式展出正式展出 O
12、ptimus 样机,展示了其直立行走、搬运、洒水等基本的行为能力;2023年3月特斯拉投资者日,Optimus 展现出平稳走动、拧螺丝的能力;5月16日特斯拉股东大会,Optimus走路更加灵活自然、能够完成更加复杂的任务、更精确控制力度、并具有了环境探索与记忆等功能。20222022年特斯拉年特斯拉AIAI DayDay,马斯克预计到马斯克预计到20年年OptimusOptimus售价将控制在售价将控制在2 2万美元以内万美元以内,成本大幅下降,市场空间远期或超汽车业务。资料来源:特斯拉官网,2021年Tesla AI Day,2022年Tesla AI Day
13、,2023年Tesla投资者日,2023年Tesla股东大会,瓦砾村夫微信公众号,新浪直播,证券时报,国海证券研究所图:2021-2023年,Optimus演变过程Optimus概念机高5尺8寸,重56.6千克;全身将有4040个自由度个自由度;四肢由4040个电动机驱动个电动机驱动;两只脚具备力反馈感应平衡和较强的灵活性;将复用车端的摄像头摄像头、FSDFSD芯片、芯片、DojoDojo超级计超级计算机算机等工具;行走时速8km,负载20千克。Optimus身高173cm,体重73千克;大脑由单块单块FSDFSD芯片组成,电池是52V电压、2.3kWh 容量、内置电子电气元件一体单元一体单元
14、;身体与手共3939个自由度;个自由度;执行器执行器减少至2828个个;负载10千克,行走速度较为缓慢,暂未达到8km的时速。Autopilot摄像头减少至3个;已经打通打通FSDFSD和机器人和机器人的底层模块的底层模块,实现了一定程度的算法复用;Optimus实现了端到端端到端的学习训练,表明特斯拉在用自己研发的大模自己研发的大模型型来支撑机器人在软件层面上的提升。2022220232023请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明91.1.11.1.1、人形机器人当前面临技术、成本和应用场景三大瓶颈、人形机器人当前面临技术、成本和应用场景三大瓶颈 人形机器人经历长期发
15、展仍未实现大规模商业化人形机器人经历长期发展仍未实现大规模商业化,主要有技术难主要有技术难、成本高以及应用场景有限三大瓶颈:成本高以及应用场景有限三大瓶颈:“大脑大脑”和肢体技术尚不成熟:和肢体技术尚不成熟:人形机器人需在人类生活的非结构性环境中实现自如运动,并通过自主学习、判断完成复杂任务,对对“大脑大脑”的感知的感知、交互交互、运控要求极高运控要求极高。肢体关节方肢体关节方面则要求体积小重量轻但输出功率大等方面的机械性能限制面则要求体积小重量轻但输出功率大等方面的机械性能限制,现有成熟方案难以实现。研发投入大研发投入大、生产成本高:生产成本高:以优必选为例,2020、2021及2022年Q
16、1-Q3,分别产生研发开支4.3、5.2及3.2亿元,营收占比分别达57.9%、63.3%及61.4%,公司于此期间内累计亏损24亿元。应用场景不明朗:应用场景不明朗:现阶段人形机器人可实现功能有限,除表演展示外难以广泛应用。本田ASIMO发展十八年终因实用性不实用性不强强且成本过高于2018年退役;优必选人形机器人虽已商用但主要依赖教育领域营收。资料来源:人形机器人技术的发展与现状虞汉中,优必选招股说明书,国海证券研究所图:人形机器人三大技术模块研发投入大,研发投入大,硬件成本高企硬件成本高企“大脑”和肢体技术尚不成熟应用场景少,无应用场景少,无法支撑大批量商法支撑大批量商业化应用业化应用成
17、成本本场场景景技技术术请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明101.1.21.1.2、特斯拉突破行业瓶颈的特有优势:产业链协同、特斯拉突破行业瓶颈的特有优势:产业链协同 特斯拉人形机器人可以复用电动汽车技术与产业链特斯拉人形机器人可以复用电动汽车技术与产业链,加速商业化落地加速商业化落地。Optimus采用汽车同款FSD芯片及算法,使用Dojo超级计算机进行训练,在热管理系统、传感器、电池系统等诸多方面与汽车产品有共同之处,产业链更易实现规模化效益。人形机器人与外界有更多交互,比汽车自动驾驶技术更为复杂,特斯拉可在车端AI技术的基础上进一步深化升级。资料来源:特色产业链揭榜推进活动公众号,高
18、工机器人公众号,2022年Tesla AI Day,新浪直播,瓦砾村夫公众号,国海证券研究所图:特斯拉电动汽车与人形机器人技术交集神经网络神经网络人工智能算法人工智能算法训练训练Dojo Dojo 超级计算机超级计算机图像分析图像分析摄像头摄像头硬件复用硬件复用电池系统电池系统热管理系统热管理系统FSDFSD芯片芯片交互模块相同交互模块相同物体识别物体识别定位和地图映射定位和地图映射避障避障深度分析深度分析传感器传感器摄像头+超声波计划、决定、执行计划、决定、执行转向、加速或刹车传感器:传感器:摄像头+超声波+电磁+听力+触觉+温度+压力计划、决定、执行计划、决定、执行:有50个自由度的复杂的
19、控制系统更高的感知要求:更高的感知要求:感知判读、语言感知、理解语境等主要使用控制电机主要使用控制电机主要使用动力电机主要使用动力电机只有两个驱动单元只有两个驱动单元拥有拥有2828个执行器个执行器请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明11图:Optimus“自己造自己”1.1.21.1.2、特斯拉有望突破行业瓶颈的特有优势:产品协同、特斯拉有望突破行业瓶颈的特有优势:产品协同 人形机器人在特斯拉体系内有大量应用场景人形机器人在特斯拉体系内有大量应用场景,可支撑其早期商业化落地规模应用可支撑其早期商业化落地规模应用。Optimus具有24小时高效、精准工作的优势,可在特斯拉超级工厂中大量替代
20、人类岗位,代替工人做一些危险、无聊、重复的工作,提高安全性和生产效率。在Optimus成本下降至预期目标后,将其应用于汽车生产中可以有效降低人力成本、提高利润,还可以在SpaceX火箭发射测试发挥重要作用。此类内部需求将支撑Optimus在商业落地的早期得到大量应用。资料来源:2022年Tesla AI Day,2023年Tesla投资者日,新浪直播,第一财经,国海证券研究所图:Optimus在工厂中应用请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明121.21.2、特斯拉为人形机器人带来大规模商业化曙光、特斯拉为人形机器人带来大规模商业化曙光 人类对人形机器人的探索已超百年人类对人形机器人的探索已
21、超百年,但仍无法大规模商业化应用但仍无法大规模商业化应用。早在1893年乔治摩尔就设计能行走的蒸汽动力机器人。1973年日本早稻田大学加藤一郎带领团队创造出世界上第一台人形智能机器人WABOTWABOT-1 1。该机器人集成了肢体控制系统、视觉系统和对话系统,胸部配备了摄像头,手部带有触觉传感器。2000年发布的本田ASIMO(2000年发布)和2014年发布的美国波士顿动力公司发布初代Atlas机器人均获得广泛关注。特斯拉有望凭借低成本优势成为首款规模化应用的人形机器人特斯拉有望凭借低成本优势成为首款规模化应用的人形机器人。近年来美日等国不断推进民用人形机器人研究,重视使用AI等新技术提高人
22、形机器人的智能化和自主化智能化和自主化水平,已推出多款服务型人形机器人,适用于医疗、教育、物流、仓储、工业等领域,但均成本高昂但均成本高昂,无法大规模商业化应用无法大规模商业化应用。本田开发出双足机器人“E0”加藤一郎研发出第一台人型智能机器人“WABOT-1”日本研发出自己的第一台机器人 “Gakutensoku”36加拿大人乔治设计了以蒸汽为动力的能行走的机器人美国西屋电器工程师温斯利制作并展示Televox机器人71927日本本田公司等发布全新机器人系列“HRP”Atlas进行了第三次优化,能独立搬运东西、保持身体平衡我国
23、独立研发第一台人形机器人先行者02000200020002012013 320162016日本丰田公司推出第四代家务机器人“巴士男孩”美国特斯拉公司推出“擎天柱”人形机器人2021 1作为日本本田公司P系列最后一台机器人ASIMIO诞生了美国波士顿动力公司初代Atlas机器人正式发布资料来源:源码资本,ofweek,澎湃新闻全球智库,波士顿动力官网,国外人形机器人发展及军事应用分析王桂芝,中国先进制造技术论坛网易号,日本产业技术综合研究所,国海证券研究所图:人形机器人历史演进请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明131.21.2、电气驱动最适合人形
24、机器人应用场景、电气驱动最适合人形机器人应用场景 驱动技术是各类人形机器人之间的重要区别之一。电气驱动方式具有控制精度高电气驱动方式具有控制精度高、结构节性能好结构节性能好、噪音低噪音低、效率高效率高等优点等优点,更适合通用型人形机器人更适合通用型人形机器人。表:国内外人形机器人领域的关键技术成果资料来源:国外人形机器人发展及军事应用分析王桂芝,机器人与智能系统陈继文,国海证券研究所驱动方式液压驱动气压驱动电气驱动输出功率很大,压力范围为0.51.4MPa大,压力范围为0.480.6MPa,最大可达1MPa较大控制性能控制精度较高输出功率大可无级调速反应灵敏可实现连续轨迹控割精度低阻尼效果差低
25、速不易控制难以实现高速、高精度的连续轨迹控制控制精度高、功率较大能精确定位、反应灵敏可实现高速、高精度连续轨迹控制伺服特性好,控制系统复杂响应速度很高较高很高结构性能及体积功率与质量比大,体积小,结构紧凑,密封问题较大功率与质量比大,体积小,结构紧凑,密封问题较小,工作有噪音结构性能好,噪声低结构紧凑,无密封问题常见应用范围适用于重载、低速驱动,电液伺服系统适用于喷涂机器人、点焊机器人和托运机器人适用于中小型负载驱动、精度要求较低,有限点位程序控制的机器人适用于中小负载、要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的机器人效率与成本效率中等(0.30.6),液压元件成本较高效率低(0.1
26、50.2),气源方便,结构简单,成本低效率较高(0.5左右),成本高维修及使用方便,但油液对环境温度有一定要求方便较复杂表:人形机器人驱动方式关节设计多自由度关节设计。从单自由度串/并联结构发展到多自由度混联结构,并正致力于研究更多自由度的仿生结构动力驱动人形机器人目前主要是电池+电机+减速器驱动,动力驱动装置向着低成本、高性能方向发展感知多传感器信息融合设计,集成了光电/红外、雷达、声音、位置和力传感器,以实现类人视觉、听觉和触觉功能。同时,还进行了电子皮肤的研究,提高了人形机器人的敏感感知和精细操作能力。控制利用AI提高人形机器人的智能自主控制水平请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明1
27、41.2.11.2.1、波士顿动力:领先的技术先锋、波士顿动力:领先的技术先锋 波士顿动力致力波士顿动力致力于于研发敏捷灵巧且更接近人类的智能机器人研发敏捷灵巧且更接近人类的智能机器人。1992年,Marc Raibert在美国创立波士顿动力;2005年,在美国军方资助下,波士顿动力开发了一系列机器人原型。波士顿动力旗下产品线包括Spot四足机器人、Atlas双足机器人、用于仓库搬货的Handle两轮机器人,以及4轮机器人SandFlea等。型号图片特点尺寸重量速度传感器驱动自由度计算机软件动力有效载荷BIGDOG(2004)能够在复杂地形上行走的四足机器人宽:30 cm高:125cm长:10
28、0cm113.4kg11.26 km/h腿部:位置和力传感器机身:陀螺仪、激光雷达和立体视觉系统液压系统:压力和温度传感器16个定制液压执行器20带有Pentium 4级CPU的PC/104主板带有自定义c+代码的QNX实时操作系统,用于控制、传感、数据收集和通信。15马力内燃机驱动的液压泵150kgRHEX(2007)仿生的六足机器人,专为崎岖地形运动而设计。坚固耐用、防尘防水、模块化设计宽:39cm高:20cm长:57cm12.5 kg 9.72 km/h相机、陀螺仪、加速度计和其他传感器。电机:位置、电流和温度传感器6台直流马达6基于intel的主机;有效载荷计算机(可选)。Linux操
29、作系统。控制软件可以用C、Python或Matlab编程。两块144 wh锂聚合物电池,可使用6小时-LS3(2010)四足机器人,旨在帮助士兵在崎岖的地形上携带沉重的装备宽:90cm高:190cm长:200cm362.9 kg-腿部:位置/力传感器。机身:陀螺仪和立体视觉系统液压系统:压力和温度传感器液压12定制PC-内燃机181kgHANDLE(2017)轮式机器人,专为物料搬运应用而设计,并具有能搬重物的机械臂。高:200cm150 kg-深度照相机电动马达10-自定义操作系统和控制车载电池有效载荷:15kg。最大到达距离:2.8米。图:波士顿动力的机器人举例资料来源:波士顿动力公司官网
30、,OFweek机器人网,ROBOTS,国海证券研究所请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明151.2.11.2.1、波士顿动力:机器人领域的商业化探索与前沿创新、波士顿动力:机器人领域的商业化探索与前沿创新 波士顿动力已商业化两款机器人波士顿动力已商业化两款机器人-SpotSpot和和StretchStretch。波士顿动力的控制权在2013年、2017年和2020年历经多次转移,先后被Google、软银和现代汽车收购。归属现代汽车后,波士顿动力的商业化进程正式起步。2020年中,波士顿动力首款商用机器狗Spot正式面向公众开售,零售价7.5万美元。2021年,波士顿动力发布新型移动机器人S
31、tretch,旨在推动物流、仓储自动化。AtlasAtlas机器人采用液压驱动机器人采用液压驱动,敏捷灵活敏捷灵活、机动性强机动性强,但仍未商业化落地但仍未商业化落地。Atlas的感知算法可将传感器中的数据转换为对决策的制定和形体动作的规划,使其能够凭借灵敏感知判断自己在环境中的位置,并完成通过独木桥、高难度跑酷等行为。但Atlas在科研和机械零部件等方面的成本居高不下,至今未商业化落地,其前沿开发技术有望反哺公司其他系列机器人落地应用。图:波士顿动力:机器狗spot(左)、Stretch(中)、Atlas(右)仪表读数搜索和警报检测探测资料来源:波士顿动力官网,New York Times,
32、软银官网,路透社,ROBOTS,机器之心公众号,国海证券研究所请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明161.2.21.2.2、软银、软银NAO:NAO:已商业化落地的小型教育人形机器人已商业化落地的小型教育人形机器人 软银机器人软银机器人(SoftBankSoftBank RoboticsRobotics)推出的推出的NAONAO是为数不多的已商业化落地的人形机器人项目是为数不多的已商业化落地的人形机器人项目。NAO是一个应用于全球教育市场的双足人形机器人,它提供了一个独立、可编程、功能强大且易用的操作应用环境。58cm高的NAO拥有流畅的肢体语言,具备听、看、说能力,能够实现与人或者其他N
33、AO之间的互动。NAONAO主要应用于教育领域主要应用于教育领域,覆盖编程教学覆盖编程教学、科研研究科研研究、特殊教育特殊教育、竞技比赛竞技比赛、表演活动等场景表演活动等场景。NAO作为编程教育平台可支持C+、Python、Java等编程语言;可应用于儿童自闭症特殊教育;可用作机器人竞赛标准平台;可实现唱歌、跳舞、会话等表演活动。尺寸尺寸:宽31.1cm、高58cm、长27.5cm重量重量:5.5kg速度速度:0.3km/h传感器传感器:两个500万像素的OmniVision摄像头,带有三轴加速度计和两个陀螺仪的惯性单元,声呐,四个全向麦克风,两个红外传感器,九个触觉传感器和八个压力传感器。驱
34、动驱动:25个Portescap有刷直流空心杯电机自由度自由度:25(头:2 DoF;手臂:5 DoFx2;骨盆:1 DoF;腿:5 DoFx2;手:1 DoFx2)材料材料:聚碳酸酯-ABS塑料、聚酰胺和碳纤维增强热塑性塑料颜色颜色:深灰色计算计算:英特尔Atom1.91GHz四核CPU、4GB内存、32GB固态硬盘、蓝牙、Wi-Fi和以太网。软件软件:Linux操作系统和choregraph套装软件,用于编程和可视化动力动力:27.6Wh锂离子电池,可运行90分钟成本成本:7,000图:软银NAO资料来源:NAO机器人Robotics,软银机器人官网,ROBOTS,国海证券研究所请务必阅读
35、报告附注中的风险提示和免责声明171.2.31.2.3、优必选:国内领先的服务型人形机器人企业、优必选:国内领先的服务型人形机器人企业 优必选是中国人形机器人及智能服优必选是中国人形机器人及智能服务机器人解决方案的头部企业务机器人解决方案的头部企业。公司成立于2012年,在人形机器人技术方面布局有高性能伺服驱动器、机械传动、运动规划与控制、计算机 视觉 与 感 知、智能 语 音 交 互、SLAM与导航、人机交互和手眼协调等核心技术,并推出了机器人操作系统应用框架ROSA。优必选现有机器人产品可分为企业企业级级(教育机器人、物流机器人等)和消费级消费级两类,其中教育机器人是其业务重点。图:优必选
36、的核心技术悟空悟空Walker XWalker XCruzrCruzrJimuJimu资料来源:优必选官网,优必选招股说明书,优必选研究院官网,国海证券研究所请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明181.2.31.2.3、优必选:双足行走机器人领域国内领先、优必选:双足行走机器人领域国内领先 优必选最新一代人形服务机器人Walker X已具备了比上一代Walker更优的环境感知环境感知、运动性能运动性能和情感交互:情感交互:搭载搭载4141个高性能伺服关节构成的灵巧四肢个高性能伺服关节构成的灵巧四肢,能实现平稳快速的行走平稳快速的行走和精准安全的交互精准安全的交互;具备多维力觉具备多维力觉、
37、多目立体视觉多目立体视觉、全向听觉和惯性全向听觉和惯性、测距等全方位的感知系统测距等全方位的感知系统;升级视觉定位导航和手眼协调操作技术,自主运动及决策能力自主运动及决策能力大幅提高;内置的原生内置的原生2828+机器人情绪体系机器人情绪体系,可以进行主动式交互,与用户建立共情;采用模块化设计模块化设计,头部、手掌、电池都可以快速拆卸和组装,降低使用和维护成本。2016Walker原型机2018Walker第一代2019Walker第二代复杂地形自适应平稳快速行走动态足腿控制自平衡抗干扰手眼协调操作精准灵活服务柔顺物理交互人机互动安全U-SLAM视觉导航自主路径规划环境和人体感知理解数字世界多
38、模态情感交互仿人共情表达AloT物联网中枢智能家居控制Walker X展示出仿人服务机器人仿人服务机器人在家庭场景家庭场景应用的潜力。Walker X现已具备上下楼梯、操控家电、按摩、端茶倒水等功能,满足人类情感、教育、陪伴等需求。资料来源:优必选研究院官网,动点科技,优必选招股书,知乎优必选科技官方号,读创,国海证券研究所图:优必选的人形机器人历次迭代2021Walker X请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明191.2.41.2.4、小米发布人形机器人、小米发布人形机器人CyberOneCyberOne:开启智能机器人新纪元:开启智能机器人新纪元 小 米 于小 米 于 20222022
39、 年年 8 8 月 公 布 首 款 全 尺 寸 人 形 机 器 人月 公 布 首 款 全 尺 寸 人 形 机 器 人CyberOneCyberOne(铁大铁大)。铁大身高177cm,体重52kg,臂展168cm。感知:感知:配备MiMi SenseSense视觉空间系统视觉空间系统,可三维重建真实世界,完成避障和行动;运动:运动:搭载小米自研全身控制算法小米自研全身控制算法,支持2121个自个自由度由度动作,并能实现各自由度0.5毫秒级别的实时响。电机性能强,四肢灵活,髋关节主要电机的动力扭矩峰值可达300Nm,峰值扭矩密度96Nm/kg。交互:交互:能分辨85种环境语义,感知45种人类语义情
40、绪,实现人物身份、手势和表情的识别;CyberOneCyberOne仅为仅为“验证机验证机”,小米现在处于人形机器小米现在处于人形机器人的起步阶段人的起步阶段。人形机器人技术集成度较高、开发难度大,目前小米人形机器人的成本每台大概六七十万元,尚无法实现量产。小米看好智能机器人在生活、工作中的应用,将持续在该领域进行突破。图:CyberOne技术细节资料来源:央广网,小米官网,集微网,猎云网,国海证券研究所请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明201.31.3、AIAI技术赋能开启人形机器人新纪元技术赋能开启人形机器人新纪元 人工智能技术的进步改善了人形机器人在感知与分析人工智能技术的进步改善
41、了人形机器人在感知与分析、运动规划与控制运动规划与控制、人机交互人机交互、精准导航等方面的能力精准导航等方面的能力,将将机器人从被动互动转变为主动与人互动机器人从被动互动转变为主动与人互动。语音交互和计算机视觉技术使人形机器人能够识别及确认人类和周围的物体,并与人类进行对话;机器学习能帮助机器人完成推理预测任务、增强运动的自主性;AI处理器芯片可以支持深度人形机器人神经网络的学习和加速计算;深度学习、强化学习、智能语音、知识图谱等多种AI融合技术助力机器人精准导航与执行控制。Artificial IntelligenceArtificial Intelligence人脸识别搜索引擎机器翻译智能
42、推荐语音助手聊天机器人自动驾驶Siri图:AI的典型应用领域图:AI为机器人赋能感知和感知能力感知和感知能力自主决策和学习能力自主决策和学习能力人机交互和自然语言处理人机交互和自然语言处理自动化和智能化生产自动化和智能化生产通过计算机视觉、语音识别等AI技术,机器人能够感知周围的物体、声音和环境,并做出相应反应。机器人可以利用机器学习、深度学习和强化学习等AI技术,从经验中学习和改进自己的行为,逐步提高执行任务的能力。机器人可以理解和解释人类的语言指令,回答问题和提供服务。这种人机交互使机器人在许多领域发挥重要作用。AI技术在制造业和工业领域中的应用,使得机器人能够自动执行复杂的生产任务。资料
43、来源:工博士,科技快报网,钛媒体,慧博资讯,科创板日报,荣隆科技,智成企业研究院,新华网,人工智能学家,百度AI开放平台,国海证券研究所请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明211.31.3、人工智能将以具身智能为方向高速发展、人工智能将以具身智能为方向高速发展 人工智能经历三次技术浪潮人工智能经历三次技术浪潮,当前正向当前正向具身智能具身智能(E Embodiedmbodied AIAI)发展演进发展演进。英伟达总裁黄仁勋表示,人工智能的下一个浪潮将驶向具身智能,即智能体通过与环境产生交互,通过自身的学习通过自身的学习,产生对于客观世界的理解和改造能力。在技术突破和政策支持的双重推动下,人
44、工智能驶往具身智能的进程不断加快进程不断加快。技术方面:技术方面:ChatGPT的诞生,英伟达研发出多模态具身智能系统多模态具身智能系统NvidiaNvidia VIMAVIMA、谷歌联合柏林工业大学团队发布多模态具身视觉语言模型多模态具身视觉语言模型PaLMPaLM-E E、上交大提出PIEPIE具身智能方案具身智能方案等,都加速推动着具身智能的落地;政策方面:政策方面:多国表现出对具身智能的重视与支持,如中国发布北京市促进通用人工智能创新发展的若干措施(2023-2025年)(征求意见稿),美国国家科学基金会与利益相关方投资1.4亿美元建立七个新的国家人工智能研究所等。资料来源:财联社,湖
45、南日报,科学快报,机器之心,国海证券研究所图:人工智能至具身智能的演变人人工工智智能能第三次第三次AIAI浪潮浪潮深度学习深度学习多层神经网络多层神经网络辨别声音及影像、辨别声音及影像、针对问题做判断针对问题做判断联接主义联接主义人工神经网络人工神经网络Apple SiriApple Siri、Bing Bing 影像搜寻影像搜寻无法主动学习、无法主动学习、与环境交互与环境交互核心核心功能功能产品产品缺点缺点类别类别第一次第一次AIAI浪潮浪潮逻辑主义逻辑主义证明和推理证明和推理联接主义联接主义人工神经网络人工神经网络ElizaEliza、PrologProlog无法解决实用问无法解决实用问题
46、题第二次第二次AIAI浪潮浪潮联接主义联接主义人工神经网络人工神经网络识别识别联接主义联接主义人工神经网络人工神经网络BPBP前馈神经网前馈神经网络络无法解决复杂实无法解决复杂实用问题用问题具具身身智智能能主动学习、主动感知主动学习、主动感知机械身体执行物理任务机械身体执行物理任务与环境交互与环境交互1950 1950 6 1976 200620062006 2006 2022202220222022至未来至未来请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明220202人形机器人代替人类:人形机器人代替人类:科技进步与社会发展大势所趋科技进步与社会发展大势所趋 2.12.1 具
47、身智能机器人或成为第四次科技革命的核心领域具身智能机器人或成为第四次科技革命的核心领域 2.22.2 人形机器人破解劳动力不足难题,替代劳动符合人类天性人形机器人破解劳动力不足难题,替代劳动符合人类天性 2.32.3 人形机器人开启新一轮国际竞争,我国产业链优势凸显人形机器人开启新一轮国际竞争,我国产业链优势凸显请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明23资料来源:德勤,World Bank,Our World In Data,钛媒体,求是网,历史2人民教育出版社,国海证券研究所2.12.1、科技趋势:、科技趋势:具身智能机器人或成为第四次科技革命核心领域具身智能机器人或成为第四次科技革命核心
48、领域“具身智能具身智能+机器人机器人”有望大幅解放生产力有望大幅解放生产力,成为第四次科技革命的核心领域成为第四次科技革命的核心领域。历史上三次工业、科技革命发生的根本原因是生产力无法满足社会发展需求,蒸汽机、电力、信息技术等突破性技术的出现,大幅提高了社会生产力,对世界经济的发展具有深远影响。当前,全球经济增长乏力,上一轮科技突破的红利接近尾声,亟需新一轮科技革命的出现。而具身智能机器人以AIAI、机器人领域技术不断突破机器人领域技术不断突破为前提,并凭借“机器代人机器代人”、产业链长产业链长的特点,具有广阔的发展空间。蒸汽机蒸汽机电力电力信息技术信息技术人工智能人工智能第一次工业革命第一次
49、工业革命第二次工业革命第二次工业革命第三次科技革命第三次科技革命第四次科技革命第四次科技革命图:工业革命概况及对全球GDP影响19501950年年1.391.39万亿万亿20222022年年101101万亿万亿GDP增长近2 2倍GDP增长近4 4倍GDP增长超7070倍背景背景:社会背景:手工业生产生产无法满足市场需求无法满足市场需求 技术前提:瓦特改良蒸汽机影响影响:解放第一产业生产力,推动第二产业发展背景背景:社会背景:资本主义市场初步形成使商品需求大幅增加,机器生产不生产不能满足社会需求能满足社会需求技术前提:电力和内燃机广泛应用影响影响:加速解放生产力加速解放生产力推动第三产业的萌芽
50、和发展背景背景:社会背景:机器大工业的深入发展要求更先进要求更先进的动力、交通、通讯手段国家国家成为科技事业的组织者和推动者技术前提:原子能、电子计算机等领域取得重大突破影响影响:社会生产力空前发展生产力空前发展当前时代背景当前时代背景:社会背景:全球严重的老龄化趋势限制了社会生产力限制了社会生产力发展多国多国出台政策支持“机器人机器人+AI+AI”的发展技术前提:人工智能、机器人、新能源等领域高速发展高速发展Cromford MillsCromford MillsHarland&WolffHarland&Wolff请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明242.22.2、社会趋势:人口老龄化
51、与劳动力不足为人形机器人创造机遇、社会趋势:人口老龄化与劳动力不足为人形机器人创造机遇 社会老龄化趋势加剧社会老龄化趋势加剧,为人形机器人提供机遇为人形机器人提供机遇。随着经济和社会的进步,人口预期寿命进一步延长,生育率大幅下降,全球老年人口占比持续上升。WTO预计,2030/2050年全球老年人口将增至14/21亿人,老龄化成为全球社会的共同特征。人口老龄化将加剧劳动力供给紧张,企业用工成本不断提升。因此,许多行业尝试利用机器人应对劳动力短缺和劳动力成本增加带来的挑战。老龄化带来的陪伴和康养需求老龄化带来的陪伴和康养需求,为人形机器人带来新的落地场景为人形机器人带来新的落地场景。根据国务院发
52、展研究中心公管所课题组测算,预计“十四五”时期,我国老年人口将超过3亿人,其中80岁及以上的老人比重持续上升,养老护理人员缺口将进一步加大。人形机器人在养老护理、医疗健康方面迎来广阔市场需求。0%5%10%15%20%25%30%2000021中国美国日本欧盟英国德国全球图:2012-2021年全球重点国家65岁以上人口比例图:2013-2022年中国就业人员平均工资趋势(万元)资料来源:国家统计局,世界卫生组织,wind,国海证券研究所3579420002120
53、22中国就业人员平均工资制造业采矿业建筑业教育批发和零售业商业和服务业请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明25图:商业服务领域痛点需求、服务领域以及人形机器人的智能应用资料来源:洞见研报,中国电子报公众号,艾瑞咨询,国海证券研究所场景痛点场景痛点人员流动性强人员流动性强商业性服务工作重复性重复性高,高,工作内容单一,人员人员流动性大,人员管理混乱流动性大,人员管理混乱人员素质参差不齐,人员素质参差不齐,需定期培训,培训成本较高培训成本较高服务效率低下服务效率低下大范围的清洁、消毒类工作,相同时间内,人工人工效率低效率低送餐、引导类工作在人流高峰时易出现服务人手服务人手不足不足的情况服务质量
54、不佳服务质量不佳人工服务难以保证服务难以保证服务质量统一化质量统一化,在连锁酒店等严格场景下,易影响顾易影响顾客体验客体验人工执行清洁、消毒类工作难以对其进行监督难以对其进行监督外生因素影响外生因素影响后疫情时代,商业服务类场景倾向无接触服务倾向无接触服务消费升级消费升级宏观背景下对人形机器人落地应用提出要求服务领域服务领域餐饮餐饮酒店酒店交通枢纽交通枢纽写字楼写字楼商超商超银行银行展览场所展览场所医院医院人形机器人智能应用人形机器人智能应用实时提供清洁、消杀数据,为数字化管理运营提为数字化管理运营提供底层支持供底层支持云端大脑通过人工增强、通过人工增强、多模态融合多模态融合AIAI和数字孪生
55、和数字孪生等先进技术,实现自我学自我学习习人工成本降低人工成本降低服务效率提升服务效率提升大量承担人工跑腿配送等重复性工作,提高效率依据地面状态、人流密度、任务紧急情况,云端云端调度安排机器人运行部署调度安排机器人运行部署服务质量提高服务质量提高严格执行服务程序并叠加语音识别技术与用户灵活互动,增强顾客体验度增强顾客体验度PC/手机端实时监控,实时监控,数据及时上传存储,便于后台分析调用,实现系统管实现系统管理理服务效率提升服务效率提升安全无接触,保护用户保护用户隐私隐私国内外厂商争相布局人形机器人产业,人形机器人形机器人赛道火热人赛道火热2.22.2、社会趋势:替代人力解放劳动符合人类进化本
56、性、社会趋势:替代人力解放劳动符合人类进化本性 人形机器人落地应用场景广泛人形机器人落地应用场景广泛,可替代人类从事危险可替代人类从事危险、枯燥重复的劳动枯燥重复的劳动。依托人工增强、多模态融合AI和数字孪生等先进技术,未来的机器人能够实现自我学习机器人能够实现自我学习,在自主导航、智能作业、人机交互等维度展现的功能可覆盖商用服务场景的基本诉求,落地应用场景广泛落地应用场景广泛,可将人类从非创造性的体力劳动中解放出来可将人类从非创造性的体力劳动中解放出来。请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明262.32.3、机器人与战略性新兴产业重合度高,助力构建国家竞争力、机器人与战略性新兴产业重合度高
57、,助力构建国家竞争力 机器人在加快技术创新加快技术创新、促进产业升级促进产业升级、锻造国家竞争优势锻造国家竞争优势等方面发挥越来越重要的作用,机器人产业发展是衡量是衡量一国技术创新竞争力的重要指标一国技术创新竞争力的重要指标,积极发展机器人产业已成为许多发达经济体及新兴经济体的国家战略成为许多发达经济体及新兴经济体的国家战略。国家机器人产业相关政策中国2023年1月,工信部等十七部门联合发布“机器人+”应用行动实施方案,强调落实“十四五”机器人产业发展规划重点任务,加快推进机器人应用拓展。美国美国国家机器人计划NRI-3.0 计划于2021年2月宣布,寻求对集成机器人系统的研究。美国政府在20
58、21年向NRI-3.0基金提供了1400万美元的支持,鼓励学术界、工业界、非营利组织和其他组织之间的合作,以在基础科学、工程和技术开发和使用之间建立更好的联系。德国德国的高科技战略2025(HTS)是德国研发和创新计划的第四版。到2026年,德国政府每年将投入约6900万美元的资金五年的总预算为3.45亿美元。其研究课题主要是数字辅助系统,例如数据眼镜、人机协作、支持员工进行体力工作的外骨骼等。欧盟Horizon Europe是欧盟的重点研究和创新框架计划,预算达943亿美元,为期七年(2021 年至 2027 年)。欧盟委员会为2021-2022年机器人相关工作计划提供了总计1.985亿美元
59、的资金。日本日本的“新机器人战略”旨在使日本成为世界第一的机器人创新中心。日本政府在2022年提供了超过9.3亿美元的支持。重点领域是制造业、护理和医疗、基础设施和农业。从2020年到2025年的5年期间,“登月研究与发展计划”中机器人相关项目的预算为4.4亿美元。韩国韩国第三次智能机器人基本计划正在推动将机器人技术发展为第四次工业革命的核心产业。韩国政府为“智能机器人2022年实施计划”拨款1.722亿美元。中国中国:Walker系列(优必选)、ART Robot(北京钢铁侠科技)日本日本:ASIMO(本田)、HRP(Kawada Industries等)韩国韩国:HUBO(韩国高等科学技术
60、研究所的智能机器人实验室)美国美国:Atlas(波士顿动力)、digit(Agility Robotics)、optimus(特斯拉)欧盟欧盟:ICUB(意大利 IIT)德国德国:TORO(德国宇航中心)英国英国:RobotHespian(阿泰因机器人公司)图:全球知名人形机器人研发地区分布资料来源:人民网,中国政府网,OFweek机器人网,中国机器人网,IEEE,国海证券研究所表:全球机器人产业相关政策梳理请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明27各地机器人政策各地机器人政策2.3.12.3.1、国家推动:国内利好政策推动人形机器人产业发展、国家推动:国内利好政策推动人形机器人产业发展 我
61、国对机器人产业高度重视我国对机器人产业高度重视,并颁布一系列政策以推动产业发展并颁布一系列政策以推动产业发展,如2023年1月由工信部等发布的“机器人+”应用行动实施方案等。中国机器人行业的市场参与者将逐渐形成聚集及协同效应。北京北京:2023年6月,北京市机器人产业创新发展行动方案(20232025年)公布,对人形机器人等细分产业人形机器人等细分产业的发展制定了目标和行动细则。上海上海:2023年3月,经信委等8部门印发文件,规划在上海打造10家行业一流的机器人头部品机器人头部品牌牌、100个标杆示范的机器人应用场景机器人应用场景、1000亿元机器人关联产业规模。机器人关联产业规模。深圳深圳
62、:2023年5月,发布相关行动方案,加快组建广东省人形机器人创新中心人形机器人创新中心,支持创新产品研发,并强调发挥粤港澳大湾区制造业优势,开展人形机器人规模化应用人形机器人规模化应用。2000021“十三五”规划“十三五”规划“智能机器人”申报指南智能机器人”申报指南国家机器人标准体系建设指南国家机器人标准体系建设指南十四五机器人产业发展规划十四五机器人产业发展规划20232023机器人机器人被列为推动制造业转推动制造业转型升级高水平发展型升级高水平发展的重点领域之一提出大力发展工业机器人、服务机器人、手术机器人和军用机器人围
63、绕智能机器人基础前沿技术、新一代机器人、关键共性技术、工业机器人、服务机器人、特种机器人6个方向,启动42个项目,经费约6亿元建立起较为完善的机器人标准完善的机器人标准体系体系,累计修订约100项机器人国家和行业标准,基本实现基础标准检测评定方法标准提出要突破突破先进控制器、高精度伺服驱动系统、高性能减速器等智能机智能机器人关键技术器人关键技术目标为:到 2025 年,制造业机器人密度较 2020 年实现翻番,服务机器人、特种机器人行业应用深度和广度显著提升,机器人显著促进经济社会高质量发展制造业农业建筑商贸物流能源医疗健康养老服务商业社区教育安全应急和极端应用资料来源:中国政府网,国务院新闻
64、办公室,智研咨询,国家标准委,国家发展改革委,国务院,wind,人民日报,优必选科技公众号,北京市人民政府,财联社,界面新闻,国海证券研究所中国制造中国制造20252025”机器人机器人+”+”应用行动实施方案应用行动实施方案图:“机器人+”应用行动实施方案十大重点聚焦领域图:我国部分地区机器人相关政策举例请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明282.3.22.3.2、人形机器人属高端制造业,上下游产业链规模庞大、人形机器人属高端制造业,上下游产业链规模庞大 人形机器人产业链可以分为上游零部件及软件系统人形机器人产业链可以分为上游零部件及软件系统、中游本体及集成和下游终端应用中游本体及集成和
65、下游终端应用。上游零部件和软件系统包括传感器、伺服系统、控制系统等;中游是本体集成设计组装;下游是终端应用市场,包括医疗、教育、救灾救援等不同场景的多个领域。据艾瑞智数据艾瑞智数,在工业机器人中在工业机器人中,控制器控制器、伺服和减速器等主要零部件约占硬件成本的伺服和减速器等主要零部件约占硬件成本的7070%-8585%。人形机器人上游核心部件外,增加了体现算力水平的专用芯片。随着机器人感知、决策、控制、交互能力升级,软件系统与配套技术支持在产业链中占比加大。但控制器、伺服和减速器等关键零部件仍是重点成本环节。图:工业机器人关键零部件及市场特征图:人形机器人产业链概览伺服系统:伺服系统:电机电
66、机驱动器减速机控制系统:控制系统:主控制器嵌入式软件IO接入版视觉类传感器:光电类力学器传感器:传感器:视觉类光学类力学器能源动力:能源动力:电池充电装置原材料:原材料:金属材料塑料材料软件算法:软件算法:运动控制机器视觉语义识别人人形形机机器器人人本本体体服务型服务型工业型工业型家用型家用型娱乐型娱乐型研究型研究型清洁清洁娱乐娱乐终终端端应应用用工业工业巡检巡检教育教育医疗医疗控制器市场特征1.本体厂商纷纷自主研发,但大部分还是需要购买第三方产品2.国内厂商控制中,控制器占机器人成本比重约20%-25%,相对易拉开成本差距主要难点行业封闭性强,生产实践数据积累少,模型算法需要修正伺服市场特征
67、1.高端市场依赖进口,中低端市场可自主覆盖2.国内广商市,伺服占机器人成本比重约25%-30%主要难点高端驱动器、编码器需进口减速器市场特征1.市场集中度极高,高端市场为减国外品牌绝对垄断2.议价能力强,供货周期长,国内一般4-6个月3.国内厂商中,减速器占机器人成本的比重约25%-30%主要难点基础材料与生产工艺水平,逆向工程已经不适用中游本体和集成商中游本体和集成商下游终端应用下游终端应用上游零部件及软件系统上游零部件及软件系统资料来源:艾瑞智数,高工机器人公众号,国海证券研究所请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明292.3.32.3.3、人形机器人全球市场百亿空间指日可待、人形机器人
68、全球市场百亿空间指日可待 人形机器人作为通用型机器人,可以在多种应用场景下替代传统工业、服务以及特种机器人,拥有广阔的市场空间。PrecedencePrecedence ResearchResearch预计预计,20222022年全球人形机器人市场规模约为年全球人形机器人市场规模约为1616.2 2亿美元亿美元,20322032年年,将达到将达到286286.6 6亿美亿美元元,1010年复合增长率达年复合增长率达3333.2828%。资料来源:Precedence Research,国海证券研究所16.221.628.838.451.168.190.8121161.3215286.632.9
69、0%32.95%33.00%33.05%33.10%33.15%33.20%33.25%33.30%33.35%33.40%050030035020222023E2024E2025E2026E2027E2028E2029E2030E2031E2032E市场规模(亿美元)年增长率图:2022-2032年人形机器人全球市场预测请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明30图:Optimus现阶段关节主要硬件成本测算资料来源:鸣志电器官网,爱采购,京东,国海证券研究所零部件图示数量参考单价(元)单机价值量(元)比例零部件图示数量单个参考价(元)单机价值量(元)比例零部件图示数量单
70、个参考价(元)单机价值量(元)比例线性执行器1439690062.82%旋转执行器1420440032.35%灵巧手2305404.83%无框电机6.65%无框电机6.65%空心杯电机3.80%力矩传感器5.54%谐波减速器6.65%行星减速箱1250060000.95%位置传感器(编码器)6.09%力矩传感器5.54%蜗轮蜗杆12455400.09%反转式行星滚柱丝杠0044.32%位置传感器(编码器)28275077
71、00012.19%四点接触球轴承1410014000.22%交叉滚柱轴承1440056000.89%角接触球轴承2810028000.44%总计:6304400305402.3.32.3.3、人形机器人、人形机器人降本压力下国内供应商切入机会大增降本压力下国内供应商切入机会大增 高昂的零部件成本是目前阻碍人形机器人大规模商用落地的主要原因之一高昂的零部件成本是目前阻碍人形机器人大规模商用落地的主要原因之一。在特斯拉机器人2万美元的目标下,硬件成本下降空间较大,国内厂商或迎来重要机遇。我们预计我们预计,现阶段关节硬件成本约为现阶段关节硬件成本约为6363万元万元。而要将总成
72、本控而要将总成本控制在制在2 2万美元万美元(1515-2020万元万元)以内以内,仅关节硬件部分仅关节硬件部分需要降本需要降本7070%以上以上。我国硬件供应商凭借响应速度快、性价比高、供应链全等优势,正迎来重要发展机遇。注:价格信息采集于2023年7月请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明310303关节执行器国产替代大有可为关节执行器国产替代大有可为 3.13.1 特斯拉机器人两大类六规格执行器各司其职特斯拉机器人两大类六规格执行器各司其职 3.23.2 旋转执行器:核心是伺服系统旋转执行器:核心是伺服系统+精密减速器精密减速器 3.33.3 线性执行器和灵巧手:重点关注行星滚柱丝杠与
73、空心杯电机线性执行器和灵巧手:重点关注行星滚柱丝杠与空心杯电机请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明323.13.1、大脑和关节执行器是、大脑和关节执行器是TeslaTesla BotBot的核心构成的核心构成 TeslaTesla BotBot的主体在硬件上可分为大脑和躯干执行两大部分的主体在硬件上可分为大脑和躯干执行两大部分,采用电池组采用电池组+电机驱动电机驱动+刚性金属传动刚性金属传动+串并联关节串并联关节分布分布+视视/力力/位传感器的设计方案位传感器的设计方案。负责感知和控制的大脑复用了特斯拉汽车上FSD的芯片和算法,是特斯拉相对于其他人形机器人公司的一大优势。躯干部分主要构成是
74、集成电控的52V 2.3kWh电池包系统电池包系统、28个执行器执行器组成的主要关节,以及一双11自由度的灵巧手灵巧手。32蓝色部分橙色部分图:Tesla Bot 主要构成部件机器人大脑28个执行器11自由度灵巧手电池包图:2023WAIC特斯拉机器人样机展示资料来源:2022特斯拉AI Day,新浪直播,2023WAIC,高工机器人,国海证券研究所请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明333.1.13.1.1、大脑:复用、大脑:复用FSDFSD让机器人“自动驾驶”让机器人“自动驾驶”共用汽车共用汽车FSDFSD系统系统,降低开发成本的同时降低开发成本的同时,也能够更快具备环境识别的记忆能力
75、也能够更快具备环境识别的记忆能力。Tesla机器人大脑采用了自家汽车FSD系统同款SOC芯片,并复用其视觉识别算法,采用全视觉方式识别物体边界,并借助特斯拉FSD超级计算平台对特斯拉机器人进行肢体训练,大幅降低开发成本。自主行走:自主行走:依据感知的环境可规划出期望路径,并计算出脚步落点,生成运动行走轨迹,最终转化为各执行器的动作输出,实现自主行走。33图:通过神经网络识别关键点以规划导航路径图:对机器人进行肢体动作训练资料来源:2022特斯拉AI Day,新浪直播,腾讯科技公众号,国海证券研究所请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明343.1.13.1.1、三颗摄像头模拟人类视角,已具备环
76、境识别和记忆能力、三颗摄像头模拟人类视角,已具备环境识别和记忆能力 环境感知依靠正面三颗摄像头环境感知依靠正面三颗摄像头,可基本模拟人类视角范围可基本模拟人类视角范围。根据特斯拉2022 AI Day视频,特斯拉机器人头部布置有一颗前部鱼眼摄像头、左右各一颗视觉摄像头。2023世界人工智能大会(WAIC)展出样机上所有摄像头均位于正面,在面罩之下不可见;此外,耳部或设置有收音装置。据2023年5月特斯拉股东大会视频,特斯拉机器人已经初步具备通过视觉自主识别特斯拉机器人已经初步具备通过视觉自主识别、记忆周边环境的能力记忆周边环境的能力。移植自FSD的Occupancy Network算法加速了特
77、斯拉机器人视觉开发,可在此基础上按机器人使用场景重新采集环境数据进行训练。34图:摄像头视角和移植自FSD的神经网络图:2023WAIC展出样机头部特写图:特斯拉机器人环境识别和记忆能力资料来源:2022特斯拉AI Day,新浪直播,腾讯科技公众号,2023WAIC,国海证券研究所请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明353.1.23.1.2、躯干:旋转和直线两类六规格执行器赋予肌肉和力量、躯干:旋转和直线两类六规格执行器赋予肌肉和力量 针对不同的肢体部位,特斯拉为机器人设计了旋转和线性两大类执行器特斯拉为机器人设计了旋转和线性两大类执行器,每一类有大小三个规格每一类有大小三个规格。执行器的
78、作用相当于人体的肌肉,驱动关节运动。旋转执行器主要分布于肩髋等需要大角度旋转的关节,线性执行器分布于膝肘等摆动角度不大的单自由度关节、腕踝两个双自由度但是体积紧凑的关节。2828个关节执行器具体应用部位推测:个关节执行器具体应用部位推测:旋转执行器旋转执行器1414个:个:肩部6个、小臂2个、腰部2个、髋部4个 线性执行器线性执行器1414个:个:腕部4个、肘部2个、大腿4个、踝部4个35图:Tesla Bot 3种旋转执行器和3种线性执行器图:旋转执行器和线性执行器应用示例旋转执行器线性执行器资料来源:2022特斯拉AI Day,新浪直播,2023WAIC,国海证券研究所请务必阅读报告附注中
79、的风险提示和免责声明363.1.23.1.2、执行器与自由度的关系:一对一、执行器与自由度的关系:一对一 机械物件在空间中有机械物件在空间中有6 6个自由度个自由度,分别是沿分别是沿X X、Y Y、Z Z轴的平移轴的平移,和绕和绕X X、Y Y、Z Z轴的旋转轴的旋转。通过三个平移自由度的移动可以让物体到达任意空间位置,通过三个旋转自由度的旋转可以实现物件的任意姿态。以特斯拉机器人肩部为例,大臂固定在躯干上,位置确定,平移自由度受限;通过通过3 3个旋转自由度可实现大臂的任个旋转自由度可实现大臂的任意姿态意姿态。36图:特斯拉机器人肩部三个旋转自由度示意图图:肩部三个旋转自由度示意图侧摆臂前后
80、摆臂转臂转臂资料来源:2022特斯拉AI Day,新浪直播,机械原理西北工业大学出版社,国海证券研究所请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明37类型型号肩肘腕腰髋膝踝旋转20Nm2110Nm6180Nm24线性500N43900N248000N223.1.23.1.2、六个规格执行器各司其职、六个规格执行器各司其职 3.1.2、六个规格执行器各司其职肩部 3个旋转 2腕部 1个旋转 2腰部 2个旋转 髋部 2个旋转 2腕部 2个线性 2肘部 1个线性 2髋、膝 各1个线性 2踝 2个线性 2266464图:特斯拉机器人关节数量示意资料来源:2022特斯拉AI Day,新浪直播,国海证券研究所
81、请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明383.1.23.1.2、整体设计精简而科技感强、整体设计精简而科技感强38 腰部 2个旋转 髋部 2个旋转 2 髋、膝 各1个线性 2 肩部 3个旋转 2腕部 1个旋转2个线性 2 摄像头位于正面不可见 踝 2个线性 2图:特斯拉机器人部分关节运动设计细节资料来源:2022特斯拉AI Day,新浪直播,2023WAIC,国海证券研究所请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明393.23.2、旋转执行器:以电机旋转运动驱动的旋转关节、旋转执行器:以电机旋转运动驱动的旋转关节 根据2022 AI Day信息推测,特斯拉机器人旋转执行器的主要组成部件是特斯拉
82、机器人旋转执行器的主要组成部件是无框力矩电机无框力矩电机+谐波减速器谐波减速器+机械离合机械离合+力矩力矩传感器传感器+高低速双编码器高低速双编码器+驱动器驱动器,其他零件还包括输入端的角接触球轴承和输出端的交叉滚子轴承等,与常规仿人形机器人构造基本一致。需要注意,马斯克强调现有成熟方案均不符合特斯拉需求,各个执行器均采用的定制化方案,这意味着零部件上均有创新可能,本报告所述方案并非最终冻结方案本报告所述方案并非最终冻结方案,所举例零部件仅供示意参考所举例零部件仅供示意参考。旋转驱动具有旋转轴强度高旋转驱动具有旋转轴强度高、摩擦小摩擦小、可靠性好等优点可靠性好等优点。无框电机、谐波减速器和编码
83、器等零部件是其中的高价值量部件。角接触球轴承谐波减速器交叉滚子轴承永磁体输入端编码器输出端编码器非接触式力矩传感器机械离合图:Tesla Bot 旋转执行器构造资料来源:2022特斯拉AI Day,新浪直播,2023 Tesla投资者日,第一财经,国海证券研究所请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明403.23.2、旋转关节的核心是伺服系统、旋转关节的核心是伺服系统+减速器减速器 特斯拉机器人的旋转关节设计特斯拉机器人的旋转关节设计与主流方案类似与主流方案类似。更通用化的机电控一体化机器人关节通常由扭矩传感器扭矩传感器、力矩电机力矩电机、制动器制动器、增量编码器增量编码器、绝对值编码器绝对值
84、编码器、伺服驱动器以及谐波减速机组成伺服驱动器以及谐波减速机组成。各核心零部件之间需定制化、参数化耦合设计,大致流程如下:40力矩电机与减速机力矩电机与减速机力矩范围合理匹配避免力矩浪费与不足关节制动特性关节制动特性决定是否搭载抱闸进而抱闸选型减速器与关机壳体减速器与关机壳体进行配合设计紧凑性和轻量化传感器选型传感器选型光电、电容及磁场等类型针对使用环境选择编码器驱动器设计驱动器设计基于DSP数字处理技术的参数辨识与自整定算法 工况负载计算谐波减速器选型与定制无框力矩电机选型制动器选型编码器选型驱动器功率与通讯定制关节结构设计与校核关节总装与性能测试图:常见一体化旋转关节主要构件图:一体化关节
85、核心零部件系统框架资料来源:驱控一体化机器人关节的研制及应用 金力,国海证券研究所请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明413.23.2、执行器控制原理:通过伺服系统实现精准控制、执行器控制原理:通过伺服系统实现精准控制 伺服驱动器伺服驱动器、伺服电机伺服电机、编码器等零部件组成的伺服系统编码器等零部件组成的伺服系统,即以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统即以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统,是执行器是执行器能够驱动肢体精准运动的关键能够驱动肢体精准运动的关键。伺服系统可以对其输出的速度、转矩和位置进行精确、快速、稳定的控制。狹狹义伺服系统指被控制量义伺服系统指被控制量(输出量
86、输出量)是负载机械空间位置的线位移或角位移是负载机械空间位置的线位移或角位移。当位置给定量(输入量)作任意变化时,系统的主要任务是使输出量快速而准确地复现给定量的变化。伺服驱动器伺服驱动器负责将从控制器接收到的信息分解为单个自由度系统能够执行的命令,再传递给执行机构执行机构(伺服电机伺服电机);伺服电机伺服电机将收到的电流信号转化为转矩和转速以驱动控制对象;编码器编码器为伺服系统提供信号反馈。41图:常规伺服系统组成原理框图图:伺服系统组成的结构构成位置控制调节器速度控制调节器功率驱动速度检测位置检测电机机械传动机构位置指令位置控制速度控制实际速度反馈+-实际速度反馈资料来源:杰瑞特电机官网,
87、锐观网,国海证券研究所请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明42线圈环形磁铁集成电路板线圈端部绝缘电源线叠片可选的过热保护装置可选的霍尔传感器3.2.13.2.1、无框力矩电机以扭矩控制为特征,结构精简效率高、无框力矩电机以扭矩控制为特征,结构精简效率高 无框力矩电机是一种以输出扭矩为衡量指标的无框架式永磁电机以输出扭矩为衡量指标的无框架式永磁电机,在中速运动时甚至静止或零速时也能产生稳定扭矩,从而适用于机器人关节。无框力矩电机和普通伺服电机都属于永磁同步电机,是由驱动器供电,驱动器控制U/V/W三相电形成电磁场,永磁体的转子在此磁场的作用下转动。无框电机只有转子和定子两个部件无框电机只有转
88、子和定子两个部件,没有轴没有轴、轴承轴承、外壳或端盖外壳或端盖,相当于传统电机中用于产生扭矩和速度的部分。转子通常在内侧,由带永磁体的旋转钢圆环组件构成,直接安装在机器轴上。定子套在转子外侧,紧凑地安装在机器外壳主体内侧。定子主体由齿钢叠片组成,叠片外面包裹着能产生电磁力的铜绕组。齿轮外部环绕钢片和铜绕组,以产生紧密攀附在机器壳体内的电磁力。无框力矩电机具有体积小体积小、性能强性能强、可集成外壳以用于严苛环境等特点可集成外壳以用于严苛环境等特点。图:无框电机产品示例图:科尔摩根 TBM2G 系列无框电机构造资料来源:研一机械,科尔摩根官网,国海证券研究所请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明
89、433.2.23.2.2、编码器:将旋转位置转变为电信号的传感器、编码器:将旋转位置转变为电信号的传感器 编码器是用来测量机械旋转或位移的传感器编码器是用来测量机械旋转或位移的传感器,能够测量机械部件在旋转或直线运动时的位移位置或速度等信息,并将其转换成一系列电信号。根据检测原理,编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式四种;根据刻度实现方法及信号输出形式,可分为增量式、绝对式以及混合式三种。一体化机器人关节一般采用增量编码器采用增量编码器+单圈绝对值编码器的双编码器方案单圈绝对值编码器的双编码器方案。其中增量编码器用于检测电机端,绝对值编码器用于检测减速机输出端。双编码器结构方案可通过控制来
90、补偿谐波减速器的背隙,提高关节输出旋转精度。特斯拉方案为双编码器,具体类型未知。磁体输入端编码器输出端编码器非接触式力矩传感器项目增量编码器绝对编码器输出输出相对值,针对旋转角的变化量输出脉冲输出绝对值,输出旋转角度的绝对值断电应对接通电源时需要原点复归动作接通电源时无需原点复归动作价格结构较简单,价格低结构较复杂,价格高结构补充说明该装置的旋转圆盘上设有很多光学槽,使发光二极管的光通过固定槽,再利用光电二极管检测该光束,并将槽的位置转换为电信号在电机轴上安装绝对编码器,即可随时检测电机轴的固定位置。由于不需要脉冲计数,故接通电源时无需原点复归动作图:光电式增量编码器和绝对值编码器对比图:特斯
91、拉机器人旋转执行器资料来源:西门子官网,新浪直播,驱控一体化机器人关节的研制及应用金力,步科官网,国海证券研究所请务必阅读报告附注中的风险提示和免责声明44资料来源:绿的谐波招股说明书,东茂工业设备官网,国海证券研究所 减速器是连接动力源和执行机构的中间机构减速器是连接动力源和执行机构的中间机构,用于匹配转速和传递转矩用于匹配转速和传递转矩。按照控制精度划分,减速器可分为一般传动减速器和精密减速器。精密减速器回程间隙小、精度较高、使用寿命长,更加可靠稳定,应用于机器人、数控机床等高端领域,主要包括谐波减速器、RV减速器、精密行星减速器等种类。高精密领域广泛使用的主要是谐波减速器与高精密领域广泛
92、使用的主要是谐波减速器与RVRV减速器减速器,前者体积小、重量轻、负载力矩1500Nm以内;后者刚性强、重量和体积较大、负载力矩可达8000Nm,技术门槛更高技术门槛更高。二者适用领域不同,暂不能互相取代。人形机器人出于小型化和轻量化的考虑,更多使用谐波减速器。据特斯拉2022 AI Day信息,特斯拉旋转执行器特斯拉旋转执行器使用谐波减速器使用谐波减速器。图:RV减速器和谐波减速器在工业机器人中的作用部位示意产品RV减速器谐波减速器技术特点通过多级减速实现传动,组成的零部件较多。通过柔轮的弹性变形传递运动,与 其他精密减速器相比,用料更少、体积更小、重量更轻产品性能大体积、高负载能力和高刚度
93、,负载可达8000Nm体积小、传动比高、精密度高,负载不超1500Nm应用场景一般应用于多关节机器人中机座、大臂、肩部等重负载的位置 主要应用于机器人小臂、腕部或手部。终端领域汽车、运输、港口码头等行业中通 常使用配有 RV 减速器的重负载机器人3C、半导体、食品、注塑、模具、医疗等行业中通常使用由谐波减速器组成的 30kg 负载以下的机器人价格区间5,000-8,000 元/台 1,000-5,000 元/台 表:RV减速器和谐波减速器对比RV减速器载重大载重大谐波减速器载重轻载重轻3.2.33.2.3、谐波和、谐波和RVRV是机器人减速器应用领域的两大主力是机器人减速器应用领域的两大主力注:信息摘自2020年8月25日绿的谐波招股说明书