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1、2023 年深度行业分析研究报告 目目 录录 1、人形机器人:蓬勃发展,空间广阔人形机器人:蓬勃发展,空间广阔 .6 6 1.1、发展历程:从朴素想象到产业化加速落地.6 1.2、产品特点:方向一致,各有新意.7 1.3、空间展望:场景多样,星辰大海.9 1.4、行业复盘:特斯拉引领,下一步关注量产节奏.12 2、产业链总览:横跨软硬件,包罗机械电气产业链总览:横跨软硬件,包罗机械电气 .1414 3、核心零部件充分受益,国产替代波澜壮阔核心零部件充分受益,国产替代波澜壮阔 .1717 3.1、电机:核心的驱动机构.17 3.1.1、空心杯电机:高度适配灵巧手.18 3.1.2、无框力矩电机:
2、高度适配机器人关节.19 3.1.3、相关标的.20 3.2、减速器:核心的动力传达机构.22 3.2.1、谐波减速器:体积小、精度高.22 3.2.2、行星减速器:效率高、成本低.24 3.2.3、相关标的.25 3.3、传感器:核心的感知部件.26 3.3.1、力/力矩传感器:精细感知的重要依靠.27 3.3.2、视觉传感器:进一步加强感知能力.30 3.3.3、相关标的.31 3.4、执行器:至关重要的“小总成”.32 图目录图目录 图 1:人形机器人发展历程.6 图 2:主要人形机器人图示.8 图 3:人形机器人应用领域.9 图 4:2017-2024 年全球工业机器人销售额及增长率.
3、10 图 5:2017-2024 年全球服务机器人销售额及增长率.10 图 6:2017-2024 年全球特种机器人销售额及增长率.10 图 7:2017-2024 年中国工业机器人销售额及增长率.10 图 8:2017-2024 年中国服务机器人销售额及增长率.10 图 9:2017-2024 年中国特种机器人销售额及增长率.10 图 10:人形机器人行业全球市场规模预测.11 图 11:人形机器人发展阶段推演.11 图 12:人形机器人与专用机器人的选择.12 图 13:人形机器人行情复盘.13 图 14:人形机器人产业链一览.14 图 15:电机的分类.17 图 16:空心杯电机结构图.
4、18 图 17:全球空心杯电机市场规模.18 图 18:2021年全球市场各类空心杯电机占比(按市场规模计).18 图 19:无框力矩电机的构造.19 图 20:无框力矩电机的特点.20 图 21:全球力矩电机销售规模.20 图 22:全球无框电机销售规模.20 图 23:谐波减速器结构示意图.22 图 24:谐波减速器运行示意图.22 图 25:中国市场谐波减速器销售规模.23 图 26:2021年全球谐波减速器市场格局.23 图 27:2021年中国谐波减速器市场格局.23 图 28:精密行星减速器结构示意图.24 图 29:全球及中国市场行星减速器销售规模.24 图 30:2022年全球
5、行星减速器市场区域分布(按市场规模计).24 图 31:2022年全球精密行星减速器市场格局(按销售金额计).25 图 32:2022年中国精密行星减速器市场格局(按销售金额计).25 图 33:机器人感觉顺序与系统结构.26 图 34:力/力矩传感器基本工作原理.27 图 35:一维、三维、六维力/力矩传感器作用示意图.28 图 36:全球市场力矩传感器销售规模.29 图 37:2017-2027 年中国六维力/力矩传感器市场销量及预测.29 图 38:2017-2027 年中国六维力/力矩传感器市场规模及预测.29 图 39:2015-2025 年全球机器视觉市场规模及预测.31 图 40
6、:2016-2025 年中国机器视觉市场规模及预测.31 图 41:2021年中国机器视觉市场内外资品牌格局(按规模).31 图 42:2021年中国机器视觉系统市场整体竞争格局(按规模).31 图 43:2021年中国机器视觉系统市场国产品牌竞争格局(按规模).31 表目录表目录 表 1:国内外主要机器人情况.7 表 2:特斯拉 Optimus 价值量拆解.15 表 3:人形机器人各环节市场空间测算.15 表 4:相关标的估值情况.16 表 5:各类驱动方式的比较.17 表 6:空心杯电机行业领先企业.19 表 7:减速器分类.22 表 8:传感器分类(按作用).26 表 9:传感器分类(按
7、检测方法).27 表 10:力/力矩传感器分类(按测量原理).28 表 11:各家厂商情况及性能指标对比.30 1 1、人形机器人:人形机器人:蓬勃发展蓬勃发展,空间广阔,空间广阔 1.11.1、发展历程:从朴素想象到产业化发展历程:从朴素想象到产业化加速加速落地落地 人形机器人产业已步入发展快车道人形机器人产业已步入发展快车道。人形机器人指具有人的形态和功能的机器人,具有拟人的肢体、运动与作业技能,以及感知、学习和认知能力。最早的人形机器人概念来自于 15 世纪达芬奇的设想。20 世纪后半叶,科学界与产业界开始了对人形机器人正式的深入探索,以 WABOT-1 的问世为标志,人形机器人进入了全
8、全尺尺寸初级行走阶寸初级行走阶段段;此后 ASIMO 的推出,标志着已经可以制造系系统高度集成统高度集成的人形机器人的人形机器人。进入 21 世纪之后,以波士顿动力为代表的公司持续推出运动能力更强的机器人版本运动能力更强的机器人版本,2022 年 10 月,特斯拉展示了 Optimus机器人工程机,代表着人形机器人进入加速产业化阶段。加速产业化阶段。图图 1 1:人形机器人发展历程:人形机器人发展历程 15世纪达芬奇在手稿中设计了一款仿人型机器人朴素想象朴素想象深入探索深入探索1967年全尺寸机初级行走阶段:全尺寸机初级行走阶段:日本早稻田大学WABOT-1问世。该机器人高约2m,重160kg
9、,配备肢体控制系统、视觉系统和语音交互系统,拥有仿人双手和双腿,全身共26 个关节,胸部装有两个摄像头,手部装有触觉传感器虽然行动能力仅相当于一岁多的婴儿,但它的问世代表人类已初步实现全尺寸人形机器人双足行走。2000年系统高度集成的能力破冰时期:系统高度集成的能力破冰时期:本田公司的人形机器人ASIMO 在2000 年推出,能够实现0-6km/h 的行走速度,可实时预测下一个动作并提前改变自身重心20092019年以强复合运动能力为特征的技术突破发展以强复合运动能力为特征的技术突破发展阶段:阶段:波士顿动力Atlas 机器人2009 年问世,原型机于2013 年7 月向公众公开。Atlas
10、采用液压驱动电液混合模式,融合了光学雷达、激光测距仪、TOF 深度传感器等设备的技术能力。2016 年,波士顿动力公布了新一代 Atlas 机器人,配备了机载液压动力系统,能够实现雪地、山地行走,以及倒地后的快速起身,表现出了优异的运动灵活性,同时展现了双臂协同搬运重物的操作能力;2017 年,完成了立定跳跃、跳高、跳转身和后空翻等动作;2019 年,完成了一套高难度体操动作;此后,又陆续发布了酷跑、三连跳、全身协调操作任务等新功能。产业化初试产业化初试产业化加速落地产业化加速落地2021年特斯拉引领产业化加速推进:特斯拉引领产业化加速推进:2021年,特斯拉在AI Day上发布通用机器人计划
11、;2022年至今各大厂商推出新产品:各大厂商推出新产品:2022年10月,特斯拉展示了Optimus 机器人工程机。小米、小鹏等各类企业进入人形机器人赛道,产业链加速发展。资料来源:人形机器人历史沿革与产业链浅析(顾浩楠)、澎湃新闻,光大证券研究所整理 1.21.2、产品产品特点特点:方向一致,各有新意:方向一致,各有新意 各家机构对于人形机器人的研究方式是一致的:致力于对其感各家机构对于人形机器人的研究方式是一致的:致力于对其感知、决策知、决策和执行和执行能力的提升。能力的提升。在 2020 年以前,各家机构在人形机器人上的研究重点主要在“执行能力”“执行能力”和“感知能力”“感知能力”,努
12、力通过硬件设计的创新和优化使得人形机器人具有更强的运动能力,包括感知障碍、灵活行走、搬运重物等能力,这其中的翘楚是波士顿动力推出的 Atlas。近年来,随着人工智能技术的加速发展,人形机器人在“决策能力”“决策能力”上同样取得了快速的进步,人形机器人的智能化发展迅速。表表 1 1:国内外主要机器人情况:国内外主要机器人情况 地区地区 分类分类 名称名称 厂商厂商 国家国家 发布时发布时间间 主要参数主要参数 产品特点产品特点 国际国际 第一梯队(在运动能力和智能作业上均具有较强的技术储备和展示能力)AtlAtlasas 波士顿动力 美国 2013 年 高 183cm;全身 28个液压驱动关节
13、具有优异的运动灵活性和双臂协同搬运重物的操作能力,是运动性能最强的人形机器人 OptimusOptimus 特斯拉 美国 2022 年 高约 173cm;重约56kg 运用 DOJO D1 超级计算芯片,共用特斯拉“完全自动驾驶”系统 第二梯队(不适用于野外复杂路面,但手眼协调操作性强,具有较强的智能作业和精细作业能力)ValkyrieValkyrie 美国国家宇航局 美国 2013 年 高 190cm;重125kg;全身自由度44 个-CasCass sieie Agility 美国-仿鸵鸟双足机器人 DigitDigit Agility 美国-仿人机器人 Digit V2Digit V2
14、Agility 美国-改进了 Digit 前臂,可抱起 18kg 的箱子 改进了感知系统 WALKWALK-MANMAN 意大利技术研究院 意大利 2018 年 重 102kg;头部配有相关传感器 仿人消防机器人 LOLALOLA 德国慕尼黑工业大学 德国-高 180cm;重 55kg;全身自由度25 个;(最快)运动速度 5km/h 可实现避障等功能 REEREEMM-C C 法国 PAL Robotics 法国 高 160cm;重80kg;全身自由度44 个;运动速度2.5km/h 具备操作、导航与人机交互功能 TALOSTALOS 法国 PAL Robotics 法国 高 175cm;重
15、90kg;运动速度3km/h 面向工业应用设计,能完成多项任务 DRCDRC-HUBOHUBO 韩国先进技术研究院 韩国 高 170cm;重80kg;全身自由度32 个 采用轮腿混合行走机构,能够根据不同环境选择不同的移动方式 第三梯队(以室内平整路面为主)ASIMOASIMO(20182018年停止开发)年停止开发)本田 日本 2000 年 高 130cm;重 48kg(2014 年版本);最快运动速度9km/h 具备智能交互和灵活行走等功能,但对未知不平整地面和未知扰动适应性差 国内国内 HIT WLR HIT WLR 样机样机系统系统 哈尔滨工业大学机器人研究所 中国 重 80kg;高1
16、.7m;(最快)运动速度超过15km/h;腿式跳跃过障 0.5m 采用轮腿复合方式,以液压驱动为主,具有轮式快速移动特点,具有自主定位、建模和导航功能 HIT HIT HumanoidHumanoid 哈尔滨工业大学机器人研究所 中国 高 1.6m;重60kg;全身自由度21 个 类 Atlas 汇童汇童 BHRBHR 北京理工大学 中国 2016 年 跑步速度 6km/h;跳高 0.5m;前跳1m 实现了多模态运动及转换“悟空”(四“悟空”(四代)代)浙江大学 中国 最快运动速度超过6km/h;跳高0.5m;可上下 25 度斜坡和 10cm 台阶 可适应室外多种地形;面对未知扰动可快速恢复平
17、衡并稳定行走;实现了机器人的三维环境地图构建和自主动态导航。资料来源:人形机器人技术现状及场景应用思考(朱秋国),光大证券研究所整理 图图 2 2:主要人形机器人图主要人形机器人图示示 资料来源:robotsguide,光大证券研究所整理 1.31.3、空间展望:空间展望:场景多样,星辰大海场景多样,星辰大海 人形机器人潜在的应用领域多种多样。人形机器人潜在的应用领域多种多样。“类人”意味着其符合人类交互习惯,也能快速适应现存的人类社会基础设施,这也意味着人形机器人可以应用于人类生活的方方面面。在经济发展领域,制造业、建筑业、能源业均有大量的可由人形机器人代为工作的岗位,如装配、安装、焊接、巡
18、检等;在社会民生领域,人形机器人的应用场景同样广阔,在商业社区、医疗健康、养老服务等方面,都有广阔的发挥空间。图图 3 3:人:人形机形机器人应用领域器人应用领域 经济发展领域社会民生领域制造业农业建筑能源商贸物流商业社区医疗健康养老服务教育安全应急焊接、装配、喷涂、搬运、磨抛等机器人耕整地、育种育苗、播种、灌溉、植保、采摘、分选、巡检、挤奶等作业机器人测量、材料配送、钢筋加工、混凝土浇筑、楼面墙面装饰装修、构部件安装和焊接、机电安装等机器人能源基础设施建设、巡检、操作、维护、应急处置等机器人自动引导车、自主移动机器人、配送机器人、自动码垛机、智能分拣机、物流无人机等产品餐饮、配送、迎宾、导览
19、、咨询、清洁、代步等商用机器人、以及烹饪、清洗、监护、陪伴等家用机器人手术、辅助检查、辅助巡检、重症护理、急救、生命支持、康复、检验采样、消毒清洁等医疗机器人残障辅助、助浴、康复训练、家务、情感配合、娱乐休闲、安防监控等助老助残机器人交互、教学、竞赛等教育机器人产品机编程系统,分类建设机器人矿山、民爆、社会安全、应急救援、极限环境等机器人 资料来源:闵行智能机器人产业发展白皮书(甲子光年智库),光大证券研究所整理 机器人整个大行业的市场规模在持续增长。机器人整个大行业的市场规模在持续增长。根据中国电子学会组织编写的中国机器人产业发展报告(2022 年):预计到 2024 年全球机器人市场规模将
20、有望突破 650 亿美元,同比增长 12%;其中 2024 年工业机器人市场达 230 亿美元,同比增长 10%;服务机器人市场达 290 亿美元,同比增长 16%;特种机器人市场达 140 亿美元,同比增长 16.7%。图图 4 4:2 201017 7-20242024 年全球工业机器人年全球工业机器人销售额及增长率销售额及增长率 图图 5 5:2 2 年全球服务机器人销年全球服务机器人销售额及增长率售额及增长率 图图 6 6:2 2 年全球特种机器人销年全球特种机器人销售额及增长率售额及增长率 资料来源:IFR,中国电子学会;单
21、位:亿美元 资料来源:IFR,中国电子学会;单位:亿美元 资料来源:IFR,中国电子学会;单位:亿美元 国内机器人行业的市场规国内机器人行业的市场规模增速快于全球。模增速快于全球。预计到 2024 年中国机器人市场规模将有望突破 251 亿美元,同比增长 19.5%;其中 2024 年工业机器人市场达115 亿美元,同比增长 16.2%;服务机器人市场达 102 亿美元,同比增长23%;特种机器人市场达 34 亿美元,同比增长 21.7%。图图 7 7:2 2 年中国工业机器人年中国工业机器人销售额及增长率销售额及增长率 图图 8 8:2 2017017-2024
22、2024 年中国服务机器人销年中国服务机器人销售额及增长率售额及增长率 图图 9 9:2 2 年中国特种机器人年中国特种机器人销销售额及增长售额及增长率率 资料来源:IFR,中国电子学会;单位:亿美元 资料来源:IFR,中国电子学会;单位:亿美元 资料来源:IFR,中国电子学会;单位:亿美元 预计人形机器人的增速将大幅快于机器人行业的整体增速。预计人形机器人的增速将大幅快于机器人行业的整体增速。根据 Stratistics MRC 的数据,2021 年全球人形机器人的市场规模为 15 亿美元,预计到 2028年将达到 264 亿美元,2021-2028 年的 CA
23、GR 达 50.5%;其中,分领域来看,Stratistics MRC 预计教育和娱乐领域的人形机器人复合增速最快,医疗保健领域占据最大的市场份额;分地区来看,Stratistics MRC 预计亚太地区的复合增速最快,北美地区的份额最高。0%5%10%15%20%25%020406080100120140中国工业机器人销售额同比0%10%20%30%40%50%60%020406080100120中国服务机器人销售额同比0%10%20%30%40%010203040中国特种机器人销售额同比-20%-10%0%10%20%30%0500全球工业机器人销售额同比 0%10%
24、20%30%40%50%0500300350全球服务机器人销售额同比0%5%10%15%20%25%30%050100150全球特种机器人销售额同比 图图 1010:人形机器人人形机器人行业行业全球全球市场规模预测市场规模预测 资料来源:Stratistics MRC,光大证券研究所整理 就下游应用场景来看,人形机器人兼具工业品和消费品的属性,就下游应用场景来看,人形机器人兼具工业品和消费品的属性,放量的核心在放量的核心在于价格和性能。于价格和性能。如果把人形机器人看做消费品,如果把人形机器人看做消费品,前期前期影响其销售的核心因素是性能,性能当中影响其销售的核心因素是性
25、能,性能当中最核心的为“智能化”水平。最核心的为“智能化”水平。也就是说,随着人形机器人智能化水平的持续提升,会有不断的增量消费者选择体验,此时发展路径类似于特斯拉汽车从Roadster 到 Model S 的阶段;中后期影响其销售的核心因素是成本中后期影响其销售的核心因素是成本,此时逐渐变为大众消费品,类似于特斯拉 Model 3 的阶段。图图 1111:人形机器人发展阶段推演人形机器人发展阶段推演 资料来源:光大证券研究所绘制 如果把人形机器人看做工业品,其通用化的属性,与专用化降本的趋势是有所如果把人形机器人看做工业品,其通用化的属性,与专用化降本的趋势是有所冲突的。冲突的。所以只有在某
26、些特定领域上,人形机器人的性价比高于人工且高于工业机器人的时候,其才会有比较好的放量。但是从产业链上来看,人形机器人人形机器人和和工业机器人在工业机器人在很多零部很多零部件上是相件上是相通的,人形机器人的发通的,人形机器人的发展和工业机器人的发展和工业机器人的发展是互相带动、互相促进的。展是互相带动、互相促进的。由人力资源短缺、人口老龄化等带来的工业专用机器人的需求,同样会促进整个机器人产业链的技术进步和降本,进而利好人形机器人的发展。图图 1212:人形机器人与专用机器人的选择人形机器人与专用机器人的选择 劳动人口短缺劳动人口短缺用工成本提升用工成本提升各行各业的机器各行各业的机器人需求提升
27、人需求提升如果行业很大,需要的技能相对专用,定制化如果行业很大,需要的技能相对专用,定制化开发专用工业机器人即可开发专用工业机器人即可。目前目前在很多行业已经体现:如家用的扫地机器在很多行业已经体现:如家用的扫地机器人、工业用的焊接机器人、物流用的分拣机器人、工业用的焊接机器人、物流用的分拣机器人等。人等。如果行业很小,此时有通用的人形机器人可供如果行业很小,此时有通用的人形机器人可供选择,比单独研发定制化机器人更具性价比,选择,比单独研发定制化机器人更具性价比,则选择人形机器人。则选择人形机器人。本质上由本质上由经济性决定经济性决定 资料来源:光大证券研究所绘制 1.41.4、行业复盘:行业
28、复盘:特斯拉引领,下一步关注量产节奏特斯拉引领,下一步关注量产节奏 复盘人形机器人板块的走势,明显可以看出催化的核心主线是技术进步:复盘人形机器人板块的走势,明显可以看出催化的核心主线是技术进步:2022年底人工智能技术大幅进步,使得市场意识到“智能化”的人形机器人或许很快可以真正落地,人形机器人行业迎来一波大的行情。2023 年 5 月,特斯拉宣布打通了 FSD 和人形机器人的底层模块;2023 年 12 月,特斯拉发布了第二代Optimus 产品,身体平衡与操控能力大幅提升:算法层面、硬件层面的大进步,也都带动了人形机器人板块的上涨。下一阶段将步入双主线阶段:技术进步和量产节奏。下一阶段将
29、步入双主线阶段:技术进步和量产节奏。一方面,技术进步仍然会持续地给人形机器人带来催化。另一方面,2023 年,各家企业陆陆续续地发布原型机,特斯拉的第二代 Optimus 产品表现出来的性能已经非常吸引目标人群。下一步市场关注的重点就是从原型机到量产的节奏。图图 1313:人形机器人行情复盘:人形机器人行情复盘 -50%-40%-30%-20%-10%0%10%20%30%2022-01-042022-04-042022-07-042022-10-042023-01-042023-04-042023-07-042023-10-04人形机器人指数涨跌幅电力设备与新能源指数涨跌幅2022年4月,马
30、斯克表示特斯拉最早将于2023年开始生产Optimus人形机器人。2022年10月,特斯拉Optimus原型机发布。2023年12月,特斯拉发布第二代Optimus产品(Gen 2)。身体平衡与操控能力大幅提升。2022年对于人形机器人行业来说整体处于酝酿期,相较于整个电新板块,并未走出独立行情。2022年底,chatGPT引领了TMT板块的行情。人工智能的进步对于人形机器人的加持是巨大的。市场对于人形机器人的预期也会抬升。此时人形机器人行业相较于电新板块明显走出了独立行情。2023年5月,股东大会上特斯拉表示已经打通了FSD和机器人的底层模块,实现了一定程度的算法复用。表示未来机器人需求达到
31、百亿个级别。资料来源:wind,光大证券研究所整理;截至 2024/1/2 2 2、产业链总览:横跨软硬件,包罗机械电产业链总览:横跨软硬件,包罗机械电气气 人形机器人是硬件和软件的高度结合人形机器人是硬件和软件的高度结合体,是机械、电气、人工智能等多领域交体,是机械、电气、人工智能等多领域交叉打造的明珠。叉打造的明珠。人形机器人包括感知、决策、执行三大系统,由视觉传感器、触觉传感器,芯片、算法,动力单元、旋转关节、线性关节、手部关节等共同组成。图图 1414:人:人形机器人产形机器人产业链一览业链一览 动力感知系统执行系统(躯干、四肢等)决策系统(大脑)视觉(眼睛等)触觉(皮肤等)力/力矩传
32、感器纯视觉雷达融合摄像头毫米波雷达激光雷达超声波雷达电池芯片算法旋转执行器线性关节手部关节声学传感器温度传感器深度学习驱动器谐波/行星减速器轴承离合器编码器电机滚珠丝杠编码器空心杯电机行星减速器编码器特斯拉、波士顿动力、Agility Robotics;小米、小鹏、博实股份、优必选、智元、宇树、达闼、追觅绿的谐波、双环传动、精锻科技、丰力智能、国茂股份、中大力德鸣志电器伟创电气电机驱动器驱动器三花智控拓普集团宁德时代新剑传动、贝斯特、鼎智科技、恒立液压五洲新春长盛轴承步科股份昊志机电柯力传感康斯特八方股份 资料来源:特斯拉官网,光大证券研究所整理 当人形机器人销量达到百万台级别时,机器人总成市
33、场空间将超过千亿当人形机器人销量达到百万台级别时,机器人总成市场空间将超过千亿元元。(注:全文中如无特殊注明,货币单位均为人民币)。我们以特斯拉 Optimus的零部件构成进行测算,当人形机器人销量达到百万台级别时,机器人总成的市场空间将超过千亿元。线性关节总成、旋转关节总成的市场空间会超过 500亿元。无框力矩电机、力矩传感器、行星滚柱丝杠、谐波减速器等的市场空间将超过百亿。整个机器人产业链都将迎来整个机器人产业链都将迎来巨大的发展空间。巨大的发展空间。表表 2 2:特斯拉:特斯拉 OptimusOptimus 价值量拆解价值量拆解 分类分类 单价(元)单价(元)数量(个)数量(个)总价(元
34、)总价(元)占比占比 旋转关节 无框力矩电机 1300 14 18200 12%力矩传感器 800 14 11200 7%行星滚柱丝杠 2000 14 28000 18%单列向心球轴承 300 28 8400 5%合计 65800 42%线性关节 无框力矩电机 1300 14 18200 12%力矩传感器 800 14 11200 7%谐波减速器 1400 14 19600 12%交叉滚子轴承 300 28 8400 5%合计 57400 37%手部关节 空心杯电机 700 12 8400 5%行星减速器 600 12 7200 5%力矩传感器 500 12 6000 4%合计 21600 1
35、4%控制系统 FSD 芯片 8000 1 8000 5%视觉系统 摄像头 300 3 900 1%动力系统 电池 1500 1 1500 1%其他结构件 2000 1%合计 157200 100%资料来源:特斯拉官网,光大证券研究所根据步科股份、绿的谐波、鸣志电器等公司公告及官网数据整理、测算;引自聚焦消纳与新技术,静待新能源再成长电新公用环保 2024 年投资策略报告(2023 年 10 月发布)表表 3 3:人形机器人各环节市场空间测算:人形机器人各环节市场空间测算 市场空间市场空间 单机价值量(万元)单机价值量(万元)1010 万台(亿元)万台(亿元)100100 万台(亿元)万台(亿元
36、)10001000 万台(亿元)万台(亿元)机器人总成 15.72 157.2 1572 15720 线性关节总成 6.58 65.8 658 6580 旋转关节总成 5.74 57.4 574 5740 无框力矩电机 3.64 36.4 364 3640 力矩传感器 2.84 28.4 284 2840 行星滚柱丝杠 2.8 28 280 2800 单列向心球轴承 0.84 8.4 84 840 谐波减速器 1.96 19.6 196 1960 交叉滚子轴承 0.84 8.4 84 840 空心杯电机 0.84 8.4 84 840 行星减速器 0.72 7.2 72 720 FSD 芯片
37、0.8 8 80 800 摄像头 0.09 0.9 9 90 电池 0.15 1.5 15 150 资料来源:特斯拉官网,光大证券研究所根据步科股份、绿的谐波、鸣志电器等公司公告及官网数据整理、测算 表表 4 4:相关标的估值情况:相关标的估值情况 净利润(亿元)PE(X)领域 代码 公司简称 收盘价(元)市值(亿元)2022A 2023E 2024E 2025E 2022A 2023E 2024E 2025E 执行器执行器总成总成 601689.SH 拓普集团 64.03 706 17.0 22.9 31.5 42.2 42 31 22 17 002050.SZ 三花智控 26.07 973
38、 25.7 31.5 39.1 48.0 38 31 25 20 002933.SZ 新兴装备 35.14 41 (0.6)-空心杯空心杯电机电机 603728.SH 鸣志电器 54.65 230 2.5 2.4 3.8 5.5 93 95 61 42 688698.SH 伟创电气 33.33 70 1.4 2.1 2.9 3.8 50 33 24 18 002139.SZ 拓邦股份 8.96 114 5.8 6.2 8.2 10.5 19 18 14 11 减速器减速器 688017.SH 绿的谐波 131.96 223 1.6 1.6 2.2 2.6 143 143 99 87 00247
39、2.SZ 双环传动 23.88 204 5.8 8.2 10.6 13.5 35 25 19 15 603915.SH 国茂股份 14.76 98 4.1 4.4 5.6 6.7 24 22 17 15 301368.SZ 丰立智能 40.36 48 0.4 0.7 1.0 1.2 108 70 51 39 002896.SZ 中大力德 33.36 50 0.7 0.9 1.1 1.4 76 58 47 35 300258.SZ 精锻科技 11.80 57 2.5 2.8 3.4 4.3 23 21 17 13 电机电机 688160.SH 步科股份 51.47 43 0.9 0.9 1.2
40、1.5 47 47 37 30 300124.SZ 汇川技术 58.80 1574 43.2 50.1 63.9 80.5 36 31 25 20 002979.SZ 雷赛智能 18.86 58 2.2 1.7 2.4 3.0 26 35 25 19 688320.SH 禾川科技 35.64 54 0.9 1.0 1.3 1.9 60 55 40 28 丝杠丝杠 873593.BJ 鼎智科技 35.96 35 1.0 1.2 1.5 1.9 34 29 23 19 601100.SH 恒立液压 53.07 712 23.4 25.6 30.5 37.2 30 28 23 19 300580.S
41、Z 贝斯特 27.28 93 2.3 2.8 3.6 4.6 40 33 26 20 轴承轴承 603667.SH 五洲新春 18.80 69 1.5 1.8 2.6 3.5 47 39 27 20 300718.SZ 长盛轴承 17.81 53 1.0 2.5 3.1 3.9 52 22 17 14 传感器传感器 603662.SH 柯力传感 31.66 89 2.6 3.1 3.9 4.8 34 28 23 19 300445.SZ 康斯特 17.80 38 0.8 1.0 1.4 1.8 50 37 27 21 688322.SH 奥比中光-UW 31.22 125 (2.9)(2.2)
42、(0.8)0.5 -251 688320.SH 禾川科技 35.64 54 0.9 1.0 1.3 1.9 60 55 40 28 资料来源:iFinD 一致预期,股价时间为 2024-1-8 3 3、核心零部核心零部件充分受益件充分受益,国产替代波澜壮,国产替代波澜壮阔阔 3.13.1、电机电机:核心的驱动机构核心的驱动机构 电机是人形机器人中动力的产生机构,可以类比做人的肌肉。电机是人形机器人中动力的产生机构,可以类比做人的肌肉。机器人的驱动方式可以分为电动驱动、液压驱动、气动驱动,其中,电动驱动由于效率高、精确度高、成本低等优势,得以广泛应用。表表 5 5:各类驱动方式的比较:各类驱动方
43、式的比较 原理原理 优点优点 缺点缺点 电动驱动 用电动机把电能转换成机械能输出 1、效率高:伺服电机作为动力源,可以组成简单高效的传动机构。2、精密控制:在高精度传感器、计量装置、计算机技术支持下,能够大大超过其他控制方式能达到的控制精度。3、成本低、能耗低。往往需要配合减速器使用。液压驱动 应用液体作为工作介质来传递能量 1、单位重量和单位尺寸输出功率高,在传递相同功率的情况下,液压传动装置的体积小、重量轻、惯性小、结构紧凑、布局灵活。2、速度、扭矩、功率均可无级调节,动作响应性快,能迅速换向和变速,调速范围宽。因有相对运动表面不可避免地存在泄漏。液压元件制造精度要求高,给使用与维修保养带
44、来一定困难。气压驱动 以压缩气体为工作介质,靠气体的压力传递动力 1、维护简单。2、工作环境适应性好。工作速度、稳定性稍差。资料来源:机械知网,光大证券研究所整理 人形机器人中使用最多的为空心杯电机和力矩电机。人形机器人中使用最多的为空心杯电机和力矩电机。电机按照控制方式分类,可以分为伺服电机、步进电机。电机按照驱动方式分类,可以分为直流电机和交流电机。直流电机中,按照线圈类型分类,可以分为有铁芯的电机和空心杯电机;按照换向方式分类,可以分为有刷电机和无刷电机。特斯拉特斯拉 OptimusOptimus 机机器人中,包含了器人中,包含了 2 28 8 个无框力矩电机和个无框力矩电机和 1 12
45、 2 个空心杯电机,电机占整体价值量的个空心杯电机,电机占整体价值量的比例高达比例高达 2 28%8%。图图 1515:电电机的分类机的分类 资料来源:光大证券研究所整理 3.1.13.1.1、空心杯电机空心杯电机:高度适配灵巧手:高度适配灵巧手 空心杯电机是一种微型伺服电动机空心杯电机是一种微型伺服电动机,与灵巧手关节高度适配,与灵巧手关节高度适配。它可以利用永磁铁产生磁场,从而实现直流供电。与传统电机的不同之处在于,空心杯电机采用的是无铁芯转子。无铁芯转子的结构使得空心杯电机具有以下优点:(1)重量大幅降低,从而降低了电机的转动惯量;(2)消除了由于铁芯形成涡流造成的电能损耗;(3)降低了
46、转子自身的机械能损耗。图图 1616:空心杯电机结构图空心杯电机结构图 资料来源:鸣志电器官网 空心杯电机当前空心杯电机当前全全球市场规模在球市场规模在 5050 亿元亿元人民币人民币左右。左右。根据 GII 数据,2022 年全球空心杯电机市场规模为 7.48 亿美元,预计 2028 年达 11.86 亿美元,2022-2028 年的 CAGR 为 7.98%。其中,根据 GII 数据,2021 年有刷空心杯电机占比为 67%,无刷空心杯电机占比为 33%。图图 1717:全球空心杯电机市场规模:全球空心杯电机市场规模 图图 1818:2 2021021 年全球市场年全球市场各类空心杯电机占
47、比各类空心杯电机占比(按市场规模计)(按市场规模计)有刷空气杯电机,67%无刷空心杯电机,33%资料来源:GII 资料来源:GII 外国企业占据大部分份额,外国企业占据大部分份额,国产替代空间广阔。国产替代空间广阔。根据 QY Research 数据,按照市场规模计,2022 年全球空心杯电机 CR5 为 67%,前五名企业包括Faulhaber、Portescap、Allied Motion Technologies、Maxon Motor 及Nidec Copal Corporation。空心杯电机的壁垒主要体现在空心杯电机的壁垒主要体现在专利、专利、绕线机、绕线机、以及正向设计能力上。以
48、及正向设计能力上。空心杯生产上的难点在于线圈没有铁芯支撑,绕线工艺比较复杂:(1)Maxon Motor、FAULHABER Group 等龙头企业由于先发优势,申请了一系列的专利,构筑了一定的专利壁垒;(2)空心杯电机对绕线机的性能、效率要求很高。此外,头部企业拥有很强的正向设计能力,可以根据客户的需求,设计出性能满足客户要求的、可靠稳定的产品。表表 6 6:空心杯电机行业领先企业:空心杯电机行业领先企业 企业企业 国家国家 介绍介绍 Maxon Motor 瑞士 成立于 1961 年,是精密驱动系统的领先制造商,包括空心杯直流电机。公司以其用于医疗设备、航空航天和机器人等关键应用的高质量和
49、高性能电机而闻名。FAULHABER Group 德国 成立于 1947 年,其主要业务是精密微型和微型驱动系统的设计、开发和制造。主要客户包括医疗设备制造商、机器人公司和自动化系统集成商。Nidec Corporation 日本 成立于 1908 年,生产包括空心杯电机在内的各种电机。客户主要在汽车、工业和消费电子行业。Portescap 美国 成立于 1931 年,是一家微型电机产品和精密运动控制系统的制造商,在各个行业都有应用。Precision Microdrives 英国 成立于 2004 年,服务于医疗保健、汽车和工业自动化等行业。Allied Motion 美国 成立于 1962
50、 年,是一家全球精密操作和控制巨头。重点关注车辆、医疗、航空航天和国防、电子和工业市场。资料来源:greensky-power,光大证券研究所整理 3.1.23.1.2、无框无框力矩电机力矩电机:高度适配机器人关节高度适配机器人关节 无框力矩电机,是一种以输出扭无框力矩电机,是一种以输出扭矩为衡量指标的无框架式永磁电机。矩为衡量指标的无框架式永磁电机。无框力矩电机的原理与传统的永磁电机相同,不同点主要在于结构上:无框力矩电机没有机壳,只有转子和定子 2 个部件。图图 1919:无框无框力矩力矩电机电机的构造的构造 资料来源:科尔摩根官网 无框力矩电机非常适配于机器人关节。无框力矩电机非常适配于
51、机器人关节。无框力矩电机的结构设计摆脱了传统的机壳约束,利用机器的自身轴承支撑转子,将电机无缝内置于机器设计中。无框力矩电机体积小、扭矩高、稳定性高的特点与机器人关节的要求非常适配。图图 2020:无框无框力矩力矩电机电机的特点的特点 资料来源:科尔摩根官网 力矩力矩电机电机、无框电机、无框电机当前当前的的全球市场规模全球市场规模均均在在 5050 亿元亿元人民币人民币左右。左右。根据technavio 的数据,2022 年,全球力矩电机销售规模为 6.1 亿美元,预计2027 年全球力矩电机销售规模达 9 亿美元,2022-2027 年 CAGR 为 8%。根据QY Research 的数据
52、,2022 年,全球无框电机销售规模为 6.7 亿美元,预计2029 年全球无框电机销售规模达 11.7 亿美元,2022-2029 年 CAGR 为 9%。从竞争格局来看,海外企业仍处于领先地位。从竞争格局来看,海外企业仍处于领先地位。从事无框力矩电机行业的主要制造商包括威腾斯坦(德国)、科尔摩根(美国)、尼得科(日本)、派克汉尼汾(美国)等企业。国内企业中,步科股份、昊志机电等也推出了相关产品。图图 2121:全球全球力矩力矩电机电机销售销售规规模模 图图 2222:全球无框电机销售规模:全球无框电机销售规模 6.711.745678922029市场规模(亿美元)资料
53、来源:technavio 资料来源:QY Research 3.1.33.1.3、相关标的相关标的 鸣志电器鸣志电器,空心杯电机空心杯电机国内领先企业国内领先企业。公司专注于运动控制领域核心技术及系统级解决方案的研发和经营,通过合资设立安浦鸣志自动化,收购美国 AMP 及瑞士 T Motion 两家国际知名的、专业的电机驱动控制产品及运动控制核心技术开发的企业,整合并形成了全球领先的电机驱动控制产品研发、制造平台,公司的步进电机、直流无刷电机、空心杯电机、电机+丝杠模组、电机+减速机模组等产品被国内外客户广泛使用。伟创电气伟创电气,积极拓展积极拓展机器人电机业务机器人电机业务。公司于 2022
54、 年成立机器人行业部,切入机器人产业链,目前主要是以机器人大配套为主,主要面向移动类、协作类、服务类的机器人领域,提供低压伺服、空心杯电机、特种无框力矩电机等核心部件。2023 年,公司发布空心杯电机产品 ECH13 系列、无框电机 FO1 系列。3.23.2、减速器减速器:核心的动力传达机构核心的动力传达机构 减减速器是人形机器人中核心的动力传达机构,可以类比做人的关节。速器是人形机器人中核心的动力传达机构,可以类比做人的关节。减速器在原动机和执行机构之间起到匹配转速和传递转矩的作用,主要有精密行星减速器、谐波减速器、RV 减速器等类别。特斯拉特斯拉 OptimusOptimus 机器人中,
55、包含机器人中,包含了了 1414个谐波减速器和个谐波减速器和 1 12 2 个行星减速器,电机占整体价值量的比例高达个行星减速器,电机占整体价值量的比例高达 17%17%。表表 7 7:减速器分类减速器分类 减速器类别减速器类别 结构特点结构特点 优点优点 缺点缺点 应用领域应用领域 精密行星减速器 体积比较小,主要包括行星轮、太阳轮和内齿圈。精密行星减速器单级传动比都在 10 以内,且减速级数一般不会超过 3 级。扭矩大、精度高、单级传动效率高达 97%、质量轻、寿命可长达 2 万小时、免保养 单级传动比范围小 移动机器人、新能源设备、高端机床、智能交通等行业的精密传动装置 谐波减速器 主要
56、包括波发生器、柔轮与刚轮。减速器工作时,波发生器会发生可控 变 形,同时 依 靠 柔轮、刚轮的啮合传递动力。传动精度高,重量和体积小,运转平稳、传动比大 传递扭矩相对较小,传动效率低、使用寿命有限 机器人中负载较小的小臂、腕部 和手 部 等 关节、航空航天、精密加工设备和医疗设备领域 RV 减速器 主 要 包括 两级 传 动 装置,分别为渐开线行星齿轮传动和摆线针轮行星传动。传动比范围广,传动效率高达 85%-92%,传动平 稳 性高,承 载 能 力强,刚性和耐过载冲击性能好,传动精度高。结 构 复杂、制 造 难 度大、成本高 机器人中负载较重的机座、大臂、肩部等大关节 资料来源:科峰智能招股
57、说明书 3.2.13.2.1、谐波减速器谐波减速器:体积小、精度高:体积小、精度高 谐波减速器谐波减速器具有体积小、精度高的优势。具有体积小、精度高的优势。谐波减速器是一种靠波发生器使柔轮产生可控的弹性变形波,通过其与刚轮的相互作用,实现运动和动力传递的传动装置,其构造主要由带有内齿圈的刚性齿轮(刚轮)、带有外齿圈的柔性齿轮(柔轮)、波发生器三个基本构件组成。谐波传动技术突破了机械传动采用刚性构件的模式,使用了一个柔性构件来实现机械传动,具有传动精度高、体积小的优点,非常适合应用于人形机器人非常适合应用于人形机器人的线性关节等部位。的线性关节等部位。图图 2323:谐波减速器结构示意图谐波减速
58、器结构示意图 图图 2424:谐波减速器运行示意图谐波减速器运行示意图 资料来源:绿的谐波招股说明书 资料来源:绿的谐波招股说明书 谐波减速器谐波减速器当前当前的中国的中国市场规模在市场规模在 2525 亿元。亿元。根据头豹研究院预测,2022 年,中国市场谐波减速器销售规模为 25 亿元,受益于机器人、精密加工设备、航天航空、雷达设备、医疗设备等领域的快速发展,预计 2025 年市场空间将达到 41 亿元。图图 2525:中国市场中国市场谐波谐波减速器销售规模减速器销售规模 0%2%4%6%8%10%12%14%16%18%20%055404520202021E2022
59、E2023E2024E2025E中国市场销售规模(亿元)中国市场增速(右轴)资料来源:头豹研究院,科峰智能招股说明书 哈默纳科一家独大,国内企业奋力追赶。哈默纳科一家独大,国内企业奋力追赶。根据华经产业研究院数据,2021 年,哈默纳科占据了全球谐波减速器 82%的市场。但是在中国市场,哈默纳科的市占率仅为 35%,大幅低于其全球市占率,绿的谐波市占率为 25%,来福谐波市占率为 8%。国内企业的产品在性能、寿命等指标上已经基本达到与哈默纳科相同的水平,但是哈默纳科在谐波减速器行业中深耕多年,与头部机器人企业建立了良好稳固的合作关系,所以当前的国内企业更所以当前的国内企业更多的在国内市场上开启
60、对多的在国内市场上开启对哈默哈默纳科纳科的替代。的替代。图图 2626:2022021 1 年全球年全球谐波谐波减速器市场格局减速器市场格局 图图 2727:2022021 1 年中国年中国谐波谐波减速器市场格局减速器市场格局 哈默纳科,82%绿的谐波,7%其他,11%哈默纳科,35%日本新宝,7%绿的谐波,25%来福谐波,8%得福机器人,4%大族传动,5%其他,16%资料来源:华经产业研究院 资料来源:华经产业研究院 3.2.23.2.2、行星减速器行星减速器:效率高:效率高、成本低成本低 行星减速器是传动效率最高的齿轮传动结构。行星减速器是传动效率最高的齿轮传动结构。行星齿轮传动机构主要由
61、行星齿轮、行星架和太阳轮构成的行星齿轮传动机构。精密行星减速器工作时,通常是伺服电机等原动机驱动太阳轮旋转,太阳轮与行星轮的啮合驱动行星轮产生自转;同时,由于行星轮另外一侧与减速器壳体内壁上的环形内齿圈啮合,最终行星轮在自转驱动下将沿着与太阳轮旋转相同方向在环形内齿圈上滚动,形成围绕太阳轮旋转的“公转”运动。太阳轮和齿圈存在齿数差,从而达到减速目的。图图 2828:精密行星减速器结构示意图精密行星减速器结构示意图 资料来源:科峰智能招股说明书 行星减速器行星减速器当前当前的的全球全球市场规模在市场规模在 9090 亿元亿元人民币人民币左右左右。根据 QY Research 的数据,2022 年
62、,全球市场行星减速器销售规模为 12 亿美元,中国市场行星减速器销售规模为 5 亿美元,预计 2029 年全球行星减速器销售规模达 22.31 亿美元,2022-2029 年 CAGR 为 9%;中国市场规模达 11.49 亿美元,2022-2029 年 CAGR 为 13%。图图 2929:全球及中国市场行星减速器销售规模全球及中国市场行星减速器销售规模 图图 3030:20222022 年年全球行星减速器市场区域分布全球行星减速器市场区域分布(按市场规模计)(按市场规模计)-5%0%5%10%15%20%25%30%35%40%058200222
63、023E2024E2025E2026E2027E2028E2029E全球市场销售规模(亿美元)中国市场销售规模(亿美元)全球市场增速(右轴)中国市场增速(右轴)北美,21%欧洲,20%亚太,55%拉美,3%中东及非洲,2%资料来源:QY Research,科峰智能招股说明书 资料来源:QY Research,科峰智能招股说明书 竞争格竞争格局局相对分散,海外企业占据领先地位。相对分散,海外企业占据领先地位。在全球范围内,德国、日本等国家的精密行星减速器产品在材料、设计水平、质量控制、精度、可靠性和使用寿命等方面处于行业领先地位。国产品牌阵营以科峰智能、纽氏达特、中大力德为主要代表,国外精密行星
64、减速器主要厂家为日本新宝、纽卡特、威腾斯坦等。根据 QY Research 统计的销售金额数据,2022 年全球 CR5 为 47%,日本新宝、纽卡特、威腾斯坦占据前三位。图图 3131:20222022 年全球精密行星减速器市场格局年全球精密行星减速器市场格局(按销售金额计)(按销售金额计)图图 3232:20222022 年中国精密行星减速器市场格局年中国精密行星减速器市场格局(按销售金额计)(按销售金额计)日本新宝,13%纽卡特,11%威腾斯坦,11%精锐科技,7%科峰智能,5%其他,53%日本新宝,20%科峰智能,12%纽氏达特,10%精锐科技,7%利茗,5%其他,46%资料来源:QY
65、 Research,科峰智能招股说明书 资料来源:QY Research,科峰智能招股说明书 3.2.33.2.3、相关标的相关标的 绿的谐波:国内谐波减速器龙头。绿的谐波:国内谐波减速器龙头。公司是国内少数可以自主研发并实现规模化生产的谐波减速器的厂商,产品广泛应用于工业机器人、服务机器人、数控机床、医疗器械、半导体生产设备、新能源装备等高端制造领域。公司通过自主创新、自主研发,发展完善了新一代谐波啮合“P 齿形”设计理论体系、新一代三次谐波技术;公司已通过 ISO9001 及 ISO14001 国际质量体系认证,并且为我国多项精密减速器领域国家标准主要起草单位。科峰智能科峰智能(未上市未上
66、市):国内:国内精密精密行星减速器龙头行星减速器龙头。公司依托于高精密齿轮加工模块化产品设计与制造、热处理等领域的技术积累,形成了精密行星减速器、工程机械用行星减速器、谐波减速器、精密零部件及其他的四大系列化产品。根据 QY Research 数据,以销售金额口径计,公司 2022 年在中国精密行星减速器市场中市占率为 12%,仅次于日本新宝。3.33.3、传感器:核心的感知部件传感器:核心的感知部件 传感器是人形传感器是人形机器人中核心的感知部件,可以类比做人的感觉器官。机器人中核心的感知部件,可以类比做人的感觉器官。传感器是能够感应各种非电量(如物理量、化学量、生物量),且按照一定的规律转
67、换成便于传输和处理的另一种物理量(一般为电量)的测量装置或器件。传感器通常由敏感元件和转换元件组成,其中敏感元件是指传感器中直接感应被测量的部分,转换元件是指传感器能将敏感元件的输出转换为适于传输和处理的电信号部分。图图 3333:机器人感觉顺序与系统结构机器人感觉顺序与系统结构 资料来源:现代机械设计手册(秦大同、谢里阳主编)人形机器人中应用最多的人形机器人中应用最多的为力矩传为力矩传感感器。器。根据传感器的作用,一般将传感器分为内部传感器和外部传感器。内部传感器(体内传感器)主要测量机器人内部系统状态;外部传感器(检测外部环境传感器)安装在机械手或移动机器人上,主要测量机器人外界周围环境。
68、按照检测方法分类,可以将传感器分为光学、机械、超声波、电阻、半导体、电容、气压等的传感器。特斯拉特斯拉 OptimusOptimus机器人中,包含了机器人中,包含了 4040 个力矩传感器和个力矩传感器和 3 3 个视觉传感器,传感器占整体价值量个视觉传感器,传感器占整体价值量的比例高达的比例高达 19%19%。表表 8 8:传传感器分类(按作用)感器分类(按作用)分类分类 传感器传感器 类型类型 内部传感器 特定位置、角度传感器 微型开关、光电开关 任意位置、角度传感器 电位器、旋转变压器、码盘、关节角传感器 速度、角速度传感器 测速发电机、码盘 加速度传感器 应变片式,同服式、压电式、电动
69、式 倾斜角传感器 液体式、垂直振子式 方位角传感器 陀螺仪、地磁传感器 外部传感器 视觉传感器 测量传感器 识别传感器 接触觉传感器 光学式(点状、线状、圆形、螺旋形、光束)光学式、声波式 单点式、分布式 触觉传感器 压觉传感器 滑觉传感器 单点式、高密度集成、分布式 点接触式、线接触式、面接触式 力觉传感器 力/力矩传感器 力和力矩传感器 组合型 单元型 接近觉传感器 接近觉传感器 距离传感器 空气式、磁场式、电场式、光学式、声波式 光学式,声波式 资料来源:现代机械设计手册(秦大同、谢里阳主编)表表 9 9:传感器分类(按检测方法):传感器分类(按检测方法)传感器传感器 检测方法检测方法
70、光学传感器 接近觉、分布触觉,视觉,角度觉 机械传感器 触觉 半导体传感器 压觉、分布触觉、力觉 电容传感器 接近觉、分布压觉 气压传感器 接近觉 高分子传感器 触觉、压觉 超声波传感器 接近觉,视觉 电阻传感器 压觉、分布触觉、力觉 生物传感器 触觉、压觉 电化学传感器 触觉、接近觉、角度觉 磁传感器 接近觉 流体传感器 角度觉 资料来源:现代机械设计手册(秦大同、谢里阳主编)3.3.13.3.1、力力/力矩传感器力矩传感器:精细感知的重要依靠精细感知的重要依靠 力力/力矩传感器是一种能感知力矩传感器是一种能感知力、力、力矩并转换成可用输出信号的传感器。力矩并转换成可用输出信号的传感器。主要
71、包括本体单元和应变/形变检测系统两部分。力/力矩传感器的核心原理是将力作用下的形变转换成电信号。当有力/力矩作用时,力/力矩施加于传感器本体单元上,并引起本体单元的应变或形变,检测系统可感知本体的应变或形变,通过电路将其转化为相应电压,通过测量电压值来表征力/力矩大小,并转换成可用输出信号,实现力/力矩的测量。图图 3434:力力/力矩传感器基本工作原理力矩传感器基本工作原理 建立力矩与电信号间的映射关系力矩作用电路将形变值转换为电信号得到所作用力矩大小弹性本体形变检测系统检测形变值 资料来源:现代机械设计手册(秦大同、谢里阳主编)按照测量原理,按照测量原理,力力/力矩传感器可以分为光电式、应
72、变式、电容式、压电式等力矩传感器可以分为光电式、应变式、电容式、压电式等多多种类型种类型。这其中,应变式力/力矩传感器是当前技术最为成熟、应用最广泛的传感器类型,具有结构简单、制作容易、价格低廉等优点。表表 1010:力力/力矩力矩传感器分类(按传感器分类(按测量原理测量原理)分类分类 原理及特点原理及特点 优点优点 缺点缺点 代表企业代表企业 应变式 通常采用的是硅应变片或金属箔,本质是材料本身发生形变进而转化为阻值变化 结构简单、价格低廉、测量精度较高 应变片容易老化、脱落,传感器易受温度影响及电磁干扰 ATI、宇立仪器、坤维科技、鑫精诚、蓝点触控、海伯森、神源生智能、Sintokogio
73、、Bota Systems AG、SCHUNK、埃力智能、ME-MeBsysteme GmbH等 电容式 电容是通过极距的变化导致电压变化,压电则是通过形变改变电荷 非接触式测量、鲁棒性好、适用于高温辐射等恶劣环境 线性度及测量精度较低、易受电磁干扰 Robotiq、Robotous、WACOH-TECH、Kistler 等 压电式 测量范围大、刚度高、无电磁干扰、动态性能良好 测量精度低、静态表现差、结构尺寸大 光电式 通过光纤、光栅反映形变,再转化成力 测量精度高、非接触式测量、无电磁干扰 结构尺寸大、价格高、多维实现困难 OnRobot、松果体、华力创等 资料来源:与人共融机器人的关节力
74、矩测量技术(刘玉旺等)、高工机器人 按照测量按照测量维度,维度,力力/力矩传感器可以分为一至力矩传感器可以分为一至六六维力维力/力矩传力矩传感器感器。一般传感器能测几个维度,就是几维传感器。一维、三维和六维力/力矩传感器最常见。对于六维力/力矩传感器而言,空间中任意方向的力 F,其作用点 P 不与传感器标定参考点重合且随机变化,这种情况下就需要选用六维力/力矩传感器来完成测量任务,同时测量 Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz 六个分量。六维力/力矩传感器的内部算法,会解耦各方向力和力矩间的干扰,使力的测量更为精准。这类传感器更适用于参考点的距离较远,且随机变化情景,测量精度要求较高。图图 35
75、35:一维、三维、一维、三维、六维力六维力/力矩传感器力矩传感器作用示意图作用示意图 资料来源:坤维科技微信公众号 力矩传感器力矩传感器当前当前的全球的全球市场规模市场规模超过超过 500500 亿元亿元。根据 Research and Markets的数据,2022 年,全球市场力矩传感器销售规模为 75 亿美元,预计 2023 年全球市场力矩传感器销售规模为 80.6 亿美元,2030 年将达到 134 亿美元,2023-2030 年的 CAGR 为 7.5%。图图 3636:全球市场力全球市场力矩传感器销售规模矩传感器销售规模 75.280.690100110120
76、023E2030E市场规模(亿美元)资料来源:Research and Markets 六维力六维力/力矩传感器步入加速增长期。力矩传感器步入加速增长期。根据 GGII 数据,2022 年中国市场六维力/力矩传感器销量 8360 套,同比增长 58%,其中机器人行业销量 4840 套,同比增长 63%。GGII 预计,到 2027 年中国市场六维力/力矩传感器销量有望突破 8.4 万套,2022-2027 年的 CAGR 超过 60%,其中机器人行业销量有望突破4.2 万套。根据 GGII 数据,2022 年中国六维力/力矩传感器市场规模 2.39 亿元,同比增长 52%
77、,其中机器人行业六维力/力矩传感器市场规模 1.56 亿元,同比增长 54%。GGII 预计,2027 年中国六维力/力矩传感器市场规模将超过15 亿元,2022-2027 年的 CAGR 超过 45%。图图 3737:20 年中国六维力年中国六维力/力矩传感器市场销量及预测力矩传感器市场销量及预测 图图 3838:20 年中国六维力年中国六维力/力矩传感器市场规模及预测力矩传感器市场规模及预测 0 000002000030000300004000040000500005000060000600007000070
78、000800008000090000900002000202020202222023E2023E2024E2024E2025E2025E2026E2026E2027E2027E机器人行业销量(套)机器人行业销量(套)非机器人行业销量(套)非机器人行业销量(套)0 0200200400400600600800800007200020202222023E2023E2024E2024E2025E2025E
79、2026E2026E2027E2027E机器人行业规模(百万元)机器人行业规模(百万元)非机器人行业规模(百万元)非机器人行业规模(百万元)资料来源:GGII 资料来源:GGII 国外企业具有先发优势,中国公司加速追赶国外企业具有先发优势,中国公司加速追赶。受益于机器人市场需求催化,中国六维力/力矩传感器市场近年来入局者逐年增加,坤维科技、鑫精诚、宇立仪器、蓝点触控等国内企业先后进入该领域,并在机器人、汽车、3C 等应用领域上占据了一席之地。ATI、SCHUNK 等海外企业作为全球龙头,积累多年,仍旧有明显的领先优势。表表 1111:各家厂商情况及性能指标对比各家厂商情况及性能指标对比 企业企
80、业 总部总部 准度准度(%FS%FS)公司简介公司简介 坤维科技坤维科技 中国 0.5%坤维科技成立于 2018 年,是一家致力于提供高精度力觉传感器(六轴力传感器)及力控解决方案的企业。公司主营智能力觉传感器的研发,制造、销售、及技术推广,开发面向机器人及其他智能装备行业的力觉传感器产品,为机器人及其它智能装备,工业过程监控,产品质量检测,科研测试测量等领域提供力觉测量解决方案及相关产品。鑫精诚鑫精诚 中国 1%-3%深圳市鑫精诚科技有限公司成立于 2009 年,公司专注于微型压力、称重、多轴力、扭力等多样化的智能传感器及控制仪表的工业级产品研发和创新,为 3C 自动化设备、精密医疗、农业、
81、新能源锂电、机器人、半导体、航空铁路、高校等领域提供力控系统解决方案与技术合作。宇立仪器宇立仪器 中国 1%-5%宇立仪器有限公司(SRI)是一家集生产、研发于一体的技术密集型企业,由原美国 FTSS(现Humanetics ATD)总工黄约博士于 2007 年创立。公司在多轴力传感器设计领域积累了近 20 年经验,在汽车行业和工业机器人领域具有较强的竞争优势。蓝点触控蓝点触控 中国 1%-2%蓝点触控(北京)科技有限成立于 2019 年,是一家专业从事高精度,高性能力传感器以及力控产品研发和生产的高新技术企业。公司在多维力传感器,关节扭矩传感器,机器人力控技术等方面拥有深厚的经验积累和技术优
82、势,现已形成了 Mrist 六维力传感器、Joint 关节扭矩传感器、力控应用软件包等多个产品系列。海伯海伯森森 中国 1%-2%海伯森技术(深圳)有限公司成立于 2015 年,公司始终专注工业传感技术的创新,并在光学精密测量,工业 2D/3D 检测,机器人智能应用等领域形成了成熟的产品矩阵,主营产品包括 3D 闪测传感器、3D 线光谱共焦传感器、点光谱共焦位移传感器、超高速工业相机和六维力传感器等。ATIATI 美国 0.5%-2%ATI 工业自动化公司是世界领先的多维力传感器制造商,自 1989 年以来,ATI 工业自动化公司一直致力于开发最先进的产品和解决方案,在世界各地得到了成千上万的
83、成功应用。公司主营业务包括机器人快速转换装置及力传感器。SCHUNKSCHUNK 德国 2%德国雄克公司(SCHUNK)创建于 1945 年,主营产品包括精密夹具和自动化抓取系统、传感器等。公司的产品主要应用于机械和自动化领域。RobotiqRobotiq 加拿大 3%Robotiq 公司成立于 2008 年,总部位于加拿大魁北克,主营产品包括机器人末端夹具、力矩传感器、机器人相机套件等。O On nRobotRobot 丹麦 3%OnRobot 是一家全球性公司,由丹麦 OnRobot、匈牙利 OptoForce 和美国 Perception Robotics 合并而成。主营产品包括机器人末
84、端夹具、力矩传感器、机器人相机套件等。SintokogioSintokogio 日本 1%-3%Sintokogio 成立于 1934 年,是一家总部位于日本的公司,主营业务分为五个部门:铸造部门生产和销售绿砂成型机、绿砂处理系统、化学粘合砂系统等;表面处理部门生产喷丸机、喷气机和喷丸机;环境设备部门生产集尘器、废气净化器、废水处理系统等;物料搬运设备部门提供剪刀式升降机、输送机等;特种设备部门为外围行业生产设备,包括机电一体化、模具和成型。该公司业务遍及全球,亚洲、北美和欧洲是其前三大市场。WACOHWACOH-TECHTECH 日本 1%-3%WACOH-TECH 成立于 2007 年,总
85、部位于日本,主营业务包括力传感器和 MEMS 传感器(加速度、陀螺仪)产品的开发、生产、销售。资料来源:GGII 3.3.23.3.2、视觉传感器:视觉传感器:进一步加强感知能力进一步加强感知能力 机器视觉机器视觉可以进一步强化人形机器人的感知能力可以进一步强化人形机器人的感知能力。目前 2D 视觉正在向 3D 视觉进行延伸。随着智能制造的不断深入,面对复杂的物件辨识和尺寸量度任务,以及人机互动所需要的复杂互动,2D 视觉在精度和距离测量方面均出现部分技术局限,市场对 3D 视觉的需求开始与日俱增。在人形机器人应用领域,3D 视觉传感器可以帮助机器人高效完成人脸识别、距离感知、避障、导航等功能
86、,使其更加智能化。机器视觉机器视觉当前的全球市场规模在当前的全球市场规模在 800800 亿元左右。亿元左右。GGII 数据显示,2021 年全球机器视觉市场规模约为 804 亿元,同比增长 12%,GGII 预计至 2025 年该市场规模将超过 1200 亿元。2022-2025 年 CAGR 约为 12%。GGII 数据显示,2021年中国机器视觉市场规模 138 亿元(该数据未包含自动化集成设备规模),同比增长 47%。其中,2D 视觉市场规模约为 127 亿元,3D 视觉市场约为 12 亿 元。根据 GGII 预测,到 2025 年我国机器视觉市场规模将达到 469 亿元,其中2D 视
87、觉市场规模将超过 360 亿元,3D 视觉市场规模将超过 100 亿元。图图 3939:20 年全球机器视觉市场规模及预测年全球机器视觉市场规模及预测 图图 4040:20 年中国机器视觉市场规模及预测年中国机器视觉市场规模及预测 378 417 536 590 663 717 804 879 990 1,119 1,276 11%10%28%10%13%8%12%9%13%13%14%0%5%10%15%20%25%30%02004006008000全球机器视觉市场规模(亿元)同比增长(右轴)1 2 3 4 6
88、 12 19 34 61 104 46 54 66 76 88 127 163 228 293 364 18%24%17%18%47%32%44%35%32%0%5%10%15%20%25%30%35%40%45%50%0500300350400200022E2023E2024E2025E3D视觉市场规模(亿元)2D视觉市场规模(亿元)增长率(右轴)资料来源:GGII 资料来源:GGII 从国内机器视觉整体市场来看,内外资品牌的竞争已开始呈现分庭抗礼的局从国内机器视觉整体市场来看,内外资品牌的竞争已开始呈现分庭抗礼的局面面。甚至
89、在某些产业链环节,国产的份额已绝对领先于外资。如镜头、光源领域,国产代表厂商 OPT、东莞 RESS、长步道等;相机领域,国产代表厂商海康机器人、华睿科技、大恒图像等。从内外资品牌份额来看,根据 GGII 数据显示,2021 年国产品牌机器视觉市场份额占比 58%,进口替代进程开始提速。图图 4141:20212021 年中国机器视觉市场内年中国机器视觉市场内外资品牌格局(按规模外资品牌格局(按规模)图图 4242:20212021 年中国机器视觉系统市场年中国机器视觉系统市场整体整体竞争格局竞争格局(按规模(按规模)图图 4343:20212021 年中国机器视觉系统市场年中国机器视觉系统市
90、场国产品牌国产品牌竞争格局(按规模竞争格局(按规模)国产,58%外资,42%海康机器人基恩士康耐视凌云光大恒图像OPT华睿科技Basler其他海康机器人凌云光大恒图像OPT华睿科技其他资料来源:GGII 资料来源:GGII 资料来源:GGII 3.3.33.3.3、相关标的相关标的 柯力传感柯力传感:应变式传感器龙头:应变式传感器龙头,积极拓展机器人传感器业务,积极拓展机器人传感器业务。公司在目前已有的微型、扭矩、多维力等高端力学传感器品类基础上,加快自主研发,积极寻求与各大机器人厂商的商务合作。根据客户的不同需求,公司已经进行了多款扭矩传感器、多维力传感器等产品的送样和试制。汉威科技汉威科技
91、:气体传感器龙头,加速气体传感器龙头,加速拓展柔性传感器业务拓展柔性传感器业务。公司柔性微纳传感器业务主要由控股子公司苏州能斯达开展,能斯达目前已形成四大核心技术、七 大产品系列,柔性微纳传感技术水平及产业化程度国内领先。柔性微纳传感器目前已在智能机器人领域有明确的应用,并与小米科技、九号科技、深圳科易机器人等积极开展业务合作。3.43.4、执行器执行器:至关重要的至关重要的“小总成小总成”执行器是执行器是由多种零部件共同组成的、将由多种零部件共同组成的、将能量转化为机器人的运动的核心部件。能量转化为机器人的运动的核心部件。执行器的基本构成包含电机、减速器、编码器、力矩传感器和轴承等部件,各个
92、零部件一起配合,共同完成机器人的运动动作。按照运动类型的不同,执行器可以分为旋转执行器和线性执行器两类。考虑到考虑到执行器执行器的的重要性以及重要性以及较较高的高的复杂度复杂度,在整个在整个人形机器人人形机器人行业的行业的产业化进程产业化进程中,拥有强大中,拥有强大生产生产能力和执行力能力和执行力的的执行器执行器 T Tierier1 1 厂商至关重要。厂商至关重要。拓普集团拓普集团:深入绑定特斯拉的汽车零部件企业,发力深入绑定特斯拉的汽车零部件企业,发力拓展执行器业务。拓展执行器业务。公司为汽车零部件平台型供应商,与特斯拉有着深入的合作,公司为特斯拉底盘、热管理等零部件的供应商。2023 年
93、 7 月,公司拆分设立机器人事业部,发力拓展机器人业务。公司在机器人执行器业务的核心优势有:(1)具备永磁伺服电机、无框电机等各类电机的自研能力;(2)具备整合电机、减速机构、控制器的经验;(3)具备精密机械加工能力;(4)具备各类研发资源及测试资源的协同能力。公司研发的机器人直线执行器和旋转执行器,已经多次向客户送样。三花智控三花智控:深入绑定特斯拉的深入绑定特斯拉的热管理龙头企业,热管理龙头企业,发力拓展发力拓展执行器执行器业务业务。公司为热管理龙头企业,是特斯拉核心的热管理解决方案供应商。在仿生机器人领域,公司聚焦机电执行器,全方面配合客户产品研发、试制、调整并最终实现量产落地;同时,同步配合客户量产目标,积极筹划机电执行器海外生产布局。新兴装备新兴装备:以伺服控制技术为核心的航空装备企业,发力拓展执行器业务以伺服控制技术为核心的航空装备企业,发力拓展执行器业务。公司为航空装备企业,产品广泛应用于直升机、固定翼飞机和无人机等领域。2023 年 5 月,公司成立全资子公司北京长兴动力机器人科技有限公司,致力于机器人业务的拓展。截至 2023 年 12 月,公司已完成第一代旋转执行器试制,正在进行第一代直线执行器试制。