本文來自大信創(chuàng)圈，作者/信小創(chuàng)。
一
風起人形機器人，多方勢力入局
1.1復盤工業(yè)機器人：場景適用性+降本是提升滲透率的關鍵
傳統(tǒng)機器人按照使用類型和應用場景的不同，主要分為三類：
1）工業(yè)機器人：工業(yè)機器人指面向工業(yè)領域的多關節(jié)機械手或多自由度機器人，在工業(yè)生產(chǎn)加工過程中通過自動控制來代替人類執(zhí)行某些單調、頻繁和重復的長時間作業(yè)，主要包括焊接機器人、搬運機器人、碼垛機器人、包裝機器人、噴涂機器人、切割機器人和凈室機器人。工業(yè)機器人在機械結構上有類似人類的行走、扭腰、大臂、小臂、手腕、爪子等部件，由計算機控制。工業(yè)機器人廣泛應用于電子、物流、化工等工業(yè)領域。
2）服務機器人：指在非結構環(huán)境下為人類提供必要服務的多種高技術集成的先進機器人，主要包括家用服務機器人、醫(yī)療服務機器人和公共服務機器人。其中，公共服務機器人指在農業(yè)、金融、物流、教育等除醫(yī)學領域外的公共場合為人類提供一般服務的機器人。
3）特種機器人：特種機器人指代替人類從事高危環(huán)境和特殊工況的機器人，主要包括軍事應用機器人、極限作業(yè)機器人和應急救援機器人。應用于專業(yè)領域，一般由受過專門培訓的人員操作或使用，輔助機器人或代替人執(zhí)行任務的機器人。
軟硬件技術為機器人發(fā)展提供堅實基礎，整體機器人市場規(guī)模呈現(xiàn)逐年提升趨勢。隨著互聯(lián)網(wǎng)、計算機技術不斷發(fā)展，機器人逐漸從機械自動化向人工智能化方向前進，機器人技術逐漸成熟，應用領域不斷擴展，不斷提升工業(yè)等場景自動化水平和智能化水平，機器人市場規(guī)模呈現(xiàn)上升趨勢。1）工業(yè)機器人方面，隨著國產(chǎn)工業(yè)機器人的發(fā)展，國內機器人逐步滲透到以往自動化水平較低的領域，不斷提升我國制造業(yè)自動化水平；2）服務機器人方面，隨著國內互聯(lián)網(wǎng)等企業(yè)的入局，應用市場逐步多元化，如智能配送、家庭機器人、AI教育等。從市場規(guī)模來看，全球工業(yè)機器人市場規(guī)模呈現(xiàn)穩(wěn)步增長趨勢，2021年市場規(guī)模為175億美元，IFR預計2024年全球工業(yè)機器人市場規(guī)模有望達到230億美元；服務機器人整體保持較高速增長，2021年市場規(guī)模為172億美元，IFR預計2024年全球工業(yè)機器人市場規(guī)模有望達到290億美元；特種機器人方面，2021年市場規(guī)模為82億美元，IFR預計2024年全球特種機器人市場規(guī)模有望達到140億美元。
從競爭格局來看和下游市場來看：
1）工業(yè)機器人：參考MIR睿工業(yè)數(shù)據(jù)，海外企業(yè)在工業(yè)機器人方面積淀依然深厚，海外機器人企業(yè)依然在我國占據(jù)較大市場份額。我們機器人企業(yè)技術不斷追趕海外企業(yè)，國內工業(yè)機器人市占率逐漸提升，2023Q1國內工業(yè)機器人市占率提升至40.8%，相比2022Q1提升約3.6pct。從應用場景來看，新能源汽車、動力電池、醫(yī)療增速相對較快，是拉動市場增長的主要應用場景。
2)服務機器人：服務機器人方面，下游細分場景較多，如商用服務機器人這塊細分產(chǎn)品包括有送餐、配送、迎賓、消殺，清潔類機器人等，整體競爭格局較為分散。
國內工業(yè)機器人發(fā)展復盤：場景適用性+成本是影響應用的重要因素
我們認為以下兩個因素是影響機器人落地和滲透提升的關鍵：1）場景適用性，機器人本身的感知能力，思考決策能力和執(zhí)行能力決定了潛在的應用場景；2）成本，成本是決定機器人滲透的關鍵，若場景應用成本過高則相應場景難以應用機器人。
協(xié)作機器人提升了機器人場景適用性+降低成本，加速工業(yè)機器人滲透。
協(xié)作機器人是工業(yè)機器人的分支之一，相比傳統(tǒng)工業(yè)機器人，協(xié)作機器人追求輕量化、柔性及安全協(xié)作性。2008年第一臺輕量化、小型化、人機協(xié)作的六關節(jié)協(xié)作機器人誕生，但2018年以前市場規(guī)模相對較小。在5G通信、大數(shù)據(jù)、云計算、智能物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等為技術支撐的背景下，協(xié)作機器人潛在場景逐步提升，滲透率逐步提升，市場規(guī)模逐步擴大。協(xié)作機器人擴展了應用場景、降低了應用成本：1）協(xié)作機器人逐漸打破了傳統(tǒng)工業(yè)場景的局限，在機器人產(chǎn)品與工人之間無需設置隔離欄進行分離，雙方能夠在共同空間中進行近距離交互，進行人機協(xié)作，同時較容易編程，擴展了應用場景；2）價格上，傳統(tǒng)工業(yè)機器人的價格一般位于10萬~40萬人民幣之間，使用壽命為5~8年，而要將其應用到生產(chǎn)線上，那將要多出2~3倍的部署花費，而協(xié)作機器人的價格一般介于2~3萬美元，但因為省去了部署的過程，應用成本有所降低，從而提升了工業(yè)機器人在工廠等場景的滲透率。
我們僅計算家庭、安保場景和部分發(fā)達國家職位缺口場景下的潛在市場空間，這些潛在市場規(guī)模為2231億美元（價格以2萬美元單臺測算），市場規(guī)模超過萬億人民幣：1）假設僅計算家庭、安保、部分發(fā)達國家替代工廠職位缺口需求；2）家庭方面，目前掃地等服務機器人滲透率較高，應用場景相對較容易實現(xiàn)，因此假設滲透率達到10%；3）安保領域，由于安保領域主要應用場景是監(jiān)控和巡視，相較工廠場景實現(xiàn)較為容易，考慮發(fā)達國家人力成本較高，假設滲透率達到15%；4）替代發(fā)達國家工廠缺口，考慮目前工廠缺口人數(shù)，由于工廠環(huán)境較為復雜，初始從搬運等簡單環(huán)節(jié)的需求滲透，因此假設滲透率為5%。
短期來看，制約人形機器人應用的主要是：運控能力需要提升，高技術+高成本+應用場景為主要痛點
1）運控能力為核心，技術要求高，需要提升機器人感知+思考+執(zhí)行能力。機器人目前技術較為復雜，涉及軟硬融合等技術，對運控技術要求較高。以優(yōu)必選機器人為例，需要機器人本體技術、人工智能技術，手眼協(xié)調、人機交互、SLAM與導航等融合技術，技術門檻較高。分開來看，機器人本體相關技術包括高性能的伺服驅動器、機器人傳動、運動規(guī)劃與控制算法等方面；人工智能方面，包括視覺算法和語音能力、人機交互能力、以及對環(huán)境的理解能力；在底層技術方面，包括操作系統(tǒng)等方面。我們認為，短期來看，運動控制軟件與硬件之間的復合能力是人形機器人核心痛點，如目前展示的部分機器人存在動作僵硬等情況，未來隨著AI深度強化學習、仿真+AI大模型的應用，運動能力、步態(tài)控制等有望優(yōu)化。
2）成本高，人形機器人技術包括步態(tài)規(guī)劃、人機交互、手眼協(xié)調、視覺與導航等多方面技術，高技術情況下，人形機器人成本較高。
3）產(chǎn)業(yè)鏈處于初期階段，由于整體人形機器人產(chǎn)業(yè)處于初期階段，且價格相對較高，因此應用場景不太明確。我們認為隨著人形機器人功能穩(wěn)定性、操作簡易性、交付和維護、價格方面等痛點逐步解決，商業(yè)化有望到來。
二
AI賦能+特斯拉入局，人形機器人產(chǎn)業(yè)化有望加速
2.1特斯拉入局，開啟藍海新賽道
特斯拉入局，人形機器人遠期市場空間大。2021年特斯拉首次公布人形機器人項目，2022年特斯拉正式公布首款人形機器人原型，展示了Optimus搬運箱子、為植物澆水、在汽車工廠中移動金屬棒等可能應用場景，人形機器人迭代升級速度較快。2023年5月，特斯拉CEO埃隆·馬斯克在大會現(xiàn)場介紹了特斯拉人形機器人Optimus的全新型號，展示了人形機器人抓取物體的能力，運控能力進一步提升，人形機器人已經(jīng)擁有電機扭矩控制、環(huán)境探索與記憶、基于人類跟蹤運動的AI訓練以及物體操縱能力。我們認為，從最開始提出人形機器人概念，到原型，再到擁有一定抓握能力和操縱能力，特斯拉在人形機器人領域迭代迅速，未來產(chǎn)業(yè)化有望加速。
AI賦能，人形機器人產(chǎn)業(yè)化有望加速。OpenAI的GPT出現(xiàn)有望推動AI感知現(xiàn)實世界，并與現(xiàn)實世界進行交互，進而推動大模型在物理世界應用。目前來看，大模型在人形機器人的行動中有望扮演推理決策的角色，將人類的自然語言轉化為機器人可執(zhí)行的步驟，從而補全機器人核心的推理決策能力，推動機器人走向通用之路。
參考微軟Autonomous Systems and Robotics Group將大模型結合實際機器人的案例：研究者使用ChatGPT生成機器人的高層控制代碼，從而通過自然語言和ChatGPT交流，使用ChatGPT來控制機械臂、無人機、移動機器人等機器人，他們在沒用任何微調的情況下，利用大語言模型去控制機器人完成各種任務。我們認為，AI具有快速學習訓練和迭代的能力，通過學習理解人類語言，提升人形機器人的智能化水平，使機器對人的意圖、對環(huán)境的理解進一步加深，最終推動人形機器人產(chǎn)業(yè)化。
特斯拉產(chǎn)業(yè)鏈共用+規(guī)模化降本能力，有望加速人形機器人落地。
1）特拉斯在新能源汽車端積累了大量配套產(chǎn)業(yè)鏈資源，而電動汽車與人形機器人產(chǎn)業(yè)鏈有共通之處，如電池、電機、電控、芯片、攝像頭、傳感器等多種零部件，我們看好特斯拉產(chǎn)業(yè)鏈遷移能力。
2）特斯拉規(guī)?；当灸芰Γ?/strong>以特斯拉電車為例，從2017-2022年，特拉斯汽車單車價格降幅明顯，而公司凈利率不斷提升，這反應了特斯拉較強的規(guī)?；当灸芰Α?/p> 3）特斯拉AI領域和芯片方面的積淀：2022年Tesla AI DAY中，特斯拉展示了Dojo的單個訓練模塊由25個特斯拉自主研發(fā)的神經(jīng)網(wǎng)絡訓練芯片——DI芯片組成。DI芯片則由臺積電制造，采用7nm工藝，擁有500億個晶體管。實際應用中，特斯拉將以120個訓練模塊組裝成ExaPOD，每個ExaPOD內置3000個DI芯片，擁有超過100萬個訓練節(jié)點，算力達到1.1EFLOP*（每秒千萬億次浮點運算）。此外，特斯拉自身自動駕駛領域積淀的感知方面算法也有望移植人形機器人，加快其產(chǎn)業(yè)化進程。 特斯拉Optimus方案成本較低，量產(chǎn)可能性較大。 驅動方案：采用電機驅動 機器人一般采用液壓驅動或者電機驅動方案，相比液壓驅動，電機驅動方案性價比高：1）Atlas選擇液壓驅動方案，Atlas可以像運動員一樣奔跑、翻轉、跳躍和騰空，并能夠快速越過具有一定傾斜度的障礙。Atlas擁有世界上最緊湊的移動液壓系統(tǒng)之一，其核心原理是通過液體壓縮泵產(chǎn)生高壓液體，高壓強作用于缸體產(chǎn)生巨大推力，帶動機器人關節(jié)運動。但缺點是噪音大、易漏液、對污染敏感、對液壓元件的精度質量要求高、對維護團隊要求高等，導致制造成本居高不下，難以走出實驗室、走向商業(yè)化；2）特斯拉Optimus選用了穩(wěn)定性、性價比更高的電機驅動方案，更加注重實用性，量產(chǎn)可能性較高。 軀干和手部是機器人主要活動關節(jié)，從特斯拉Optimus機器人硬件來看： 1）軀干：特斯拉Optimus共有28個運動關節(jié)，包括三種旋轉執(zhí)行器和三種線性執(zhí)行器：其中旋轉關節(jié)采用電機+傳感器+諧波減速器的方案；而線性關節(jié)采用電機+絲杠+傳感器（從形態(tài)上，我們推測是無框電機）。 2）手部：特斯拉機器人靈巧手采取了折中的方案，使用較為經(jīng)典的六電機驅動方式，拇指采用雙電機驅動彎曲和側擺，其它四指各用一個電機帶動，電機采用蝸桿傳動機構。從數(shù)量來看，共12個驅動，手指部分我們推測是空心杯電機+驅動裝置+傳動裝置構成。 三 國產(chǎn)零部件產(chǎn)業(yè)鏈有望受益 3.1電機：核心零部件構成之一 3.1.1空心杯電機：海外積淀深厚，國產(chǎn)廠商有望突破 空心杯電動機屬于直流永磁的伺服、控制電動機，也可以將其歸類為微特電機?？招谋姍C主要由后蓋、接線端子、電刷端蓋、電刷、換向器、杯形繞組（轉子）、轉軸、墊圈、滑動軸承、外殼、磁鐵（定子）、法蘭、定位環(huán)組成。定子由永磁體、殼體、法蘭組成。外殼提供了恒定的磁場，使電機無鐵損耗。沒有軟磁性牙齒。所產(chǎn)生的轉矩是均勻的，即使在低速情況下也能運行平穩(wěn)。在較高的速度下，電機能減少振動，減少噪音。 分類方面，空心杯電機可以分為有刷和無刷兩種，有刷空心杯電機轉子無鐵芯，無刷空心杯電機定子無鐵芯： 1）有刷空心杯電機：空心杯直流有刷微電機采用機械換向，磁極不動，線圈旋轉。電機工作時，線圈和換向器旋轉，磁鋼和碳刷不轉，線圈電流方向的交替變化是隨電機轉動的換向器和電刷來完成的。在轉動的過程中會摩擦碳刷，造成損耗，需要定期更換碳刷。碳刷與線圈接線頭之間通斷交替，會發(fā)生電火花，產(chǎn)生電磁破，干擾電子設備。 2）無刷空心杯電機：無刷空心杯直流電機采取電子換向，線圈不動，磁極旋轉。無刷空心杯直流電機，是使用一套電子設備，通過霍爾元件，感知永磁體磁極的位置，根據(jù)這種感知，使用電子線路，適時切換線圈中電流的方向，保證產(chǎn)生正確方向的磁力，來驅動電機。因為是自控式運行的，所以不會像變頻調速下重載啟動的同步電機那樣在轉子上另加啟動繞組，也不會在負載突變時產(chǎn)生振蕩和失步。 相比普通電機，空心杯電機具有能量轉換效率較高，起動、制動迅速，響應較快和運行穩(wěn)定性可靠，轉速的波動較小等優(yōu)勢，因此適合需要快速響應的系統(tǒng)，如導彈飛行方向快速調節(jié)，高倍率光驅的隨動控制，快速自動調焦，高靈敏的記錄和檢測設備，工業(yè)機器人，仿生義肢等。在特斯拉人形機器人中，空心杯電機可以運用在手部，從而滿足手部運動的快速響應需求。 海外廠商如瑞士的MAXON、德國Faulhaber等企業(yè)深耕行業(yè)多年，行業(yè)地位較高。國內企業(yè)相較海外廠商仍存在一定的技術差距，未來潛在發(fā)展空間大，主要原因是：1）相比普通電機，空心杯電機由于少了鐵芯支撐，對線圈要求較高；2）國內廠商更注重成本控制，缺乏對高端技術的投入，導致技術水平相對滯后，同時在減速器等機械件上依然在追趕海外企業(yè)。我們認為，在高端微型電機上，國內企業(yè)與海外依然存在差距，但以鳴志電器、江蘇雷利為主的國內企業(yè)也在不斷進步，依托國產(chǎn)企業(yè)降本能力，有望在這塊市場取得相應進展。 3.1.2無框電機：國產(chǎn)企業(yè)有望憑借性價比優(yōu)勢加速突破 無框電機可以將定轉子部件直接裝配在機器中，便于終端產(chǎn)品的高度集成化，縮小體積。無框架電機是傳統(tǒng)電機中用于產(chǎn)生扭矩和速度的部分，但沒有軸、軸承、外殼或端蓋。無框電機只有兩個部件：轉子和定子。轉子通常是內部部件，由帶永磁體的旋轉鋼圓環(huán)組件構成，直接安裝在機器軸上。定子是外部部件，齒輪外部環(huán)繞鋼片和銅繞組，以產(chǎn)生緊密攀附在機器殼體內的電磁力。 無框電機通常安裝在先進的機器中，具有結構緊湊、易于維護等優(yōu)勢，可以提升機器性能。 無框電機可以運用在多種機器人和自動化領域，包括機器人、醫(yī)藥、機床、包裝、印刷、加工和通用自動化。在人形機器人領域，無框電機也有望發(fā)揮自身結構緊湊、性能較高的優(yōu)勢，在機器人四肢等領域應用。 在市場格局方面，Kollmorgen，Moog，Maxon Motor，BEI Kimco，Woodward和Shinano Kenshi等企業(yè)在市場占據(jù)優(yōu)勢地位，國產(chǎn)廠商如步科股份有望借助國產(chǎn)產(chǎn)業(yè)鏈成本優(yōu)勢，在市場份額上取得突破。 3.2減速器：人形機器人有望帶動諧波減速器市場規(guī)模提升 減速器是連接動力源和執(zhí)行機構的中間機構，具有匹配轉速和傳遞轉矩的作用。按照控制精度劃分，減速器可分為一般傳動減速器和精密減速器。一般傳動減速器控制精度低，可滿足機械設備基本的動力傳動需求。精密減速器回程間隙小、精度較高、使用壽命長，更加可靠穩(wěn)定，應用于機器人、數(shù)控機床等高端領域。精密減速器種類較多，主流的包括諧波減速器、RV減速器等。 減速器主要分為諧波減速器、RV減速器，諧波減速器具有小體積、低負載、高精度等特性，更適合于人形機器人應用。 諧波減速器： 1）構成：諧波齒輪減速器是一種靠波發(fā)生器使柔輪產(chǎn)生可控的彈性變形波，通過其與剛輪的相互作用，實現(xiàn)運動和動力傳遞的傳動裝置，其構造主要由帶有內齒圈的剛性齒輪（剛輪）、帶有外齒圈的柔性齒輪（柔輪）、波發(fā)生器三個基本構件組成。 2）運行原理：諧波傳動技術突破了機械傳動采用剛性構件的模式，使用了一個柔性構件來實現(xiàn)機械傳動，其工作原理通常采用波發(fā)生器主動、剛輪固定、柔輪輸出形式，當波發(fā)生器裝入柔輪內圓時，迫使柔輪產(chǎn)生彈性變形而呈橢圓狀，使其長軸處柔輪齒輪插入剛輪的輪齒槽內，成為完全嚙合狀態(tài)；而其短軸處兩輪輪齒完全不接觸，處于脫開狀態(tài)，當波發(fā)生器連續(xù)轉動時，迫使柔輪不斷產(chǎn)生變形并產(chǎn)生了錯齒運動，從而實現(xiàn)波發(fā)生器與柔輪的運動傳遞。 機器人為實現(xiàn)多自由度，其各個部位的控制均需在關節(jié)處搭載電機，故電機數(shù)量較傳統(tǒng)工業(yè)機械人有大幅提升。類比工業(yè)機器人，“電機+減速器”的集成逐漸成為移動機器人需要大角度旋轉的關節(jié)（以下簡稱“旋轉關節(jié)”）的主要動力組合。隨著移動機器人部分關節(jié)因體積、重量等邊界條件限制，需要采用輕量化的技術路徑，諧波減速器憑借體積小、質量小、減速比大、扭矩密度較高、軸向尺寸小等特點以及能在密閉空間、介質輻射的工況下正常工作等優(yōu)點，“無框電機+雙編碼器+力矩傳感器+諧波減速器”這類方案得到越來越多的應用。 市場規(guī)模方面，參考QYResearch《全球精密減速器市場、結果和預測(2017-2028)》，2022年全球精密減速器市場規(guī)模為28.3億美元，預計2028年將增長至40.4億美元。精密減速器制造對材料、設備、工藝等多個環(huán)節(jié)都有嚴格要求，具有明顯的投資門檻高、技術難度大等特點，行業(yè)壁壘高。競爭方面，日系品牌納博特斯克、哈默納科及日本住友占據(jù)主導地位。而我國諧波減速器方面起步較晚，國內廠商如綠的諧波在減速比、輸出轉速、傳動精度等方面已經(jīng)較國外有明顯的差距收斂，未來市場份額有望提升。 3.3絲杠：國產(chǎn)企業(yè)發(fā)展空間大 絲桿主要功能是將旋轉運動轉換成線性運動，或將扭矩轉換成軸向反復作用力，同時兼具高精度、可逆性和高效率的特點，所以其在精度、強度及耐磨性等方面都有很高的要求。特斯拉人形機器人上應用行星滾柱絲杠將旋轉運動轉化為直線運動，主要使用在線性關節(jié)上。相比傳統(tǒng)絲杠，在性能上，行星滾柱絲杠憑借其在功率密度、速度、加速度、剛度等性能上的顯著優(yōu)勢，在航空航天、船舶裝備、工業(yè)自動化、精密機床等領域有著廣闊的應用前景。 市場方面，絲杠產(chǎn)品主要以海外為主，以滾珠絲杠為例，2021年全球主要的滾珠絲桿廠商有NSK、THK、SKF等，CR5市占率達到約46%，其中主要來自歐洲和日本，日本和歐洲滾珠絲桿企業(yè)占據(jù)了全球約70%的市場份額。而行星滾柱絲杠由于技術門檻更高，核心技術一直被歐美少數(shù)幾家廠商壟斷。 國產(chǎn)化方面，江蘇雷利（其控股子公司鼎智科技）經(jīng)過多年研究，已經(jīng)形成了自有絲桿生產(chǎn)體系，產(chǎn)品質量對標美國Roton公司，可以實現(xiàn)全過程完全國產(chǎn)化，鼎智主要產(chǎn)品中，絲桿步進電機已經(jīng)形成了自有絲桿生產(chǎn)體系，產(chǎn)品質量逐步提升，并開始在國內IVD醫(yī)療器械領域進行替代，隨著公司產(chǎn)品技術的進一步成熟以及在醫(yī)療器械領域的進一步滲透，公司絲桿產(chǎn)品有望在更大市場得到充分推廣，擁抱更大成長藍海。
