人形机器人行业专题报告：核心零部件的野望隐形冠军的摇篮

  人形机器人产品研制逐步推进，功能日趋完善。2021年8月特斯拉首次公开Optimus 机器人计划，并采用真人舞台表演的方式表达设计概念；2022年9月，一款人形机器 人原型公开亮相，并能够在舞台上表演、走动；2023年5月，根据特斯拉官网所发布 的视频，能够正常的看到多个人形机器人能够同步或单独执行任务，新变化包括： （1）身体能力：机器人身体能力逐步健全，例如行走、抓取物体、感应较软的物体 以及使用电机扭矩控制施加有限的力； （2）视觉能力：机器人具备特斯拉视觉AI，能发现并记忆旁边的环境，特斯拉机器 人和汽车均连接到同一个神经网络，并安装了相同的完全无人驾驶系统（FSD）； （3）同步控制：特斯拉能够同时控制多个机器人，连接到同一个神经网络（NN）， 并可以同步执行任务，为之后产业化应用奠定基础。

  预计未来人形机器人将凭借其性能优势在工业、生活等各领域高速渗透。根据高盛、 Payscale数据，特斯拉工厂工人的平均时薪为23.75美元，每日工作8小时，假设25- 26年人形机器人能满足工厂作业需求，其每日工作20小时（其余时间为充电、维护）， 约2年便可回收投资所需成本，具备商业可行性。 高盛中性估计未来人形机器人市场约60亿美金，而最为乐观估计下市场超千亿美金。 根据高盛预测，在中性假设下，人形机器人到2030年将填补美国制造业劳动缺口的4%，到2035年添补全球养老需求缺口的2%，预计未来10-15年内，人形机器人市场 规模将达60亿美元；而在最为乐观情景下，若人形机器人完全克服产品设计、价格、 技术、公众接受等一系列障碍得到全面普及，2035年市场规模高达1540亿美元，接 近2021年全球电动汽车市场。目前，人形机器人仍处在产品研制阶段，产业化应用 仍任重道远。

  根据我们测算，人形机器人潜在市场空间约百亿美元。假设人形机器人在美国物流 运输、看护照料、危险作业场所率先替人。根据U.S. News，美国2021年最低工资10 美元/小时左右，以每日8小时和250天工作日计算各岗位的年薪，对于危险岗位假设给3倍左右溢价。结合wind的美国劳工局的就业人数进行估计，考虑了我们上述预测 的机器换人替代率，预计美国未来这块潜在的市场可达数百亿美元。 综上所述，人形机器人虽然仍处在研发阶段，未来产业化仍具有不确定性，但市场 潜力大。若顺利产业化并有效推广，市场空间从百亿到千亿美金不等。

  人形机器人包括硬件层和软件层两大类。其中软件层配有特斯拉AI，为特斯拉汽车 FSD算法的横向迁移；硬件包括控制、感知、运动、动力模块等。我们大家都认为，特斯拉 在顶层数据和开发上实现逐步突破，自研核心软件层，而打开下游硬件及其产业链 发展机会。

  （1）控制模块：机器人的中央处理器在躯干中，是其无人驾驶相关的硬件和软件的 横向迁移。机器人控制管理系统能处理人脑所能处理的大部分功能，例如处理视觉数据、 做多元决策、感官感知和通信等，同时能支持WiFi通信和音频。

  （2）感知模块：外部传感器和内部传感器两大类。以视觉为代表的外部传感器迁移 自汽车FSD，二者基于相同的神经网络的大数据，目前特斯拉已完成了横跨美国绝 大多数道路的数据采集，有助于帮助机器人实现更复杂“无人驾驶”快速落地；内部 传感器包括位置、力矩、力量等，主要集成于一体化关节中。

  （3）运动模块：包括驱动装置、执行装置、传动装置等。特斯拉将机器人的运动模 块和部分感知模块整合为一体化关节，包括转动、直线关节两大类。人形机器人共有40个执行器，其中身体28个，手部12个。

  （4）动力模块：电池内置于躯干中间，容量为2.3kwh。机器人蹲坐、行走的功率分 别约100W、500W，电池的电量可以待机约20h，相当于一天的工作。所有的电子元器 件全部集成到电池包的PCB中，能够实现传感、充放电、管理等多功能。同时特斯 拉将汽车电池关键技术迁移至机器人，能做到使用高效、温控简单、安全管理，并 能做到供应链的横向迁移。

  （5）散热和总装：包括机器人热管理、骨架和结构设计、装配等。 综上所述，我们大家都认为，人形机器人控制模块、外部传感器与软件层、特斯拉汽车FSD 关联度较大，更多依靠产品自研和海外供应商；动力模块中电池的容量远小于新能 源汽车（机器人电池2.5kwh，对比Model Y标准版55kwh），产业链弹性不大；一体 化关节为非核心部件，机器人公司倾向于外购，且中国制造业的崛起带动了本土以 绿的谐波、鸣志电器、汇川技术为代表的工业自动化企业未来的发展，全球竞争实力提升， 因此产业化早期着重关注一体化关节领域的投资机会。

  一体化关节模块约占整体成本的50%。根据Ofweek机器人网，工业机器人运动模块 （伺服电机+减速器）约占整体成本的47%；人形机器人相比于传统工业机器人关节 数量更多，但是感知、控制难度也更大，我们预计一体化关节约占机器人总成本的 50%.

  人形机器人关节采用仿生设计，单关节效用高。以膝关节为例，特斯拉参考人体膝 盖结构，将线性连接变成了仿生的四杆连接方式，从而增加了关节的柔性，适用于 更多场景并降低受力。同时，特斯拉选取多个场景对机器人进行工作模拟，计算每 一个关节在每一种场景下的投入产出并抽象为一个点，求解数十万个点的帕累托最 优便得到了能够完全满足多使用场景的关节选型。 6类执行器复用实现身体28个自由度。机器人关节需要完成Pitch（绕X轴旋转）、Yaw （绕X轴旋转）、Roll（绕Z轴旋转）等不同动作，特斯拉通过关节优化选型做到复 用，3类旋转和3类直线个自由度，其中旋转、直线个。

  按照执行器的运动方法不一样，分为转动和直线执行器。转动执行器用于联接各运动 机构，同时传递各机构间的回转运动，由无框力矩电机+谐波减速器+离合器+位置/ 扭矩传感器+轴承等组成，大多数都用在机器人的肩部、腕部、臀部和躯干。直线执行器 在垂直方向上具有刚度，可类别于人的肌肉，主要传递伸缩运动，主要由无框力矩 电机+倒置式行星滚柱丝杠+位置/力传感器+轴承等组成，大多数都用在机器人的膝盖、 脚踝、肘部、臀部、腕部。 因此，身体部分所用的零部件包括驱动/执行装置无框力矩电机，传动装置谐波减速 器、行星滚柱丝杠、各类轴承等，以及位置、力矩、力量传感器。

  机器人双手采用人体工程学设计，对物体抓取来优化。灵巧手之上配有传感器， 能够识别抓取的物体，并实时感知手所处的空间位置，抓住细小而精致的物体。同 时，灵巧手具有“自适应性（Adaptive grasp）”和“非反向驱动能力（Non-backdrivable fingers）”，可以自适应所抓取的物体并在不开启马达的情况下抓住和运输物体。 特斯拉灵巧手单手共有11个自由度和6个执行器。灵巧手单手共有11个自由度，包括 6个主动自由度和5个被动自由度，其中主动自由度大拇指有两个（摆动+弯曲），其 余4个手指各有1个。手指的主动自由度由执行器实现，其驱动/执行装置为空心杯电 机，传动装置为精密齿轮，并配有多种传感器等。

  根据我们测算，人形机器人一体化关节中高价值环节有无框力矩电机、空心杯电机、 谐波减速器和行星滚柱丝杠，此类产品侧重标准化，且部分产品在国内工业机器人 等行业运用相对成熟；而轴承和传感器领域所涉及的产品品种类型较多、均价偏低，各 供应商所侧重细致划分领域有所差异，对国内企业的采购集中度可能不大。

  电机品种繁多，普遍有两种分类方式，按照控制方式分类和按照驱动方式分类。 控制方式分类：包括伺服电机、步进电机和力矩电机，伺服电机采用闭环/半闭环控 制、控制精度高、高低速切换流畅、成本比较高；步进电机将脉冲信号直接转化为角动 量，步距角恒定，精度弱于伺服但结构相对比较简单成本低。 按照驱动方式分类：分为直流电机和交流电机，其中交流电机按照转子和定子转动 是否同步可大致分为同步电机和异步电机（感应电机），同步电机通过转子磁场和定 子磁场之间的“互锁”来运行。而异步电机的工作原理是“电磁感应”，定子旋转变 化的磁场在转子中感应出电流，此电流在磁场中受力，带动转子转动。

  人形机器人涉及的电机产品有无框力矩电机和空心杯电机等。 力矩电机是一种多级对、无机壳的直驱电机，扭矩增强且结构紧凑。相较于普通电 机主要规格为功率，力矩电机的规格和选型主要根据扭矩，力矩电机极对数多， 在电机低速甚至堵转时仍能持续运转并提供稳定的力矩给负载；同时，力矩电机为 直驱电机，负载直接连接转子，不需要任何传动件，减少摩擦损耗，结构紧密相连；除此 之外，力矩电机为无框架式永磁电机，没有机壳，只有定子和转子两个部件，中空孔 大，方便走线。目前，无框力矩电机主要用在协作机器人等领域。 空心杯电机是微特电机的一种，无铁芯转子，重量轻且效率高。空心杯电机在结构 上突破了传统电机的转子结构及形式，采用的是无铁芯转子，也叫空心杯型转子。这种新颖的转子结构彻底消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗。因没有铁损， 所以它的效率要比普通的微型直流电机要高；同时，由于转子重量大幅度降低，所以 转动惯性减小，相比传统铁芯电机，大扭矩急加速急减速性能突出；另外，空心杯电 机还具有体积小、可控性高、噪音小等优点。因此，空心杯电机主要用在需要快速 响应（如军工、检测）和对重量和能耗要求较高（如无人机、机器人）等领域。

  国内无框力矩电机主要玩家有步科股份、昊志机电。其中步科股份无框力矩电机产 品形成完整的系列化的产品线，收入达到百万级；昊志机电产品已经大范围的应用于协 作机器人和轻型机器人领域。 空心杯电机主要玩家为鸣志电器、江苏雷利、伟创电气。其中鸣志电器为运动控制 领域优质的出口企业，空心杯电机畅销国内外；江苏雷利和鼎智科技的空心杯电机 为共同研发生产，产品大范围的应用于军工、半导体、医疗等领域，同时当前多款样品处 在测试阶段。 汇川技术和禾川科技为国内伺服产品主要供应商。其中汇川技术具备工控和工业机 器人双重业务优势，并持续研发提高直驱电机竞争力；禾川科技的无框力矩直驱电 机大范围的应用于工业机器人、激光等领域。

  减速机是机器人的核心精密零部件之一，技术壁垒高。减速机的主要工作原理为通 过物理运动装置实现对原动机的减速增矩，是影响机器人性能的核心因素，在高精 度场景中尚未存在替代方案，技术壁垒较高。同时，研发投入和固定资产投入都较 高，绿的谐波从研发到成品花了10年的时间，初始投入大（依据招股书披露，其磨 床原价约200万元，滚齿300万元），是典型的高壁垒的行业。 机器人用减速器主要有谐波、RV、行星齿轮减速器等。一般来说，机器人的每 个关节都需要配置一台减速器，减速器的选型需要考虑体积、减速比、扭矩 和价格等方面因素，不同的机器人有不同数量的关节，而且负载不同，所用的减 速器也不同。一般而言，重载的关节多使用RV减速器，轻载关节一般用谐波减 速器。

  国内谐波和RV减速器大多数都用在工业机器人领域，市场持续扩容。根据MIR数据，受 益下游工业机器人等行业高景气，国内谐波和RV减速器销量有19年的54.3万台增长 至22年的126.3万台，期间CAGR为32.5%，预计23-25年将继续以16.8%的CAGR增 长超过200万台；结构性看，工业机器人为减速器第一大应用领域，22年占比为79.7%。 竞争格局角度，国产品牌以具备一定话语权。国内生产工业机器人减速器的企业数 量逐渐增多，且技术在逐步提升，部分厂商已经实现量产并逐步推向市场，在精密 减速器国产化的道路上进步明显。22年，绿的谐波在谐波减速器领域的中国市占率 为40%，位列第一位，相较于17年提升5pct，在国内市场已具有一席之地。

  绿的谐波为国内谐波减速器龙头，市占率达40%，同时生产销售无框力矩电机等机 电一体化产品。23年4月绿的谐波与三花智控签署了框架协议，双方同意在三花墨西 哥工业园共同设立合资企业，绿的谐波有望借助三花的渠道和客户优势加速出海， 具备打入人形机器人供应链的潜力。 中大力德、国茂股份等企业在各自减速机细致划分领域也较为领先。其中中大力德产品 线齐全，包括RV、谐波、精密行星减速器等；国茂股份摆线针轮减速器实力强，且 子公司国茂精密也切入谐波减速器领域。

  丝杆的基本功能是将旋转运动转换成线性运动，最重要的包含滑动丝杠、滚柱丝杠、行 星滚柱丝杠等产品。滑动丝杆是滑动摩擦，结构相对比较简单但精度差，传动效率25%-50%， 大多数都用在电梯、汽车等各领域；滚珠丝杠是滚动摩擦，高效率、高精度、高速，但价 格高。滚动摩擦的摩擦系数远远低于滑动摩擦系数，滚珠丝杆的传动效率大约在 90%-99%；行星滚柱丝杆在周围行星布置了6-12个螺纹滚柱，接触面的增加使承载 能力和刚性大幅度的提升，且丝杠轴是小导程角的非圆弧螺纹，有利于达到较高的导程 精度，具有高承载、耐冲击、高精度、体积小等特点。 行星滚柱丝杠因其较小的体积空间使用，高效精准的大推力输出，以及耐用稳定的 性能等特点正被愈来愈普遍的应用在工业领域，对滚珠丝杠、液压驱动等技术路线 形成有效替代，在机器人、自动化、数字控制机床、医疗器械、汽车、石油天然气等领域 的应用正逐渐普及。

  人形机器人直线执行器应用反向式行星滚柱丝杠，大多数都用在中小负载、小行程和高 速的应用场景。反向式行星滚柱丝杠结构及形式与标准式类似，不同在于其没有内齿 圈，丝杠两端加工有直齿与滚柱两端的齿轮啮合，且螺母作为主动件，其长度比标 准式的大得多。正常的情况下，不同于标准滚柱丝杠，反向式行星滚柱丝杠的螺母为 主动件，丝杠为输出构件，滚柱、丝杠之间无相对轴向位移，其大多数都用在中小负载、 小行程和高速的应用场景，其最大的优点是可将其螺母作为电机转子实现电机和 丝杠一体化设计，形成结构紧密相连的体式机电作动器。

  海外高度垄断，国内处于起步阶段。行星滚柱丝杠制造壁垒极高，海外企业大多于 1950年左右在国防军工等领域开启产品研制，主要企业包括瑞典斯凯孚、瑞士舍弗 勒、美国穆格、美国Exlar等，国内外在行星滚柱丝杠的产品差距主要为制造材料（硬 度、耐腐蚀、可加工性等）和制造能力（含机床、工艺等）。本土玩家大多为非上市 公司，逐渐崭露头角，包括中国船舶704所、博特精工、思科瑞传动、仲孚机械等， 其行星滚柱丝杠已在阀门、石化、军事、工业等各领域逐步应用。 鼎智科技微型行星滚柱丝杆的研发与生产上已有里程碑式达成，具备发展的潜在能力。鼎 智科技深耕于线性传动领域，其线性传动产品有滑动丝杆、滚动丝杆，行星滚柱 丝杆。三类丝杆的应用场景、寿命、传动效率有差异，在技术和工艺等方面有一定协同，鼎智线性传动产品的精密性、稳定性、常规使用的寿命、定制化程度等均处于行业领先 水平。在微型行星滚柱丝杆领域，公司已取得里程碑式进展，该类产品应用领域包 括机器人、飞机起落架、部分工业场景等。

  机器人需要多传感器来保证灵敏度。各种传感器相当于工业机器人的手、眼、耳和 鼻，有助于识别自身的运动状态和环境状况。在这一些信息的帮助下，控制器可以发 出相应的指令，使机器人完成所需的动作。 根据检验测试对象的不同，可大致分为内部传感器和外部传感器。内部传感器一般用来检 测机器人本身状态，包括位置、速度、力觉传感器等；外部传感器一般用来检测机器 人搜出环境状况，包括距离、触觉、听觉、视觉传感器等。

  传感器下游细致划分领域多，有突出贡献的公司才易具有规模效应。以基恩士为代表的国际传感 器大公司需要国际化销售、制造外包模式来摊薄研发成本。根据MIR数据，基恩士一 直以来占据位移传感器市场的“半壁江山”，产品凭借优异的性能、优惠的价格和良 好的货期，2022年市场占有率逐步提升，市占率超过60%。 规模效应更强的领域，或率先实现国产替代。中国消费类电子的传感器，由于市场 的拉动，近十年已经有了很大的进步。在工业领域，部分低端领域已有成功案例，但 高端产品目前卡脖子情况仍较为严重，国产替代之路任重道远。未来人形机器人如 果能达到消费品级别的体量，可能推动细分板块的国产替代加速。

  全球竞争集中，行业高盈利。以基恩士、安森美、意法半导体为代表的全球头部企 业具备产业链纵向一体化或跨行业解决方案能力，占据全球大多数市场，且毛利率 平均约50%以上，盈利能力较强。 本土企业包括汉威科技、柯力传感、保隆科技等，其产品有压力、光学、位置、速 度传感器等，目前主要使用在于汽车、仪器仪表、工业物联网等领域，未来收入和盈利 仍有较大的提升空间。

  （本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）

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