人形机器人深度报告（附下载）
今天分享的是人工智能系列深度研究报告：《 人形机器人深度报告 》。（报告出品方：东吴证券 ）
1、人形机器人开启AI应用大未来，未来十年产业大趋势确立：人形机器人的通用性打破工业及服务机器人的限制 ，近2年国内外资本大举进入，未来20年产业大趋势确立。特斯拉机器人兼具性能与性价比，目标定价2万美金，且进度引领全球，目前处于B样阶段，24年底有望开始小批量，率先与工厂应用，商业化路径将从细致划分领域突破到通用型 ，从tob向toc转变，28-30开始大规模放量。我们预测全球25年人形机器人初步商业化，销量2-3万台，30年新增需求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，而科技巨头具备超强研发 实力及软件技术优势，其中特斯拉凭借FSD算法算力积累、电动车供应链降本优势，遥遥领先。特斯拉将FSD纯视觉 +深度学习神经网络嫁接至人形机器人，利用仿真虚拟大模型及无人驾驶积累数据提升算法训练效率，来提升机器 人平衡性能、行走步态、手部抓取等。此外，特斯拉自研的FSD芯片与Dojo超算提供算力支撑。
3、特斯拉运控系统最具量产优势，中国供应链受益：特斯拉机器人核心关节包括三大类、40个执行器组成，其中身体14 个旋转执行器（谐波减速器方案）、14个线性执行器（滚柱丝杠+梯形丝杠方案），手部12个空心杯模组。目前执行 器三花与拓普均已送样，手部关节鸣志电器已送样。目前整机bom成本超30万，大规模量产后将降至10万元。从价 值量及技术壁垒综合看，零部件排序为六维/丝杠/减速器/空心杯/无框力矩电机。六维传感器：目前进口价值量高， 单个1-2万元，推测手腕或各使用一个，国产技术未完全突破；滚柱丝杠：线个左右，目前单个价值 量1-2万元，龙头为欧洲厂商，看好速滚柱丝杠国产化的大幅降本；谐波减速器：旋转执行器中使用14个，单个价值 量1200元，供应商为绿的，未来随小厂起量，价格有下降空间，同时髋关节或使用新型RV减速器替代，双环已启动 研发；空心杯：用量12个，单个价值量1000元，鸣志已送样，后续拓展至集成，提高ASP；无框电机：主要供应商为 美企，壁垒接近伺服电机，伺服相关厂家可以切入，且执行器集成商也可自产。
4、对标电动车化，人形机器人星辰大海：从股价角度看，电动车行情2010年第一次纯主题炒作，涨幅超1倍；2012年底 -2014年产业化前夕的主题投资，主线清晰，特斯拉概念受追捧，涨幅超2倍。因此人形机器人放量行情前的主题投资 仍值得参与。从产业角度看，电动车19年底开启的放量行情中，价值高/壁垒高/格局好的环节，如整车、电池、隔膜 、电解液等易出10倍股，因此对于机器人投资，优选绑定头部企业、壁垒最高核心环节、单机价值量可提升环节。完整版《 人形机器人深度报告 》来源于公众号：百家全行业报告 研究报告内容节选如下
2.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，并需要适应不一样的地面，每个关节受力更为复杂，对减速器负载和电机 响应速度要求更高。
1.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 商最重要的包含傅利叶、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。
1.特斯拉机器人产品性能一直在升级，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，首次展示其详细规格参数和行动能力。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。
2.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，可以全面识别旁边的环境。3）学习能力强：能够最终靠AI算法识别 和学习人类动作
1.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；触觉主要是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。
2.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。
3.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。
1.硬件：灵敏度与承压能力的协调，关节能力不能匹配运动规划。下肢要求保持灵敏的同时，可承受奔跑跳 跃的重压，这对关节要求高；手要求具备极高灵敏度，以便完成精细化工作。同时，全身关节需快速、准 确执行运动规划。
2.软件：算法是核心，需不断的训练与迭代。需准确的拆解任务、训练不同任务的运动规划（行走与抓取） ，实时反馈视觉检测与理解，并对运动规划做调整。
3.大规模降本路径清晰，应用场景不是问题：硬件供应链与汽车供应链部分重合，大规模量产可大幅度降低高 壁垒零部件价格，成本下降空间大。
1.人形机器人的应用市场蕴含巨大的想象空间：做人能做但不想做的工作，做人想做但是不能做的工作。
2.一个好的机器人能不是最终“完美的” 机器人：参照无人驾驶，从L1-L3是经历5年以上迭代的，并且完 全无人驾驶L5也仍需时间。我们大家都认为人形机器人的成熟也是渐进式，可在细分市场的率先商业化，如工厂 生产、安防巡检、物流配送、服务业引导、救援、军事等，初期功能单一，后逐步成熟转为通用型机器人 ，由tob转为toc，进入家政等市场。更远期，人形机器人有望应用于航天航空领域，切合Musk火星移民构 想
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，别的市场按照中 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。
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，但更核心问题就在于 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一马当先的优势明显，且与原有业务协同效应明显。综合看来，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，且具备最为顶级的开发团队； 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。
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。与无人驾驶类似，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
1.人形机器人决策难度更高：决策层依据感知层获取的信息进行决策判断，来控制机器人身体做出动作规划 并下发指令。特斯拉人形机器人与FSD底层模块打通，某些特定的程度上算法可复用，但人形机器人需完成人类 各种动作，动作连续复杂、需频繁的物理交互且操作因果性多，算法难度远高于自动驾驶。
1）ChatGPT助力拆解任务：大语言模型擅长推断语言条件，并利用其代码编写能力，拆分任务，给出运动规划的 目标函数。
2）实时反馈以便调整动作：依据感知系统的反馈，可实时调整动作规划，并执行
1.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。
1）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。
2）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。
1.手部抓取训练难度极高：手部抓取涉及多个手指的灵巧操作，需要适应物体的形状、重量和配置，要求极 高。一定要通过训练深度神经网络在机器人抓取时生成所需的力控制命令，并随着物体形状、重量、材质而 变化。手部抓取需满足：
1）可靠安全：确保整个机器人系统工作万无一失，因此，要求其手爪结构和控制管理系统要简单化
1.大模型提升仿真学习能力，可大幅度的提高算法训练效率：仿真的目的是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。
2.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。
1.特斯拉人形机器人搭载FSD，共享底层技术。特斯拉第一代FSD芯片单个算力72tops，是市场上唯一从底 层出发为无人驾驶和深度神经网络锁设计的芯片，CPU做控制，GPU做图像处理，NPU为神经处理单元， 进行深度学习与预测，完全适用于人形机器人。同时第二代芯片算力升级已开始应用。
2.Dojo超级计算机采用D1芯片，专为神经网络训练而设计，同样适用于人形机器人训练：旨在更高效地处 理海量视频数据、进行定制的神经网络训练。Dojo的计算核心采用特斯拉自研的D1芯片，D1具备超强算 力，32位浮点计算的最大性能达到22.6TFLOPs，16位浮点计算的最大性能达到362TFLOPs，同时功耗低 ，为400W。
1.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。
2. 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。
1.人形机器人成本拆分预计：最重要的包含动力总成系统（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
1. 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。
2.三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，编码器及传感器是由特斯拉制定海外供应商，后续三花目标 进一步提升执行器集成度及零部件自供比例。
1.线性执行器结构类人的肌肉，主要实现关节的直线运动，当前方案以滚柱丝杠及梯形丝杠为主。线性关节 由无框伺服电机+反式行星滚柱丝杠&梯形丝杠+电机驱动器+力传感器+编码器组成。目前共三类额定负 载的线N，N（牛顿）为力单位。目前其他方案，如电机+滚珠丝杠、直线 电机、电机+行星减速器+滑动丝杠等，因其负载低和体积大等原因，性能均不如滚柱丝杠方案。
2.三花、拓普均已送样，目前B样，明年中C样：线性执行器集成精度高，核心零部件为滚柱丝杠，三花目 标实现自研自产；梯形丝杠为成熟的普通零部件，壁垒要求低。
1.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、抗冲击能力也一般，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
1.准直驱方案PA性价比更高，有望成为部分关节的 首选。相较于前述刚性驱动器方案（无框力矩电机 +谐波减速器+力传感器+编码器），准直驱方案 多采用直驱电机+低减速比的行星减速器+磁编码 器，无须昂贵的力传感器，通过电流环直接实现力 控，故适合力控精度要求高、响应快、抗冲击的场 合。目前国外UCLA的机器人Artemis自研四个准 直驱模组用于髋关节。
1.特斯拉机器人灵巧手采用电机驱动+腱传动方案，拥有11个自由度。特斯拉灵巧手模组由空心杯电机+电机 驱动器+行星减速器+编码器组成。对比各典型的灵巧手结构，特斯拉机器人灵巧手具备11个自由度，但单 手仅需6个驱动电机，在保障灵巧度前提下、相对同行大幅度的降低成本。
2.鸣志已送样手指空心杯电机模组，后续有望增加驱动器配套。鸣志空心杯电机性能接近Maxon、 Faulhaber两大海外空心杯电机巨头，且价格实惠公道30%以上，其电机及配套的行星齿轮箱有望进入T供应链 ，同时凭借子公司T Motion在空心杯电机驱动的优势，有望送样驱动器部件以提高ASP。
1.当前特斯拉的灵巧手采用蜗轮蜗杆欠驱动方案，但灵巧手有更丰富的配置方案：1）按驱动方式分，涵盖 全驱动/欠驱动方案，欠驱动方案使用较多，其电机数量小于关节自由度，系统体积小、质量轻，成本低廉 ，且具备抗外界冲击的柔性等优势；2）按物理运动方式分，也可分为连杆/蜗轮蜗杆/滚珠丝杆/带传动
1.灵巧手仍有优化空间。特斯拉目前方案采用蜗轮蜗杆+线驱动的欠驱动方案（单手6个电机、带动11个自由度 ），带滚珠丝杠的直驱方案同样有望应用于灵巧手，其结构刚性、稳定性更强。
2.传感类硬件有增配可能。为实现更灵巧柔性的操作，有望增加力传感器、电子皮肤的配置。
1.人形机器人标的弹性测算核心变量：1）根据当前特斯拉送样情况&公司自身实力，给予各自目标份额； 2）根据零部件技术壁垒高低，给予三档净利率水平。
2.利润弹性为2030/2035年机器人利润÷公司2022年归母净利润。
1.“电机”是将电能转换成机械能的电气设备，根据用途可大致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。
1）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）。控制电机根据操控方法、结构、用途等不同又可大致分为步进电机、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。
2）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）。
1.无框电机与伺服电机一样属于永磁同步电机，但只有定子及转子部件，没有伺服电机外壳、轴、轴承等部 件。无框电机结构紧密相连、输出力矩高、堵转情况下仍能连续运转，故通常应用于机器人、医药、包装、印 刷等领域。无框伺服电机类似普通伺服电机；但无框力矩电机在设计端采用更大的直径长度比、较高的极 数、更低的转速，使得它相对伺服电机可提供更大的扭矩。
1.无框电机市场规模、应用场景范围仍较小。无框电机市场应用以协作机器人为主，单协作机器人对无框电机的 使用量在6-7台，单价在几百元到几千元不等（因功率而异），假设价格在1000元，则22年协作机器人领 域无框电机市场规模为1.17-1.37亿元。其中，部分机器人厂家在自研电机，第三方供应商步科股份的无框 电机收入为百万元量级。
2.人形机器人有望打开无框电机空间。按特斯拉机器人当前设计，全身关节需要28台无框电机，100万台量 级假设下有望拉动2800万台无框电机需求，相对协作机器人需求可放大28倍
1.无框力矩电机主要供应商为美国企业为主（科尔摩根为首），国内厂商较少，现有产品均以协作机器人、 AGV应用为主。
2.产品壁垒接近伺服电机，随市场容量扩大，伺服相关厂家也可以切入机器人无框电机市场（科尔摩根、步 科等公司同样也有伺服电机产品线）。无框和伺服电机的加工工艺类似，主要差别在：1）设计（高直径长 度比、高极对数）；2）表面需要做额外防水防尘处理（定转子直接在外，通常做到IP65/IP67等级） ；3）定制化程度比伺服这类标准品来得高。
（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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