報告出品方：方正證券

以下為報告原文節(jié)選

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1 人形機器人開啟新紀元

2021 年 8 月，特斯拉 CEO 馬斯克于首屆“人工智能日”公開展示特斯拉人形機器人概念機 Tesla Bot。2022 年 2 月，特斯拉在提出概念后短短 6 個月內(nèi)成功推出人形機器人原型機，并作為開發(fā)平臺進行深度研發(fā)。2022 年 9 月 30 日，特斯拉舉行第二屆“人工智能日”，并發(fā)布最新版本的Optimus人形機器人，其可實現(xiàn)直立行走、搬運、灑水等復雜動作。據(jù)馬斯克預計，Optimus 將于 3-5 年內(nèi)實現(xiàn)量產(chǎn)上市，最終數(shù)量將會達到百萬級，而成本將降至 2 萬美元左右。2023年 5 月 16 日，特斯拉在 2023 股東大會上發(fā)布了 Optimus 人形機器人最新演示視頻。視頻中，Optimus 走路更加自然和靈活，完成了一系列復雜任務如電機扭矩控制，更精確的力度控制、環(huán)境探測與記憶等。Optimus 也展示了其基于端到端AI 學習人類行為的過程對物體進行分類擺放等。特斯拉機器人取得全方位進展，運動控制與 AI 能力持續(xù)提升。馬斯克稱特斯拉的長期價值將主要來自人形機器人，并預測人形機器人需求將達 100 億臺。
1.1 Optimus 細節(jié)詳解目前特斯拉的人形機器人實現(xiàn)了 28 個自由度，相當于人體功能的約 1/10。這 28個自由度主要分布在上半身和下半身。
上半身包括肩部（6 個自由度），肘部（2 個自由度），腕部（6 個自由度）和腰部（2 個自由度）。
下半身包括髖關節(jié)（6 個自由度），膝關節(jié)（2 入自由度），和踝關節(jié)（4 個自由度）。
靈巧手單手 6 個執(zhí)行器，11 個自由度。靈巧手采用金屬肌腱帶動機器人精確抓住小而薄的物體。電氣與智能系統(tǒng)方面，基于成熟的電動汽車產(chǎn)業(yè)鏈，實現(xiàn)電池系統(tǒng)集成、FSD 等技術和產(chǎn)品的復用，基于經(jīng)驗積淀，將有助于人形機器人加速產(chǎn)業(yè)化。
特斯拉設計了人形機器人結構和關節(jié)分布，優(yōu)化過程通過仿真模型和實際驗證，在低功耗，低成本和最有質量的目標下，最大效能的發(fā)揮各個執(zhí)行器。經(jīng)過分析優(yōu)化將共 28 個大的執(zhí)行器(不含手指執(zhí)行器)，其中包含 14 個旋轉執(zhí)行器和14 個線性執(zhí)行器減少到 6 種實際的執(zhí)行器，包含 3 個系列的直線/線性執(zhí)行器，和 3 個系列旋轉執(zhí)行器。

旋轉執(zhí)行器主要分布于肩髖等需要大角度旋轉的關節(jié)，線性執(zhí)行器分布于膝肘等擺動角度不大的單自由度關節(jié)和腕踝兩個雙自由度但是體積緊湊的關節(jié)。

減速器、伺服電機、線性執(zhí)行器、滾柱絲杠是人形機器人的運動控制產(chǎn)業(yè)鏈中價值量較大的硬件設備。
1） 電機：數(shù)量更多、品類更豐富，需滿足全身各關節(jié)的驅動需求，手部需采用微型電機。
2） 減速器、傳動裝置：數(shù)量更多，旋轉執(zhí)行器延續(xù)了對 RV、諧波減速器的需求，線性執(zhí)行器中需要用到行星滾柱絲杠作為線性傳動裝置。
3） 環(huán)境感知：區(qū)別工業(yè)機器人在固定場景外接機器視覺設備實現(xiàn)識別的方案，人形機器人場景復雜，需采用激光雷達、攝像頭等方案實現(xiàn)環(huán)境感知、三維重建并實現(xiàn)路徑規(guī)劃，對設備品類、算法、實時算力要求更高。
4） 運動控制：類似于工業(yè)機器人，運控算法均是廠商自研，開發(fā)難度大，是核心競爭力之一；特斯拉 Optimus 復用特斯拉汽車的感知和計算能力，在全自動駕駛 FSD 芯片基礎上開發(fā)適合人形機器人的控制器系統(tǒng)。人形機器人傳感器數(shù)量、品類、執(zhí)行機構復雜程度遠高于工業(yè)機器人，對控制器實時算力、集成度要求高。
考慮到當前零部件的國產(chǎn)售價，將特斯拉 Optimus 做成本拆分，旋轉關節(jié)（電機+諧波減速器+抱閘+雙編碼器+力矩傳感器+軸承組成）占到 40%，直線/線性關節(jié)（電機+行星滾柱絲杠+位置編碼器+力傳感器+軸承組成）占到 30%，手部占到14%，其他部分占比 16%。

1.1.1 旋轉執(zhí)行器
旋轉執(zhí)行器由電機+諧波減速器+抱閘+雙編碼器+力矩傳感器+軸承組成。

旋轉執(zhí)行器整體采用電池組供電，搭配電驅伺服關節(jié)的形式，基于電機+諧波減速器的旋轉關節(jié)。旋轉關節(jié)整體的輸出扭矩密度和當前各大人形機器人廠家的關節(jié)性能類似，突出了力輸出能力。
在人形機器人中，用 RV 減速器的可能性比較低，因為 RV 減速器的精度低于諧波減速器且體積重量大于諧波減速器。RV 減速器更適合高強度高扭矩大負載產(chǎn)品。
諧波減速器更適合小負載小體積小重量的場景。
1.1.2 直線/線性執(zhí)行器

直線執(zhí)行器由電機+行星滾柱絲杠+位置編碼器+力傳感器+軸承組成。

特斯拉使用了行星滾柱絲杠，它屬于絲杠類中性能最優(yōu)異、但也最昂貴的一個子類。行星滾柱絲杠以其高承載、高剛度、長壽命的特點或成為人形機器人線性執(zhí)行器的關鍵傳動裝置，通過適配人形機器人需求實現(xiàn)降本是大規(guī)模放量的前提。根據(jù) Tesla AI Day 2022 會上展示的信息來看，Optimus 線性執(zhí)行器采用的方案即為行星滾柱絲杠一體式伺服電動缸。我們認為下肢髖、膝、踝關節(jié)及上肢的肘關節(jié)的伺服電缸采用高承載、高剛度的行星滾柱絲杠作為傳動裝置可能性比較大。行星滾柱絲杠結構復雜、加工難度大因而成本很高，通過調整設計、工藝方案適配人形機器人的需要來實現(xiàn)降本是其大規(guī)模應用的前提。
2 人形機器人核心硬件拆解

2.1 減速器

減速器是工業(yè)基礎元件，是一種較為精密的機械傳動裝置。減速器利用齒輪的嚙合改變電機轉速、扭矩及承載能力，可以用于實現(xiàn)精密控制?？蓮V泛用于機器人、數(shù)控機床、光伏設備、醫(yī)療器械等多個行業(yè)領域。
2.1.1 減速器是機器人核心零部件

機器人核心零部件研發(fā)制造主要包括伺服系統(tǒng)、減速器和控制器占工業(yè)機器人成本的 70%左右。減速器、伺服系統(tǒng)（包括伺服電機和伺服驅動）及控制器直接決定工業(yè)機器人的性能、可靠性和負荷能力，對機器人整機起著至關重要的作用。其中成本占比最高的是減速器，占到 35%。

人體之所以能夠活動自如，是因為有“骨關節(jié)”結構，大部分骨關節(jié)經(jīng)由軟骨保護骨頭避免磨損。關節(jié)位于人體各個部位，可以使動作能夠更加協(xié)調，同時通過關節(jié)活動，可以使人體完成復雜動作時更為靈巧，更為“精準”。
工業(yè)機器人“運動”主要靠伺服電機、減速器和控制器三個主要部件完成。伺服電機負責驅動，伺服電機的運行特點是轉速快、扭矩小，而關節(jié)處則需要慢轉速和大扭矩。
減速器是由多個齒輪組成的傳動零部件，利用齒輪的嚙合改變系統(tǒng)輸出的轉速、扭矩及承載能力。它可以精確地將伺服電機轉速降低到工業(yè)機器人各個部位需要的速度，提高定位精度、輸出更大的扭矩，使機器人運動更加精準。通俗的說，減速器可以提高機器的定位精度和重復定位精度。
減速器在工業(yè)機器人中的另一作用是傳遞更大的扭矩。當負載較大時，一味提高伺服電機的功率是很不劃算的，可以在適宜的速度范圍內(nèi)通過減速器來提高輸出扭矩。
減速器可分為通用、專用、精密減速器，其中應用于機器人產(chǎn)業(yè)的主要為精密減速器。通用減速器一般指齒輪減速器、蝸桿渦輪減速器和行星減速器，以中小型為主，廣泛應用于各個行業(yè)；專用減速器一般以大型、特大型為主，多為行業(yè)專用減速器，比如汽車減速器、光伏減速器、風電減速器。

行星減速器過去主要用于工業(yè)領域，目前精密行星減速器用在直角坐標工業(yè)機器人，也可以用在人形機器人小型關節(jié)（如手指）或者運動關節(jié)（如腿部）領域。精密行星減速器在運行過程中類似于一個太陽輪有多個行星輪繞轉，所以其體積小、質量較輕，相較于其他減速器啟動更加平穩(wěn)，且剛性、精度和扭矩高。其特點為結構緊湊、低轉速大扭矩、價格便宜但減速比低?？傮w來說，行星減速器運用到高新能機器人上目前仍有一定難度。
而精密減速器以微型、小型為主，廣泛用于工業(yè)機器人、機床、半導體、航空航天等高精度場景，尤其大量運用在機器人上，主要有兩類：諧波減速器和 RV減速器。

由于傳動原理和結構等技術特點差異，使二者在下游產(chǎn)品及應用領域方面各有所側重、相輔相成，應用于不同場景和終端行業(yè)。二者具體對比如下：

諧波減速器具有單級傳動比大、體積小、質量小、運動精度高并能在密閉空間和介質輻射的工況下正常工作的優(yōu)點。且與一般減速器比較，在輸出力矩相同時，諧波減速器的體積可減少 2/3，重量可減輕 1/2，這使其在機器人小臂、腕部、手部等部件具有較強優(yōu)勢。RV 減速器傳動比范圍大、精度較為穩(wěn)定、疲勞強度較高，并具有更高的剛性和扭矩承載能力，在機器人大臂、機座等重負載部位擁有優(yōu)勢。不過，諧波減速器的負載輕，容許力矩負載在 1,500N·m 以內(nèi)，因此限制了其向重負載部位拓展的可能。而 RV 減速器容許力矩負載可達8,000N·m，其重量重、外形尺寸較大的特性，也使其無法向輕便、靈活的輕負載領域發(fā)展。
兩者適用領域不同，還不能互相取代。諧波減速器體積小、重量輕、傳動比大的特點使其能夠廣泛應用于人形機器人等輕負載領域。
國內(nèi)諧波減速器價格逐年下降，目前在 1000-3000 元/個，未來在人形機器人大規(guī)模量產(chǎn)下有望降價至 500-1000 元/個。根據(jù)綠的諧波招股書，2018、2019 年公司諧波減速器單價分別為 1885 元/個、1632 元/個，后續(xù)公司未單獨披露諧波減速器收入，以近年來技術成熟從而降低成本為前提，我們預計目前國內(nèi)諧波減速器單價在 1500 元/個，后續(xù)若人形機器人大規(guī)模量產(chǎn)，價格有望下探到500-1000 元/個。
2.1.2 減速器市場迎來“黃金時代”

從需求的角度看，新增的機器人需求是減速器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要驅動力。此外，減速器本身有額定的使用壽命，需要定期更換，即存量市場的更換亦是需求方向之一。工業(yè)機器人的工作壽命一般為 8-10 年，期間減速器作為傳動、承重部件，磨損不可避免，其使用壽命通常在兩年左右。因而，當前保有的工業(yè)機器人維修保養(yǎng)亦需要大量的減速器替換。

GGII 數(shù)據(jù)顯示，2021 年中國工業(yè)機器人減速器總需求量為 93.11 萬臺，同比增長 78.06%。其中增量需求 82.41 萬臺，同比增長 95.05%；存量替換量為 10.7 萬臺，同比增長 6.57%。隨著 AI 進程的加快推進，機器換人將受益其中，預計未來幾年減速器市場增長的確定性進一步增強，到 2026 年市場總需求量有望超過270 萬臺。

2022 年，我國工業(yè)機器人產(chǎn)量為 44.3 萬套，對減速器的總需求量約為 110 萬臺。其中，諧波減速器與 RV 減速器的需求量分別為 64 萬臺與 46 萬臺，比例約為 58% ：42%。
2.1.3 國內(nèi)諧波減速器市場國產(chǎn)替代持續(xù)進行

全球范圍內(nèi)，哈默納科（Harmonic Drive System）與納博特斯克（Nabtesco）分別在諧波減速器和 RV 減速器領域取得了市場主導地位。其依靠長期的研發(fā)技術積累、規(guī)模化的生產(chǎn)能力、穩(wěn)定的產(chǎn)品質量和性能，二者與 ABB、發(fā)那科、庫卡、安川等國際工業(yè)機器人生產(chǎn)商合作歷史悠久，在行業(yè)內(nèi)的市場地位較為突出。
2020-2021 年，我國諧波減速器市場最大的兩個外資品牌——哈默納科和日本新寶在中國市場的占有率之和由 46%降低至 42.9%。國內(nèi)做諧波減速器的企業(yè)總共有 30 多家，實力較強的有綠的諧波、來福諧波、福德機器人、大族傳動等企業(yè)，2020-2021 年，這四家企業(yè)在中國市場上的占有率之和由 35.9%提升至 41.1%。
整體看來，中國機器人減速器國產(chǎn)化趨勢正在形成。根據(jù) GGII 的數(shù)據(jù)，2014-2021 年工業(yè)機器人精密減速器國產(chǎn)品牌市場份額由 11%提升至 41%。隨著下游需求持續(xù)拓寬，預計未來減速器國產(chǎn)化率還將得到大幅提升。諧波減速器技術較RV 偏低，因此從技術上看，對國產(chǎn)廠商而言更加易于突破。

2.1.4 人形機器人催化減速器放量

相較于傳統(tǒng)機器人，諧波減速器在單臺 Tesla Bot 上的需求量更多、價值量更大。與傳統(tǒng)的工業(yè)機器人、協(xié)作機器人不同，人形機器人的形態(tài)和動作更接近人類，自由度更多，因而單臺 Tesla Bot 需要用到更多的減速器。
例如特斯拉人形機器人共有 28 個自由度，對比六軸工業(yè)機器人僅用 6 個減速器，相較于傳統(tǒng)工業(yè)機器人或服務機器人，諧波減速器的使用量更多。人形機器人若能達到消費級體量將驅動減速器市場持續(xù)擴容。

過去我國工業(yè)機器人減速器依賴進口，國產(chǎn)品牌難以突破。為了擺脫海外的技術限制，中央及地方密集出臺政策，扶持全產(chǎn)業(yè)鏈補足短板，行業(yè)發(fā)展明顯提速。國內(nèi)減速器廠商迎來發(fā)展機遇，充分受益減速器國產(chǎn)替代進程。
2.2 滾柱絲杠：人形機器人中的重要零部件

絲杠是工程機械和精密機械上最常使用的傳動部件。絲杠的主要結構由絲桿與螺母構成，其主要功能為將旋轉運動轉化成線性運動，或將扭矩轉換成軸向反復作用力。其原理為當絲杠作為主動體時，螺母隨絲桿的轉動角度按照對應規(guī)格的導程轉化為直線運動。被動工件可通過螺母座和螺母連接，從而實現(xiàn)對應的直線運動。
2.2.1 行星滾柱絲杠有望憑借性能優(yōu)勢在人形機器人應用領域大展拳腳

機床絲杠按其摩擦特性可分為三類:滑動絲杠、滾動絲杠及靜壓絲杠。滑動絲桿是滑動摩擦，結構簡單但精度差，主要用于電梯、汽車等各領域。靜壓絲杠裝置較大，必須有油泵、蓄壓器、液體循環(huán)裝置、冷卻裝置和過濾裝置等眾多的輔助裝置，且其靜壓油腔加工困難，且存在環(huán)境污染問題。位于德國格平根（G?ppingen）的 Hydrostatik Sch?nfeld 這家小公司是目前唯一一家供應商，且價格不菲。

滾珠絲杠利用滾珠鏈在絲杠軸與螺母之間做滾動運動，將旋轉運動轉換成直線運動。由于滾珠不斷在兩個負載承載面之間循環(huán)，存在相互碰撞及末端急劇轉向，導致高轉速條件下絲杠傳動效率降低、噪聲大，一般只適用于中等性能要求的應用場合。
行星滾柱絲杠主要是由滾柱絲杠、滾柱螺母、滾柱、內(nèi)齒圈、壓蓋及擋圈組成。
行星滾柱絲杠綜合了行星輪系、滾珠絲杠、滾針軸承的運動特點，通過在絲杠周圍設置若干行星螺紋滾柱，可大幅增加傳動過程中絲杠副的受力接觸面積，使機構可以承受更大的載荷和沖擊，可靠性高，行星滾柱絲杠傳動非常適合用于高速重載工作的應用場合。行星滾柱絲杠因其較小的體積空間使用，高效精準的大推力輸出，以及耐用穩(wěn)定的性能等特點正被越來越廣泛的應用在工業(yè)領域，對滾珠絲杠、液壓驅動等技術路線形成有效替代，在機器人、自動化、數(shù)控機床、醫(yī)療器械、汽車、石油天然氣等領域的應用正逐漸普及。
總體來說行星滾柱絲杠較滾珠絲杠具備高承載能力、高剛度、高傳動速度、更大的導程范圍等優(yōu)勢。行星滾柱絲杠與滾珠絲杠的最大區(qū)別在于載荷傳遞元件為螺紋滾柱，因此大幅度增加了絲杠的受力接觸面，從而使得承載能力和剛性比普通滾柱絲杠更高，同時用滾柱替代滾珠，解決了滾珠直徑取值范圍小，空間和承載能力有限的問題。

當比較不同直徑相似的螺桿技術的負載能力和效率值時,均為 1mm 導程,行星滾柱絲杠的載荷是滾珠絲杠的四倍。這種性能和設計特點的結合使?jié)L柱絲杠成為許多機器人以及機器人相關應用的理想解決方案。例如,使用線性激活連接的機器人(類似于人身體二頭肌控制前臂運動的方式)從較高的負載等級和較低的重量滾子螺絲執(zhí)行器中獲益。
特斯拉人形機器人的關節(jié)分為旋轉關節(jié)與線性關節(jié)，其中“電機+行星滾柱絲+傳感器”為線性關節(jié)提供了良好的解決方案，有助于提升人形機器人的關節(jié)性能。

2.2.2 市場規(guī)模：人形機器人打開長期成長空間

據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，2021 年全球滾珠絲杠市場規(guī)模達到 17.5 億美元，同比增長 6.0%，年均復合增速達到 6.2%。預計 2022 年全球市場規(guī)模達到 18.59 億美元。
從國內(nèi)市場規(guī)模來看，中國作為滾珠絲桿產(chǎn)品重要的消費市場之一，國內(nèi)市場規(guī)模占全球規(guī)?？偭康?20%左右。據(jù)統(tǒng)計，2021 年我國滾珠絲桿市場規(guī)模為 25億元，預計 2022 年市場規(guī)模達 28 億元。未來伴隨機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展，以人形機器人為代表的產(chǎn)品有望成為滾珠絲杠的新需求爆發(fā)點。

從國內(nèi)行業(yè)供需情況來看，滾珠絲桿需求量大于產(chǎn)量，行業(yè)供需缺口明顯。據(jù)統(tǒng)計，2021 年中國滾珠絲桿（滾珠絲桿副）產(chǎn)量達到 983 萬套，需求量為 1406萬套。

人形機器人給絲杠帶來新的增量。根據(jù)特斯拉的公布信息，特斯拉 Optimus 機器人上會采用行星滾柱絲杠，海外舍弗勒售價0.3萬美元，遠遠超過特斯拉人形機器人總的預期成本2萬美元，這顯然是特斯拉不能接受的，所以國產(chǎn)化是必然路徑。單個機器人的價值量中直線/線性關節(jié)（電機+行星滾柱絲杠+位置編碼器+力傳感器+軸承組成）占到 30%，其中電機驅動器占到約 70%，那么行星滾柱絲杠的價值量為占到剩余的 30%，即為總價值量的 9%，為 0.18 萬美元，約 1.3 萬元人民幣。隨著我國滾柱絲杠廠商技術的持續(xù)完善，以及降本增效訴求驅動下，滾柱絲杠國產(chǎn)步伐有望迎來提速。
2.2.3 市場格局：國內(nèi)行星滾柱絲杠目前處于早期階段

行星滾柱絲杠制造壁壘極高。海外企業(yè)大多于 1950 年左右在國防軍工等領域開啟產(chǎn)品研發(fā)，主要企業(yè)包括瑞典 ewellix、瑞士舍弗勒等。舍弗勒集團于 2022年收購 ewellix 公司，其前身為 SKF 行星滾柱絲杠部門，結合旗下傳統(tǒng)高端行星滾柱絲杠品牌 GSA，舍弗勒基本壟斷國際高端行星滾柱絲杠市場。

國內(nèi)行星滾柱絲杠目前還處于早期階段，生產(chǎn)難度較大，國內(nèi)企業(yè)較少布局。
國內(nèi)外在行星滾柱絲杠的產(chǎn)品差距主要為制造材料（硬度、耐腐蝕、可加工性等）和制造能力（含機床、工藝等）。近年來以華中科技大學、西北工業(yè)大學、南京理工大學為代表的高校力量逐步推動底層研究。近期人形機器人、精密機床等行業(yè)的發(fā)展帶動了國內(nèi)企業(yè)在行星滾柱絲杠方面的投入。中國目前的主要參與企業(yè)包括秦川機床和鼎智科技。

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