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1、人形机器人行业专题报告：Teslabot孕育新革命1 .结论及投资分析以特斯拉为代表的汽车厂商积极投入人形机器人产业，汽车零部件有望发挥研发、制造、资金等优势，借助汽车客户优势，切入机器人新赛道。特斯拉机器人的设计、开发、供应链借鉴了汽车的丰富经验相关汽车零部件有望率先参与特斯拉机器人产业，打造第二成长曲线。我们认为在汽车零部件寻找机器人相关投资机会选择的标准有两个：一是特斯拉车链供应商，二是具有机器人相关业务或者原有业务有向机器人延伸可能的公司。机器人关节的执行总成、减速器、丝杠等环节弹性大，部分汽车零部件供应商原有业务与机器人关键部件有协同性，有望向机器人业务延展。2 .Teslabot不
2、断迭代，孕育下一轮科技革命2.1. 特斯拉引领，人形机器人即将爆发特斯拉强势进军人形机器人市场，引领下一轮科技革命。2021年8月19日，特斯拉在首个AI日上发布人形机器人概念图及视频，宣布特斯拉通用机器人计划。2022年9月30日的Al日特斯拉Optimus原型机首次现身，特斯拉人形机器人加速推进。特斯拉计划将OPtimUS系列机器人与Model系列电动车作为同样重要的产品线，打通工业、商用、家用场景限制，填补劳动力缺口，用机器代替人类执行危险、无聊、重复和人们不愿意做的工作，整合各类应用场景，成为继PC、手机、智能电动汽车后下一代的超级智能终端。特斯拉人形机器人不断迭代，商业化落地持续加速
3、。2022年9月特斯拉原型机只能缓慢张手、抬手，发布会现场由工人人员搬运出场，发布会展示的视频中只能做下蹲、拿/搬运箱子、抓取物体、浇花等简单动作。2023年5月特斯拉发布的演示视频中可以集体步行、灵活抓取放下物体等更复杂的动作。2023年9月，特斯拉再度发布新视频，特斯拉机器人可以依靠视觉对物体分类、找准身体平衡感，能做出单腿直立等动作。特斯拉人形机器人以每3-6个月的时间间隔加速迭代，细节方案越来越向商业落地靠近。1.1.人形机器人有望成为下一个新能源汽车回顾新能源车的发展，人形机器人处在商业化的前夜。在特斯拉出现之前，新能源车也面临过成本与需求不清晰的混沌期，主要是短期技术的限制造成的。
4、尽管电动汽车19世纪就诞生，早于汽油车，但当时电池密度低、寿命端,无法与快速进步的内燃机汽车竞争,在过去百年之中市场先选择了汽油车。随着2005年后电池技术的多轮迭代，续航、充电、寿命等性能都取得突破，在特斯拉的引领下，成本与需求的瓶颈被打破，新能源汽车市场最终迎来了爆发。人形机器人目前尚未大规模量产，但随着控制方法、人工智能、深度学习等计算机、通信技术的不断突破，人形机器人快速迭代，以最新一代的波士顿动力双足机器人Atlas为例，仅6年左右的时间，Atlas从蹒跚学步进展到了流畅跑酷。在劳动力不足的大背景下，技术进步叠加资本进入，产业也亟待更多人形机器人的市场化落地。特斯拉有望成为人形机器人
5、行业的破局者，特斯拉人形机器人OPtimUS是新能源车中的Model系列。特斯拉从Roaster到ModelS/X,再到Model3/Y,加速了全球电动化，尤其是特斯拉中国工厂，一方面实现了更高效率、更低成本的大规模生产，另一方面拉动了消费者对电动车接受度的提升。特斯拉人形机器人有望复制其在新能源汽车上的路径，发挥其强大的工程能力以及人工智能上的优势，整合并创新现有技术，实现低成本、高效率的大规模量产，推动人形机器人全球化的应用。另外，中国供应链在特斯拉新能源汽车降本上发挥了重要作用，上海工厂扮演了特斯拉产能释放的最重要的角色之一，我们认为在人形机器人市场，中国供应商和供应链同样也会发挥类似的
6、作用。3.人形机器人的关键部件3.1. 采用电驱路线，执行器是人形机器人的最核心特斯拉人形机器人采用电驱动的技术路线，即电机+减速器的执行器。根据2022年特斯拉AIDAY发布会,特斯拉人形机器人全身包括28个运动关节（不含手部），采用集中式的布局，包括三种旋转执行器和种线性执行器。特斯拉的人形机器人手指有6个执行器和11个自由度，搭载了能够驱动手指并进行感知的传感器。机器人关节驱动器是双足仿人机器人关键部件，按动力来源可以分为液压、气动、电机驱动等，特斯拉人形机器人采用电机驱动的方式。电机驱动方案的驱动器一般由电机、减速器、编码器、控制板和控制软件等组成，分为刚性驱动器、弹性驱动器和准直驱驱
7、动器等类型。传统刚性驱动器由电机、高传动比减速器、刚性力矩传感器、输出端组成，其中刚性力矩传感器是可选择项；弹性驱动器在高传动比减速器与输出端之间加了弹性体，用位置传感器检测弹性体的形变，可以推断出力矩的大小;准直驱驱动器是高力矩密度电机+低传动比减速器的组合,通过电机的电流大小间接推断出输出力矩的大小。刚性驱动器设计理论相对成熟,在传统的双足机器人、工业机器人、协作机器人和工业精密转台等方面得到广泛应用，但由于电机和减速器功率密度限制，限制其在双足仿人机器人上的应用。弹性驱动器由于弹性体引入，给控制带来了难度，尤其在机器人腿部使用，因此弹性驱动器需要在功率密度、能量效率、结构布局等指标间平衡
8、，结合机器人整机结构布局、运动步态控制算法做整合优化。准直驱驱动器目前主要应用在四足机器人中，技术发展迅速，但需要在编码器技术创新和电机功率密度上突破。3.2. 精密减速器：旋转执行器的“肌腱特斯拉人形机器人的肩、散等需要大角度旋转关节所采用的主要是旋转执行器。根据特斯拉2022年AIDay发布会，特斯拉旋转关节分为3种尺寸，由无框电机、双编码器、力矩传感器、谐波减速器组成。精密减速器是旋转执行机构的核心部件之一。减速器是连接动力源和执行机构的中间机构，具有匹配转速和传递转矩的作用，类似于工业机械的肌腱电机有高转低扭的特点，因此每台伺服电机都要搭配使用一个减速器，实现降低转速、提升扭矩以满足不
9、同的工况。按照控制精度划分，减速器可分为一般传动减速器和精密减速器。一般传动减速器控制精度低，可满足机械设备基本的动力传动需求。精密减速器回程间隙小、精度较高、使用寿命长，更加可靠稳定，应用于机器人、数控机床等高端领域。精密减速器种类较多，包括谐波减速器、RV减速器、摆线针轮行星减速器、精密行星减速器等。谐波齿轮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。谐波传动有回差小、运动精度高、传动比大、体积小、重量轻等优点。谐波传动的工作原理采用
10、波发生器主动、刚轮固定、柔轮输出形式，当波发生器装入柔轮内圆时，迫使柔轮产生弹性变形而呈椭圆状，使其长轴处柔轮齿轮插入刚轮的轮齿槽内，成为完全啮合状态；而其短轴处两轮轮齿完全不接触，处于脱开状态，当波发生器连续转动时，迫使柔轮不断产生变形并产生了错齿运动，从而实现波发生器与柔轮的运动传递。柔轮是谐波减速器关键部件，在谐波减速器运动中不断变形，容易发生疲劳断裂，因此提升柔轮精度、保持寿命是柔轮设计和热处理工艺最为关键的目标，其原材料、齿轮齿形设计以及热处理工艺都会对其性能产生影响。RV减速器是在传统摆线针轮、行星齿轮传动装置的基础上发展起来的传动机构。RV减速机由一个行星齿轮减速机的前级和一个摆
11、线针轮减速机的后级组成，主要零件包括正齿轮（行星轮）、RV齿轮、曲柄轴、销（针齿销）、外壳（针轮）、输出轴等。RV减速机通过正齿轮变速、差动齿轮变速进行变速。正齿轮变速通过行星轮和太阳轮实现的齿轮变速。差动齿轮变速是行星轮带动曲轴旋转，曲轴带动RV齿轮摆动。在第一减速部中，输入轴的旋转从输入齿轮传递到直齿轮按齿数比进行减速；在第二减速部中，有一个曲柄轴与直齿轮相连接，在曲柄轴的偏心部分，通过滚动轴承安装RV齿轮，曲柄轴会带动RV减速机做偏心运动，当曲柄轴转动一周，RV齿轮就会沿与曲柄轴相反的方向转动一个齿，从而达到减速效果。RV减速机具有高精度、大速比、高刚性、高过负载及长寿命特点，且具有振动
12、小，噪音低，能耗低等优点。RV减速器与谐波减速器一样，具有精度高、单机传动比大等特点，但相较于谐波减速器，RV减速器组成更加复杂，导致体积和重量较大，由于不存在变形运动，因此具有更高的刚性和扭矩承载能力，主导重负载精密减速器领域。行星减速机包含一个中央太阳齿轮，由几个行星齿轮包围，由行星架固定，并封闭在齿圈内。当入力侧动力驱动太阳齿时，可带动行星齿轮自转，并依循著内齿环之轨迹沿著中心公转，行星之旋转带动连结于托盘之出力轴输出动力，利用齿轮的速度转换器，将电机（马达）的回转数减速到所要的回转数，并得到较大转矩。行星减速机有重量轻、体积小、传动比范围大、效率高、运转平稳、噪声低适应性强等特点，采用
13、直齿与斜齿两种齿轮类型，通常减速比10以下为一级减速，当一个齿轮传动无法满足比较大的齿轮传动比时，必须2套或3套来满足大减速比的需求，但容积会增大，因此行星减速机主要运用于直角坐标系智能机器人。不同减速原理的减速机构各有特点，需要根据机器人的设计侧重不同对减速器选型。一般采用大减速比的机构使用谐波减速器或者摆线针轮减速器，小减速比的机构选择行星减速器、皮带/链条传动、简单齿轮传动等。减速器的选型取决于机器人的功能、空间布局和设计等多方面因素，各类减速器的性能没有绝对的优劣之分。其中，谐波减速器具有单级传动比大、体积小、质量小、运动精度高并能在密闭空间和介质辐射的工况下正常工作的优点。在输出力矩
14、相同时，谐波减速器相比一般减速器的体积可减少2/3,重量可减轻1/2,因此谐波减速器在机器人小臂、腕部、手部等部件具有较强优势。RV减速器传动比范围大、精度较为稳定、疲劳强度较高，具有更高的刚性和扭矩承载能力，在机器人大臂、机座等重负载部位拥有优势。谐波减速器容许力矩负载在1,500Nm以内，RV减速器容许力矩负载可达8,000Nm,因此谐波减速器在大负载工况下有局限，RV减速器在轻量化工况下有不足。此外，RV减速器零部件数量多，制造和装配难度大，大规模生产难度更高。全球谐波减速器和RV减速器市场格局集中度高，长期被日本厂商主导，但国产厂商不断追赶，国产化率逐步提升。精密行星减速器市场格局较分
15、散，众多国产厂商均有参与。谐波减速器市场上，日本厂商哈默纳科长期占据主导地位，2021年哈默纳科占据全球谐波减速器市场的82%,绿的谐波占比7%,其他厂商占比11%o中国谐波减速器市场上,2021年哈默纳科与绿的谐波分别以36%、25%的市场份额处于领先地位，来福、新宝、大族、德福分别占据8%、7%、5%、4%的市场份额。根据高工机器人统计,2022年国内RV减速器市场国产替代趋势显著，纳博特斯克虽然以51%市占率稳居首位，但同比持续下降，国产品牌环动科技、珠海飞马、秦川、中大力德、南通振康市场份额逐步攀升，市占率分别达14%、8%、4%、4%、3%o在全球范围内，德国、日本等国家的精密行星减
16、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。精密行星减速器国产厂家有科峰智能、纽氏达特、中大力德等，国外精密行星减速器主要厂家为日本新宝、纽卡特、威腾斯坦等。2022年国内精密行星减速器市场，日本新宝市场份额约20.4%,处于领先地位。目前仿生机器人的关节减速器方案以谐波为主，不同类型的机器人减速器选型各有特点，随着关节方案的推陈出新，相应的减速器设计有望不断创新。仿生机器人代表厂商中优必选WaIkerX每条腿使用了6个谐波减速器，美国敏捷机器人Digit每条腿会使用4个谐波减速器，美国OSU（俄勒冈州立大学）的Cassie双足机器人采用的是1级或2级行星减速器。TeslaBot采用的是高减速比的谐波减速器，HondaAsimo采用的也是类似的设计。人形机器人的关节数量远高于工业机器人（每台使用2-6个），因此人形机器人的爆发将大幅扩大精密减速器的使用量。3.3. 丝杠：化旋转为直线运动，线性执行器的关键
