【中睿行业分享】人形机器人

中睿合银-火世荣   2023-12-27 本文章2016阅读

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免责声明:本文内容仅供读者参考,不作为任何投资建议;股市有风险,投资需谨慎。



一、人形机器人政策


继各地方机器人相关政策陆续出台后,2023年11月2日国家层面专门针对人形机器人的政策指导文件《人形机器人创新发展指导意见》重磅出台。

其中明确将人形机器人定义为继计算机、智能手机和新能源汽车后的颠覆性产品—“人形机器人集成人工智能、高端制造、新材料等先进技术,有望成为继计算机、智能手机、新能源汽车后的颠覆性产品,发展潜力大、应用前景广,是未来产业的新赛道。”

同时提出2025年量产,2027年成为重要经济增长引擎—“到2025年,人形机器人创新体系初步建立,“大脑、小脑、肢体”等一批关键技术取得突破,确保核心部组件安全有效供给。

整机产品达到国际先进水平,并实现批量生产,在特种、制造、民生服务等场景得到示范应用,探索形成有效的治理机制和手段。

培育2-3家有全球影响力的生态型企业和一批专精特新中小企业,打造2-3个产业发展集聚区,孕育开拓一批新业务、新模式、新业态。

到2027年,人形机器人技术创新能力显著提升,形成安全可靠的产业链供应链体系,构建具有国际竞争力的产业生态,综合实力达到世界先进水平。

产业加速实现规模化发展,应用场景更加丰富,相关产品深度融入实体经济,成为重要的经济增长新引擎。


二、人形机器人概述


尽管人形机器人尚处于产业层面的从无到有的阶段,尚未步入我们的生活,但对人形机器人的概念,我们并不陌生。

自上世纪初以来,人形机器人相关的影视作品屡见不鲜,诸如《变形金刚》、《机器人总动员》、《超能陆战队》等诸多脍炙人口的电影,皆为我们所熟知。


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在理论层面,人形机器人是指具备与人类相近的身体构造和运动模式的智能机器人。这类机器人不仅需要卓越的运动控制能力,同时还需强大的感知计算能力。

人形机器人能够适应多样化的现实生活环境,从而使机器人从专用的角色转向通用,扩大规模效应并降低成本。此外,人形机器人也被认为是实现具身智能的理想物理形态之一。


从根本上来看,人形机器人与已投入生产应用的传统机器人相比,主要存在两个方面的差异。

一是形态上的改变,工业、服务以及特种机器人通常以类似机械臂的形式存在,其形态决定了它们仅能在特定场景中发挥作用,通过特定环节实现机器替代人力,例如,工业机器人用于替代工人完成搬运、加工、焊接等工作,服务机器人则替代送餐员完成送餐、取物等任务。

二是从自动化向智能化的转变,传统机器人主要依赖于特定程序完成特定工作,缺乏泛化能力。

上述两点因素决定了传统机器人的应用场景有限。例如,我们无法利用工业机器人完成餐厅送餐服务,也无法让服务机器人替代工厂生产线上的工人,应用场景的单一性使得市场空间受到限制。

而人形机器人则有望有效解决这些问题,本质上完全拟人化的机器人具有替代大部分人类生产生活工作的潜力。


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广泛的应用领域决定了人形机器人产业的巨大市场潜力。特斯拉在全球人形机器人领域处于领先地位,其首席执行官马斯克曾在今年五月的股东大会上预测,人形机器人的市场需求将远超汽车,机器人数量甚至可能超过人类。

他以20万元人民币的单价估算,市场需求量可达100亿至200亿台,据此推算,市场规模可达千万亿级别。


在认识到人形机器人市场的巨大潜力后,我们进一步探讨人形机器人产业的发展将带动哪些细分环节。

人形机器人所需的核心零部件包括减速器、电机、丝杠、传感器等,这些零部件目前主要应用于工业机器人及其他自动化设备,市场空间尚小。

以谐波减速器为例,据华经产业研究院数据显示,2022年我国谐波减速器市场规模为27.3亿元。

假设未来每年销售100万台人形机器人(以2022年全球电动车销量1020万,汽车销量8163万为参考),谐波减速器市场的增量将超过150亿元,市场规模扩容达到数倍。

若如马斯克所言,人形机器人的市场需求超过汽车,市场扩容增量或将达到百倍以上。


三、人形机器人进展跟踪

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当前,全球范围内众多企业纷纷布局人形机器人领域。在综合评估各类人形机器人的性能与成本后,特斯拉的Optimus(擎天柱)被视为现阶段最为接近商业化应用的人形机器人。2022年9月30日,特斯拉AIDAY上,Optimus首次公开亮相,当时其仍需工作人员搬运,动作显得颇为僵硬。


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历经14个月的持续优化,Optimus在人形机器人领域取得了显著的进步。在2023年12月13日,特斯拉发布的Optimus最新视频中,展示其双手已具备较高的灵活性,行走动作流畅,能够完成深蹲、鸡蛋抓取以及舞蹈等任务。


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四、人形机器人零部件拆解


在人形机器人产业发展的过程中,哪些细分环节将受益?根据Ofweek机器人网的报道,机器人价值链中,关节驱动器环节的贡献率最高。工业机器人的运动模块(包括伺服电机和减速器)约占整体成本的47%。相较于传统工业机器人,人形机器人的关节数量更多,但其感知和控制难度也相应增大。因此,预计关节驱动器在人形机器人总成本中的占比将达到50%以上。


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1、躯干关节


根据特斯拉目前所透露的技术路线,机器人躯干关节中共包括28个执行器,分为线性关节和旋转关节两大类,各14个执行器。

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▶ 线性关节:采用线性驱动器,由无框力矩电机+倒置式行星滚珠丝杠+位置/力传感器及轴承等构成,主要用于机器人的膝盖、脚踝、肘部、臀部、腕部。

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▶ 旋转关节:采用旋转驱动器,由无框力矩电机+谐波减速器+离合器+位置/扭矩传感器及轴承等构成,主要用于机器人的肩部、腕部、臀部和躯干。

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● 无框力矩电机

无框力矩电机由定子和转子两部分构成,由于无框电机取消外壳和轴承,通过精心的结构设计,定子和转子分别直接固定至机械设备上,从而精简了设备的结构、减小了整体的空间,其具备节省体积、降低重量的优点,非常适合机器人的关节结构。

并且,无框力矩电机是以恒力矩而非恒功率输出动力,因此其可根据负载实际情况自动调整转速,不会造成电机损坏。

综合其结构轻便以及动力输出稳定的特点,在机器人关节处使用无框力矩电机基本无分歧,目前无框力矩电机已广泛应用在协作机器人(六轴机械臂)。

加总线性关节和旋转关节各14个无框力矩电机需求,人形机器人共需要28个无框力矩电机。

按照单价1200元计算,单机对应无框力矩电机价值量达33600元,是人形机器人中价值量最高的零部件环节。

无框力矩电机市场参与者和潜在竞争者:步科股份、昊志机电、汇川技术

● 丝杠

丝杠的作用是将电机的旋转运动转变为直线运动,主要包括滑动丝杠、滚柱丝杠、行星滚柱丝杠等产品。

滑动丝杆是滑动摩擦,结构简单但精度差,传动效率25%-50%,主要用于电梯、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大提高,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越来越广泛的应用在工业领域,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、数控机床、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,其最大的优势在于可将其螺母作为电机转子实现电机和丝杠一体化设计,形成结构紧凑的体式机电作动器。

人形机器人在14个线性关节中各需要1个行星滚柱丝杠,总计14个,按照1500元单价计算,单机对应滚柱丝杠的价值量为21000元。

丝杠参与者和潜在竞争者:贝斯特、北特科技


  谐波减速器

机器人用减速器主要有谐波、RV、行星齿轮减速器等。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,目前特斯拉机器人所披露出来的细节中,所有旋转关节均使用谐波减速器。

人形机器人在14个旋转关节中各需要1个谐波减速器,总计14个,对应500-1500元单价计算,单机对应谐波减速器的价值量为7000-21000元。

减速器参与者和潜在竞争者:绿的谐波、双环传动、中大力德

◆  传感器

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。

机器人的直线和旋转关节供需使用14个扭矩传感器、28个位置传感器和14个力传感器,对应11200元。

传感器参与者和潜在竞争者:柯力传感、汉威科技



2、手部关节


根据特斯拉目前所透露的技术路线,特斯拉灵巧手单手共有11个自由度和6个执行器,其结构由空心杯电机+精密齿轮+传感器等构成。

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● 空心杯电机

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。因为没有铁损,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。

机器人的两双手共需12个空心杯单机,按照单价800元计算,单机器人对应空心杯电机价值量达9600元。

空心杯电机参与者和潜在竞争者:鸣志电器、伟创电气

除以上提到的各细分零部件的参与者外,三花智控和拓普集团基于此前与Tesla在电动车领域的紧密合作关系,应用已有与电动车领域协同的底层技术,积极配合Tesla投入相关研发,后续也有望以关节执行器总成制造商身份入局Tesla Optimus生产制造。 

鉴于以上对特斯拉人形机器人剖解,单台人形机器人中的零部件价值区间为9600-33600元。

而目前这些零部件的市场空间大多在数十亿元级别,在人形机器人年销量达到百万台的假设下,对应的市场空间有望实现数倍至数十倍的增长。

若如马斯克所预测,未来人形机器人的销量有望超过汽车,达到亿台级别,那么市场空间的提升幅度将高达上百甚至上千倍。


五、人形机器人投资展望


通过特斯拉Optimus Gen2当下所展示出的能力以及包括亚马逊、Open AI等全球巨头纷纷入局人形机器人产业,加之国内政策层面的高度重视以及包括华为、优必选、宇树等各类型国内企业也在陆续发布更新自己的人形机器人产品,可以看出人形机器人产业正在快速行进,个人更倾向定义为“黎明破晓前”的阶段。

基于人形机器人潜在巨大市场空间以及我国本质上制造强国的属性,一旦冲破黑暗,对于相关产业的拉动可能是指数级的空间提升,正源于此,市场现阶段频繁以主题投资方式在人形机器人寻找投资机会。

随着产业继续行进,人形机器人持续优化迭代,有望逐步进入人类生活,一轮“革命级”的产业机会或将拉开序幕。




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