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

　　一、产品功能日趋完善，未来成长高预期

　　（一）产品功能日趋完善，身体、视觉能力同步提升

　　人形机器人产品研发逐步推进，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，可以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，能够发现并记忆周边环境，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。

　　（二）机器替人具备潜力，市场空间预期较高

　　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发阶段，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。

　　二、本土企业在一体化关节产业链具备机会

　　（一）人形机器人包括五大模块，中国产业链具备机会

　　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，是其自动驾驶相关的硬件和软件的横向迁移。机器人控制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，同时能够支持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“自动驾驶”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，可以完成传感、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，可以做到使用高效、温控简单、安全管理，并可以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发展，全球竞争实力提升，因此产业化早期重点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%.

　　（二）身体：共计28个自由度，包括直线、旋转执行器共计28个

　　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可以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类直线执行器共实现28个自由度，其中旋转、直线执行器数量各为14个。

　　按照执行器的运动方式不同，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，主要用于机器人的肩部、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，主要用于机器人的膝盖、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。

　　（三）双手：共计22个自由度，包括12个关节

　　机器人双手采用人体工程学设计，对物体抓取进行优化。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。

　　（四）总结：重点关注电机、减速器、丝杠等领域

　　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种类较多、均价偏低，各供应商所侧重细分领域有所差异，对国内企业的采购集中度可能不大。

　　三、本土企业在一体化关节产业链具备机会

　　（一）电机：空心杯电机应用广，力矩电机逐渐系列化

　　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以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包括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取决于扭矩，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，结构紧凑；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。

　　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；昊志机电产品已经广泛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，产品广泛应用于军工、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广泛应用于工业机器人、激光等领域。

　　（二）减速器：谐波减速器水平一流，RV本土市占率提升

　　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机械传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（根据招股书披露，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，减速器的选型需要综合考虑体积、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减速器主要用于工业机器人领域，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。

　　（三）丝杠：行星滚柱丝杠已有里程碑式达成

　　丝杆的主要功能是将旋转运动转换成线性运动，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，主要用于中小负载、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。一般情况下，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，其主要用于中小负载、小行程和高速的应用场景，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。

　　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发，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，具备发展潜力。鼎智科技深耕于线性传动领域，其线性传动产品包括滑动丝杆、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、使用寿命、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。

　　（四）传感器：全球竞争集中，本土企业发展任重道远

　　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。根据检测对象的不同，可以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。

　　传感器下游细分领域多，龙头企业才易具有规模效应。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年市场份额进一步提升，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够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，其产品包括压力、光学、位置、速度传感器等，目前主要应用于汽车、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。