人形机器人：投资机会梳理

新用户4459C3Fr 2023-11-03 发布于湖南

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总结：

考虑到环境中随处可见的人体工程学设计，仿人形设计或许是机器人通用场景普及的最优解。人形机器人仍处在产业早期，现阶段人形机器人的产业阶段甚至远不及2015年左右的新能源汽车，但未来市场总量可达万亿美元，产业规模可媲美甚至超过汽车产业。

按照马斯克的预测，人形机器人全球总需求量将可能达到100亿台，价格或许在2万美元以下，即毛估峰值市场总量可能触及百万亿美元，转换为年化市场规模也将达到千亿美元级别，而中短期市场规模（未来十年）按全球年产100万台人形机器人的目标计算，年化市场规模约200亿美元。

人形机器人在电机、减速器、传感器等零部件上和传统机器人有部分重合，但绝非简单的迭代升级，现阶段供应链仍不足以支撑成熟的非通用人形机器人产品，静待技术、工艺突破。特斯拉是当代全球创新周期的绝对引领者，亦是驱动人形机器人行业发展的核心推手，但其产品完成度低，设计方案仍未定型，零部件供应链有较大变数，乐观情况下，3-5年内生产的可能也只是在生产场景中使用的非通用人形机器人。

基于特斯拉Optimus的构造，人形机器人分为感知系统（10%）、控制系统（20%）、执行系统（50%）、其他零部件四大功能块，其中价值量占比最大的是执行系统和控制系统。

在上述相关功能件中，部分品类来自于传统产业的需求量不大，供应链薄弱，因此未来由人形机器人释放的需求弹性极大，降本空间大，包括：无框力矩电机（含驱动）、谐波减速器、力矩传感器、丝杆、空心杯电机（含驱动）等。

还有部分品类在工业自动化领域有较为广泛的需求，有研发与供应链基础，人形机器人能够提供可观的需求增量，包括：编码器、定制轴承、控制器等。

除上述外，还有一部分品类可从消费电子、汽车产业链中迁移复用，能够成为基本盘的第二增长极，包括：蜗轮蜗杆、摄像头、电池、热管理、毫米波雷达、基础传感器、结构件。

市场近十年曾围绕机器人本体和主要零部件反复炒作过传统工业机器人和服务机器人，板块指数表现如下：

人形机器人前景佳、空间大，但路径不清晰，在投资上，大概有以下思路：

（1）高确定性：三花智控、拓普集团。随特斯拉汽车放量证明了自己，经营规模大，大概率以集成商的定位进入特斯拉Optimus供应链，和特斯拉联系紧密；

（2）避不开的零部件：涉及电机、减速器、丝杠、力学传感器等，机构关注度高的强基本面品种包括绿地谐波、鼎智科技（北交所）等；

（3）新增长极：部分品种现有业务足够支撑市值，已切入人形机器人零部件市场，能够成为拔估值的第二增长极，如步科股份、恒立液压。还有一部分品种，现有业务缺乏看点，但涉足人形机器人需用到的新零部件规格，市场空间大（高增长+进口替代），如昊志机电、中大力德等。

1 人形机器人的定义

中国电子工业学会根据用途将传统机器人划分为工业机器人、服务机器人、特种机器人三类，其主要问题在于通用性和智能程度，使用场景狭窄且不具备类人的感知和思考能力。

根据优必选的招股说明书，目前传统机器人的价格区间如下：物流机器人5-80万、巡检机器人10-80万、送餐机器人1.5-6万、接待机器人0.8-6万、康养机器人3-20万、教育机器人0.3-10万、娱乐及陪伴机器人几百到几千（类似于天猫精灵？）。至于人形机器人，目前功能和产业链均不成熟，原型机的成本至少在大几十万人民币的水平。

随着AI技术取得突破、感知和控制技术快速迭代，人形机器人由科幻照进现实，和传统机器人相比，人形机器人的主要差异在于：

其一，外形类人化，更易在生活场景中被接受，且考虑到现实世界随处可见的人体工程学设计，人形机器人的应用场景将大幅扩宽；

其二，高度智能，能实现高效率的感知、交互、决策、执行，不单用于机械化作业，还可广泛用于生活中的人机互动。

2 人形机器人的发展

二十一世纪以来，多国的科技企业曾推出人形机器人，如美国波士顿动力的Atlas、日本软银的Pepper、美国Agility Robotics的Digit、英国Engineered Arts的Ameca、美国特斯拉的Optimus、中国优必选的Walker、中国傅里叶的GR-1，但其中具备一定通用性的商业化产品几乎没有。

特斯拉是当代全球创新周期的绝对引领者，亦是驱动人形机器人行业发展的核心推手。以人形机器人行业内关注度最高的特斯拉Optimus为例，其基本数据为：

注：自由度衡量动作灵活性，自由度越高，越能支持更复杂的动作。

在2021年首届特斯拉AI Day上，马斯克提出Optimus概念图；在2022年特斯拉AI Day上，Optimus正式露面，但该原型机功能上低于预期；2023年3月，Optimus展示了使用螺丝刀的能力；2023年5月，Optimus展示了自主行走以及双手处理复杂任务的能力；2023年9月，Optimus展示了分类异色积木、完成瑜伽动作的能力，其神经网络完成了端到端的部署。

根据马斯克的设想，Optimus预计3-5年内量产，初级目标是替代人类完成重复劳动、危险操作等工作，主要适用于生产场景，未来将扩展至家庭等更复杂环境中，成为通用服务机器人。

根据产业生命周期理论，目前人形机器人行业仍处在导入期，研发投入高，原型产品功能性和质量欠缺，成本高企，相关厂商产品差异不大，主要面向政企客户，客户集中度高。部分已实现商业化的人形机器人产品使用场景狭窄，功能单一。主流观点认为，距离通用程度较高的人形机器人量产可能还有十年时间，目前主要面临以下问题：

①算法不成熟，如行走、肢体协作等方面；

②核心零部件需定制，但普遍尺寸大且笨重；

③精细关节的集成难度大；

......

3 人形机器人产业链

按照马斯克的预测，人形机器人全球总需求量将可能达到100亿台，最终的价格或许在2万美元以下，即毛估峰值市场总量可能触及百万亿美元，转换为年化市场规模也将达到千亿美元级别。中短期市场规模（未来十年）按全球年产100万台人形机器人的目标计算，年化市场规模约200亿美元。

（1）执行系统——电机

按功能可分为驱动电机和控制电机，驱动电机主要实现机电能量转换，重点在于力能指标，控制电机是指在自动控制系统中作状态监测、信号处理或伺服驱动的系统，实现控制信号的变换与传递，实现对位置、速度、扭矩等因素较为精确的控制，是人形机器人主要使用的电机种类，典型的产品包括步进电机、伺服电机等，特斯拉Optimus所使用的无框力矩电机和空心杯电机即是伺服电机的一类。

①无框力矩电动机

是一种为了某些特殊用途而设计的永磁式直流伺服电机，特点是效率高、安装便捷，同等扭矩尺寸更小、更轻量，能满足小型化、轻量化的要求。由于人形机器人内部部件紧凑，同时要求实现高功率和高转矩，因此无框电机应用于机器人驱动器是必然。

目前无框力矩电机单价接近1000元，未来产业化后有望大幅降价，当前市场规模在几十亿水平。海外厂商科尔摩根、Maxon、日本电产、Moog电机系全球无框电机市场第一梯队，国内相关供应商包括绿地谐波、步科股份、昊志机电、禾川科技。

②空心杯电机

在结构上突破了传统电机的转子结构形式，省去铁芯作为支撑结构，具有非常高的传动效率。其特点在于节能、体积小、灵敏度高、便于控制。目前空心杯电机主要用于医疗、机器人、光学、工程、自动化等行业，对生产工艺要求高。除海外厂商Maxon、FAULHABER、Portescap之外，鸣志电器、鼎智科技、拓邦股份、禾川科技等国内厂商正逐步参与全球竞争。

（2）执行系统——减速器

减速器的主要原理为通过机械传动装置实现对原动机的减速和增矩。在分类上，减速器可分为谐波减速器、RV减速器与行星减速器。减速器下游主要包括多关节机器人、协作机器人、高端数控机床等领域，其中机器人占比在50%以上。

三种减速器在机器人上的应用存在技术路线之争，谐波减速器成熟但传动效率低、耐冲击差，RV减速器体积较大。早期的人形机器人原型机采用RV减速器和谐波减速器，迭代后的人形机器人更倾向于采用谐波减速器和行星减速器。

目前，国内减速器厂商性能最高能达到海外一线品牌的80%左右，但性价比优势突出。

①谐波减速器

谐波减速器体积小、传动比大，主要用于轻负载精密部件，如机器人小臂、手部、腕部等部分。现阶段国内市场规模在15亿左右，日本品牌哈默纳科市场份额约38%，国内品牌绿地谐波市场份额约26%。

②RV减速器

其传动比大、精度较稳定、疲劳强度较高，有更高的刚性和扭矩承载能力，但质量重、尺寸大，无法向轻便、灵活的轻负载领域发展，主要应用于机器人大臂、机座等重负载部位。RV减速器零部件数量多、制造和装配难度大，不利于大规模生产。现阶段国内市场规模在50亿以上，海外品牌纳博特斯克市场份额约53%，国内品牌双环传动市场份额约14%，中大力德市场份额约4%。

③行星减速器

行星减速器传动效率较高、寿命长，但传动精度不足、传动比低，因此工业机器人中应用占比较低，行业前三均为海外企业，合计约占全球35%市场份额，市场相对分散，国内进度靠前的是待上市的科峰智能，占国内市场份额的不到5%。

（3）执行系统——丝杠

丝杠是机械上最常使用的传动部件，由丝杆和螺母构成，其主要功能为将旋转运动转化成线性运动，或将扭矩转换成轴向反复作用力。目前常见的丝杠主要包括三角螺纹丝杠、梯形螺纹丝杠、滚珠丝杠及行星滚柱丝杠，精密性及加工难度逐步递升。

行星滚柱丝杠是将旋转运动转化为直线运动，传动单元为丝杠及螺母之间的滚柱，与滚珠丝杠的主要区别是负载的传递单元使用螺纹滚柱而不是滚珠，在传动平稳性、负载能力、转速及加速度、寿命等性能方面更具备优势。主要供应商海外企业占比接近90%，国内贝斯特、鼎智科技、恒立液压有相关布局，拓普集团有产品在研。

（4）执行系统——编码器

编码器是测量角度、速度和位置的传感器，可分为磁编码器、光编码器、电感编码器等，其中光编码器适用于高精度、高分辨率的应用，磁编码器适用于追求环境耐受性强、小型轻量、高可靠性的应用，在工程机械、汽车等制造业，能够实现精准控制和定位的磁编码器已成为不可或缺的重要组成部分，渗透率正逐渐提升。我国编码器市场集中度相对较高，主要为海外供应商，奥普光电的子公司禹衡光学是我国最早的光电编码器厂商，国内市占率8%左右，汇川技术亦有布局。

（5）控制系统——控制器

运动控制是指对机械运动部件的位置、速度、方向等进行实时反馈控制，使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动，控制器是执行控制任务的核心部件。人形机器人的功能高度依赖对四肢、灵巧手的运动控制算法，大多厂商自主开发算法，外购芯片。

（6）传感系统——力学传感器

力学传感器是将力的量值转换为相关电信号的器件，人形机器人中使用到的六维力矩传感器具有 XYZ 三轴，能够同时测量力和力矩并转换为电信号的器件，其广泛应用于电子行业、汽车工业、机器

人、飞行器以及仿生等领域，搭载在机器人的手腕、踝关节处，但产品体积大、价格高。目前该产品研发设计、制造工艺均有较高门槛，属于卡脖子环节之一。国内的头部企业包括昊志机电、柯力传感。

（7）其他——结构件

特斯拉Optimus使用铝合金作为外壳，考虑到铝合金成本低（价格略高于高强度钢，远低于镁合金与碳纤维）、轻量化（减重40-50%，仅弱于碳纤维和镁合金，大幅强于高强度钢）、工艺成熟度、相对环保，后续迭代大概率将继续使用铝合金结构件，特斯拉汽车供应链中的相关供应商有望开辟新业务，旭升股份、爱柯迪等。

（8）其他——电子皮肤

机器人常见触觉传感有电流环、力学传感器、柔性电子皮肤三种，其中力学传感器为产业化主流选择，电子皮肤应用于机器人的优势在于柔软可拉伸、触觉点位增多、多模态感知能力，整体还停留在预期阶段，可能成为下一个热点研究方向。