人形機(jī)器人迭代下供應(yīng)鏈的新機(jī)遇

2021年特斯拉在AI Day上首次提出其人形機(jī)器人Optimus的渲染圖；2022年AI Day上，特斯拉推出原型機(jī)，在沒有外接線纜的情況下實(shí)現(xiàn)了緩慢行走與揮手；2023年5月股東大會(huì)上，特斯拉人形機(jī)器人已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)流暢的行走與抓取物品，靈活度較原型機(jī)大大提高。經(jīng)過我們的測算，目前特斯拉機(jī)器人關(guān)節(jié)的總成本為41萬元左右，從高到低價(jià)值量占比前四的零部件分別為：力矩傳感器、滾柱絲杠、無框電機(jī)、諧波減速器。

核心觀點(diǎn)

通用機(jī)器人迎來曙光，已具備協(xié)作安全性

我們認(rèn)為人形雙足機(jī)器人為通用機(jī)器人的最優(yōu)解，因?yàn)槿祟惿鐣?huì)的種種事物都按照人類的生理結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，為了適應(yīng)種類多樣的任務(wù)，達(dá)到通用的目的，貼近人類形態(tài)的雙足機(jī)器人其隱形成本最小。2023年5月，特斯拉機(jī)器人腿部的末端關(guān)節(jié)能夠在落地的同時(shí)不打碎雞蛋，也能夠輕松地抓取物品，證明其末端肢體關(guān)節(jié)的力矩控制能力有了顯著的提高，增強(qiáng)了與人協(xié)同時(shí)的安全性。通過共用特斯拉汽車上的FSD自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，特斯拉機(jī)器人已經(jīng)可以利用視覺自主識(shí)別、記憶周圍環(huán)境，構(gòu)建地圖。工程師也可以通過AI對(duì)其進(jìn)行肢體的模擬訓(xùn)練，大大降低了其開發(fā)成本。

力矩傳感器/滾柱絲杠/無框電機(jī)/諧波減速器為高價(jià)值量環(huán)節(jié)

旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器、線性執(zhí)行器、靈巧手共同構(gòu)建擎天柱全身40個(gè)關(guān)節(jié)。旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器由角接觸軸承、諧波減速器、交叉滾子軸承、編碼器、無框電機(jī)、力矩傳感器構(gòu)成。特斯拉線性執(zhí)行器由深溝球軸承、無框電機(jī)、力矩傳感器、編碼器、反式滾柱和四點(diǎn)接觸球軸承構(gòu)成。靈巧手主要由空心杯電機(jī)、螺紋絲杠、行星精密齒輪箱和編碼器構(gòu)成。根據(jù)我們的測算，目前特斯拉機(jī)器人關(guān)節(jié)BOM表成本為41萬元左右，其中力矩傳感器、滾柱絲杠、無框電機(jī)、諧波減速器價(jià)值量占比較高。

力矩傳感器/滾柱絲杠/空心杯電機(jī)技術(shù)壁壘較高

六維力矩傳感器除了要解決對(duì)所測力分量敏感的單調(diào)性和一致性問題外，還要解決因結(jié)構(gòu)加工、工藝誤差引起的維間（軸間）干擾問題和電路實(shí)現(xiàn)，技術(shù)難度大。對(duì)于滾柱絲杠來說，企業(yè)為了實(shí)現(xiàn)高速或精密的加工，除在機(jī)床設(shè)備的結(jié)構(gòu)剛性進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)外，必須同時(shí)具備高速主軸系統(tǒng)和高速進(jìn)給系統(tǒng)，才能達(dá)到材料切削過程的高速化，這對(duì)于企業(yè)的制造能力和設(shè)計(jì)能力都有較高的要求?？招谋姍C(jī)核心技術(shù)難點(diǎn)在于大批量生產(chǎn)和精密齒輪箱減速器。國內(nèi)眾多廠商采用手工繞線的方式生產(chǎn)，在生產(chǎn)效率、產(chǎn)品壽命、精度方面存在劣勢。

風(fēng)險(xiǎn)提示：特斯拉機(jī)器人方案變更；成本測算具有一定局限性；特斯拉機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化不及預(yù)期。

正文

產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)公司與BOM表成本一覽

特斯拉機(jī)器人快速迭代，通用機(jī)器人迎來曙光

通用機(jī)器人迎來曙光，已具備協(xié)作安全性

快速迭代下特斯拉機(jī)器人已能實(shí)現(xiàn)行走/抓取等動(dòng)作，通用機(jī)器人迎來曙光。2021年特斯拉在AI Day上首次提出其人形機(jī)器人Optimus的渲染圖；2022年AI Day上，特斯拉推出原型機(jī)，在沒有外接線纜的情況下實(shí)現(xiàn)了緩慢行走與揮手；2023年5月股東大會(huì)上，特斯拉人形機(jī)器人已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)流暢的行走與抓取物品，靈活度較原型機(jī)大大提高。我們認(rèn)為人形雙足機(jī)器人為通用機(jī)器人的最優(yōu)解，因?yàn)槿祟惿鐣?huì)的種種事物都按照人類的生理結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，為了適應(yīng)種類多樣的任務(wù)，達(dá)到通用的目的，貼近人類形態(tài)的雙足機(jī)器人其隱形成本最小。

特斯拉機(jī)器人力矩控制能力提高，增強(qiáng)協(xié)作安全性。2023年5月，特斯拉機(jī)器人腿部的末端關(guān)節(jié)能夠在落地的同時(shí)不打碎雞蛋，也能夠輕松地抓取物品，證明其末端肢體關(guān)節(jié)的力矩控制能力有了顯著的提高，增強(qiáng)了與人協(xié)同時(shí)的安全性。

共用汽車FSD系統(tǒng)，特斯拉機(jī)器人已能夠識(shí)別、記憶周圍環(huán)境。通過共用特斯拉汽車上的FSD自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，特斯拉機(jī)器人已經(jīng)可以利用視覺自主識(shí)別、記憶周圍環(huán)境，構(gòu)建地圖。工程師也可以通過AI對(duì)其進(jìn)行肢體的模擬訓(xùn)練，大大降低了其開發(fā)成本。

旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器、線性執(zhí)行器、靈巧手共同構(gòu)建全身40個(gè)關(guān)節(jié)

擎天柱軀干包含28個(gè)關(guān)節(jié)執(zhí)行器，主要分為旋轉(zhuǎn)與線性兩大類?？紤]到成本等問題，特斯拉設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)和線性2大類執(zhí)行器，每類包含3種執(zhí)行器。擎天柱整體軀干共有28個(gè)關(guān)節(jié)執(zhí)行器，其中線性執(zhí)行器14個(gè)，旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器14個(gè)。具體應(yīng)用部位分別為肩部6個(gè)旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器、肘部2個(gè)線性執(zhí)行器和2個(gè)旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器、腕部4個(gè)線性執(zhí)行器、腰部2個(gè)旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器、髖部4個(gè)旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器、腿部8個(gè)線性執(zhí)行器。

力矩傳感器、諧波減速器、無框電機(jī)和編碼器為旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器重要零部件。特斯拉旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器由角接觸軸承、諧波減速器、交叉滾子軸承、編碼器、無框電機(jī)、力矩傳感器構(gòu)成，其中編碼器、無框電機(jī)、減速器和力矩傳感器價(jià)值量高于其他零部件。

反式滾柱為特斯拉線性執(zhí)行器中高價(jià)值量零部件。特斯拉人形機(jī)器人線性執(zhí)行器由深溝球軸承、無框電機(jī)、力矩傳感器、位置傳感器（編碼器）、反式滾柱和四點(diǎn)接觸球軸承構(gòu)成。

靈巧手采用6電機(jī)驅(qū)動(dòng)，空心杯電機(jī)為核心部件。擎天柱靈巧手采取了較為經(jīng)典的六電機(jī)布局，其中拇指采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)彎曲和側(cè)擺，其它4指各用1個(gè)電機(jī)帶動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)11個(gè)自由度。靈巧手主要由空心杯電機(jī)、螺紋絲杠、行星精密齒輪箱和編碼器構(gòu)成，其中空心杯電機(jī)為核心部件。算上雙手的12個(gè)執(zhí)行器后，特斯拉機(jī)器人的全身執(zhí)行器數(shù)量為40個(gè)。

力矩傳感器：為機(jī)器人提供觸覺，高性能產(chǎn)品價(jià)格昂貴

力矩傳感器為機(jī)器人提供觸覺，2022年全球市場空間為84億美元。皮膚使得動(dòng)物具有觸覺，力矩傳感器使得機(jī)器人具有觸覺。力矩傳感器是一種電子裝置，用于監(jiān)測、檢測、記錄施加在其上的線性力和旋轉(zhuǎn)力，常用于打磨、拋光碰撞檢測等領(lǐng)域。根據(jù)Market Insight，2022年全球力矩傳感器市場空間為84億美元，約600億元。按照測量維度上分，力矩傳感器可分為一維至六維傳感器，其中六維傳感器可測量X、Y、Z三軸力和力矩。

高性能進(jìn)口力傳感器價(jià)格昂貴，技術(shù)難度大。2022年，在接受高工機(jī)器人采訪時(shí)，坤維科技創(chuàng)始人熊琳表示：“一臺(tái)高性能的進(jìn)口力傳感器的價(jià)格頂?shù)蒙蠂鴥?nèi)一臺(tái)協(xié)作機(jī)器人的價(jià)格，導(dǎo)致國內(nèi)機(jī)器人行業(yè)用不起，加之標(biāo)校能力和生產(chǎn)方式等多方面的約束，國內(nèi)多數(shù)六維力傳感器廠商無法滿足產(chǎn)能需求，阻礙了第三代工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展?！逼浼夹g(shù)難點(diǎn)主要在于，六維力傳感器除了要解決對(duì)所測力分量敏感的單調(diào)性和一致性問題外，還要解決因結(jié)構(gòu)加工和工藝誤差引起的維間（軸間）干擾問題、動(dòng)靜態(tài)標(biāo)定問題以及矢量運(yùn)算中的解耦算法和電路實(shí)現(xiàn)。高性能六維傳感器價(jià)格從幾千到上萬不等，價(jià)值量較高。

編碼器：運(yùn)動(dòng)反饋核心部件，國內(nèi)產(chǎn)品核心指標(biāo)達(dá)到國際水平

編碼器為運(yùn)動(dòng)參數(shù)反饋核心部件。伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出信號(hào)給伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)編碼器將伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)反饋給伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服驅(qū)動(dòng)器再對(duì)信號(hào)進(jìn)行匯總、分析、修正。編碼器按照其原理可分為光電編碼器與磁電編碼器，其中光電編碼器使用較多。根據(jù)我們前期發(fā)布的報(bào)告《運(yùn)動(dòng)控制，機(jī)器人供應(yīng)鏈關(guān)鍵環(huán)節(jié)》（2022年8月15日），編碼器占電機(jī)成本的30%左右，結(jié)合伺服電機(jī)的市場規(guī)模，我們預(yù)計(jì)2022年全球編碼器市場空間為115億元，中國市場空間為54億元。

高端編碼器以歐美日企業(yè)為主，國內(nèi)頭部企業(yè)部分核心指標(biāo)已達(dá)到國際水平。編碼器分辨率決定了伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角位移分辨率，技術(shù)難點(diǎn)就在于碼盤的加工生產(chǎn)。碼盤的刻度線越多，控制精度就越高，碼盤體積越大。高端的編碼器以海德漢、西克、歐姆龍等歐美日企業(yè)為主，根據(jù)我們前期發(fā)布的《運(yùn)動(dòng)控制，機(jī)器人供應(yīng)鏈關(guān)鍵環(huán)節(jié)》（2022年8月15日），目前部分國內(nèi)頭部企業(yè)核心技術(shù)指標(biāo)已達(dá)到國際水平，但穩(wěn)定性和耐用性方面仍和國際領(lǐng)先水平仍有一定差距。

滾柱絲杠：性能強(qiáng)于滾珠絲杠，日歐占據(jù)70%市場

行星滾柱絲杠是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為線性運(yùn)動(dòng)的機(jī)械裝置，與滾珠絲杠的區(qū)別在于其載荷傳遞元件為螺紋滾柱。常見的行星滾柱絲杠在主螺紋絲杠的周圍，行星布置了6-12個(gè)螺紋滾柱絲杠，這樣將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為絲杠的直線運(yùn)動(dòng)。它能夠在極其艱苦的環(huán)境下承受重載上千個(gè)小時(shí)，這樣就使得行星滾柱絲杠成為要求連續(xù)工作應(yīng)用場合的理想選擇。反式滾柱中，滾柱不沿絲杠進(jìn)行軸向運(yùn)動(dòng)，其行程運(yùn)動(dòng)是在螺母的內(nèi)螺紋。滾柱絲杠和滾珠絲杠的主要區(qū)別在于載荷傳遞元件，一個(gè)為螺紋滾柱，一個(gè)為滾珠。

滾柱絲杠性能強(qiáng)于滾珠絲杠，反式滾柱尺寸更小。行星滾柱絲桿能承受的靜載為滾珠絲杠的3倍，壽命為滾珠絲桿的15倍；螺紋滾柱替代滾珠將使負(fù)載通過眾多接觸點(diǎn)迅速釋放，從而有更高的抗沖擊能力；行星滾柱絲杠能夠提供更高的旋轉(zhuǎn)速度和更高的加速度；行星滾柱絲杠的導(dǎo)程可以比滾珠絲杠制造的更小，而滾珠絲杠的導(dǎo)程受到滾珠的直徑限制；眾多接觸點(diǎn)將大幅度提高剛度和抗沖擊能力。反式滾柱較傳統(tǒng)的行星滾柱絲杠尺寸更小，未來滾柱絲杠有望憑借其優(yōu)異性能持續(xù)替代滾珠絲杠。

2022年全球/中國滾珠絲杠市場約為130/28億元，日本和歐洲占據(jù)70%市場份額。根據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)測，2022年全球滾珠絲杠市場空間約為130億元，中國滾珠絲杠市場空間約為28億元。為了實(shí)現(xiàn)高速或精密的加工，除在機(jī)床設(shè)備的結(jié)構(gòu)剛性進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)外，必須同時(shí)具備高速主軸系統(tǒng)和高速進(jìn)給系統(tǒng)，才能達(dá)到材料切削過程的高速化，這對(duì)于企業(yè)的制造能力和設(shè)計(jì)能力都有較高的要求。從市場競爭格局看，2021年全球主要的滾珠絲桿廠商有NSK、THK、SKF等，CR5市占率達(dá)到約46%，其中主要來自歐洲和日本，日本和歐洲滾珠絲桿企業(yè)占據(jù)了全球約70%的市場份額。國內(nèi)做滾柱和滾珠絲杠的企業(yè)較少。

無框電機(jī)：體積小效率高，國內(nèi)無框電機(jī)已達(dá)到國際水平

無框電機(jī)因其效率高、體積小、單位體積扭矩高適合用在旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)中，單個(gè)價(jià)值量在千元左右。無框電機(jī)多采用大尺寸中空直徑和低重量高功率密度的設(shè)計(jì)，只有轉(zhuǎn)子和定子兩個(gè)部件，企業(yè)可以由此設(shè)計(jì)出自重輕，中空走線的關(guān)節(jié)。轉(zhuǎn)子通常是內(nèi)部部件，由帶永磁體的旋轉(zhuǎn)鋼圓環(huán)組件構(gòu)成，直接安裝在機(jī)器軸上。定子是外部部件，齒輪外部環(huán)繞鋼片和銅繞組，以產(chǎn)生緊密攀附在機(jī)器殼體內(nèi)的電磁力。根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院測算，無框電機(jī)在1.5萬元的單個(gè)協(xié)作機(jī)器人關(guān)節(jié)中成本占比約為7%，價(jià)值量約為千元。

國內(nèi)企業(yè)無框電機(jī)已達(dá)到國際水平。無框力矩電機(jī)相較于標(biāo)準(zhǔn)伺服電機(jī)技術(shù)難度更高，因?yàn)闊o框力矩電機(jī)屬于低壓電機(jī)，但其要求輸出的功率較大，同時(shí)又要求體積較小，便于安裝和節(jié)約空間。無框力矩電機(jī)主要應(yīng)用在協(xié)作機(jī)器人領(lǐng)域，對(duì)整體安裝、固定的工藝及設(shè)計(jì)具有較高的要求。國外參與企業(yè)主要是科爾摩根、Moog、Maxon Motor等。

諧波減速器：高傳動(dòng)比/輕重量/小體積，國產(chǎn)替代趨勢明顯

諧波減速器可以通過降低轉(zhuǎn)速而提高扭矩，因高傳動(dòng)比/輕重量/小體積更適合用在機(jī)器人關(guān)節(jié)中。諧波減速器構(gòu)造主要包括剛輪（帶有內(nèi)齒圈的剛性齒輪）、柔輪（帶有外齒圈的柔性齒輪）、以及波發(fā)生器，通常采用波發(fā)生器主動(dòng)-剛輪固定-柔輪輸出形式，當(dāng)波發(fā)生器裝入柔輪內(nèi)圓時(shí)，迫使柔輪產(chǎn)生彈性變形而呈橢圓狀，此時(shí)長軸處柔輪齒輪插入剛輪的輪齒槽內(nèi)，為完全嚙合狀態(tài)；而短軸處則為脫開狀態(tài)，當(dāng)波發(fā)生器連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，迫使柔輪不斷產(chǎn)生變形并產(chǎn)生了錯(cuò)齒運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)波發(fā)生器與柔輪的運(yùn)動(dòng)傳遞。諧波減速器可以通過降低轉(zhuǎn)速而提高扭矩，以傳遞較大的負(fù)荷，克服伺服電機(jī)功率有限導(dǎo)致輸出的扭矩較小的缺陷。相較于行星減速器和RV減速器，其傳動(dòng)比高、重量輕、體積小，更適合用在關(guān)節(jié)中。

2022年中國諧波減速器市場規(guī)模為27億元，國產(chǎn)替代趨勢明顯。參照我們發(fā)布的報(bào)告《運(yùn)動(dòng)控制，機(jī)器人供應(yīng)鏈關(guān)鍵環(huán)節(jié)》（2022年8月15日）中的測算方式，按照單臺(tái)工業(yè)機(jī)器人使用3臺(tái)諧波減速器，每臺(tái)諧波減速器為3000元，結(jié)合GGII披露的2022年中國工業(yè)機(jī)器人銷量30.3萬臺(tái)，我們測算出2022年中國諧波減速器市場規(guī)模為27.3億元。2021年綠的諧波市場占有率為26%，較2018年的20%顯著提升，國產(chǎn)替代趨勢明顯。

國產(chǎn)諧波減速器核心參數(shù)已達(dá)到國際水平，精度、壽命與外資仍有一定差距。在效率、減速比、傳動(dòng)精度、扭矩剛度等關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)上，國產(chǎn)諧波減速器已經(jīng)基本達(dá)到了國際領(lǐng)先的水平，但是在使用壽命、故障率等方面仍有差距。一部分國產(chǎn)減速器長時(shí)間使用后仍有出現(xiàn)磨損、漏油、精度下降的情況，在產(chǎn)品穩(wěn)定性和使用壽命上仍需提升。減速器對(duì)技術(shù)積累要求非常高，細(xì)小的工藝差距會(huì)影響減速器的精度、損耗速度和壽命。打破海外技術(shù)壁壘的關(guān)鍵為設(shè)備和制造工藝：1）除了綠的諧波等企業(yè)通過工藝、材料的改進(jìn)解決設(shè)備卡脖子問題外，加速提高國產(chǎn)精密設(shè)備制造水平仍為關(guān)鍵。2）減速器屬于薄壁零件，如果熱處理技術(shù)不過關(guān)，會(huì)導(dǎo)致零件變形較大。

空心杯電機(jī)：靈巧手核心部件，大批量生產(chǎn)為難點(diǎn)

空心杯電機(jī)因其小體積，適合用于輕負(fù)載的靈巧手部位?？招谋妱?dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上突破了傳統(tǒng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式，采用的是無鐵芯轉(zhuǎn)子，也叫空心杯型轉(zhuǎn)子。這種新穎的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)徹底消除了由于鐵芯形成渦流而造成的電能損耗。同時(shí)其重量、體積和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大幅降低，從而減少了轉(zhuǎn)子自身的機(jī)械能損耗。由于轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)變化而使電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)特性得到了較大改善，不但具有突出的節(jié)能特點(diǎn)，更為重要的是具備了鐵芯電機(jī)所無法達(dá)到的控制和拖動(dòng)特性。

空心杯電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，大批量生產(chǎn)為難點(diǎn)。空心杯電機(jī)用途廣泛，包括工業(yè)控制、軍工、機(jī)器人、高端機(jī)床等。根據(jù)江蘇雷利2023年3月1日披露的投資者調(diào)研紀(jì)要，德國Faulhaber和瑞士Maxon銷售的空心杯電機(jī)+齒輪箱+編碼器集成件年銷售額約32億歐元，產(chǎn)品主要面向軍工和工業(yè)市場?？招谋姍C(jī)核心技術(shù)難點(diǎn)在于大批量生產(chǎn)和精密齒輪箱減速器。國內(nèi)眾多廠商采用手工繞線的方式生產(chǎn)，在生產(chǎn)效率、產(chǎn)品壽命、精度方面存在劣勢。

風(fēng)險(xiǎn)提示

特斯拉機(jī)器人方案變更：目前特斯拉機(jī)器人最終零部件方案仍在迭代中，未來存在變化可能性，從而導(dǎo)致潛在供應(yīng)鏈公司發(fā)生變化。

成本測算具有一定局限性：我們通過公開數(shù)據(jù)測算出的特斯拉機(jī)器人BOM表成本并不一定能代表其真實(shí)成本。

特斯拉機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化不及預(yù)期：目前我們測算出特斯拉機(jī)器人成本較為昂貴，若未來其產(chǎn)業(yè)化降本速度不及預(yù)期，可能會(huì)影響供應(yīng)鏈構(gòu)成速度。