人形機器人供應鏈梳理專題報告

科技 07-09

（報告出品方：中信建投證券）

1. 特斯拉推進人形機器人產業鏈快速發展

人形機器人廠商不斷湧現

人形機器人研究起步於雙足行走的模仿，拓展至人工智慧的研發。由日本早稻田大學加藤一郎教授率先解決了人形機器人的雙足行走問題，至此揭開了人形機器人研究的序幕。行走機構的設計以及相應控制方法的解決推動著人形機器人邁向自主式：1973年，加藤一郎等人在WL-5 的基礎上配置了機械手以及人工視覺、聽力裝置組成了自主式機器人WAROT-1，人形機器人的研究也逐漸擴展到人工智慧方面。

人形機器人在控制方法和人工智慧技術不斷更迭的基礎上取得了迅速發展，商業化條件日益成熟。1990年以來，機器人的行走能力、智能化和功能也越來越強大，本田公司的ASIMO是行業的典範。2010以來，互聯網的發展推動人形機器人受到了更多大眾關注，技術也愈發成熟， 2015年，Pepper的市售是人形機器人走入大眾市場的重大嘗試，2021年波士頓動力旗下Atlas的跑酷視頻一經發出便收穫百萬點贊，電動車巨頭Tesla也於2021年宣布將推出人形機器人產品「擎天柱」，預計該項目的價值將超過電動車和FSD晶元。

Tesla Bot堅持仿人設計，向高性能方向發展

首先，從研發進展來看，自2021年AI日推出概念機以來，特斯拉人形機器人已經完成多個版本迭代， 2022年AI日展示了平台機型第二代版本，目前仍在第二代版本的基礎上持續改進。其次，從步態行走技術來看，Tesla Bot在2022年4月就完成了第一次步態行走，其後在6月、8月、9月持續完善行走功能，在2023年5月的股東大會上，Tesla Bot已經能夠在工廠內實現穩步行走。最後，從功能來看，2022年10月，Tesla Bot具備了一定的抓取、搬運、上下料功能；2023年3月，Tesla Bot展示了使用螺絲刀的功能；2023年5月股東大會上， Tesla Bot展示了雙手處理複雜任務的能力，這是當前人形機器人最難做到的一部分。此外，在2023年5月的股東大會展示的新版本中，Tesla Bot還表現出了：①精準的控制力， Tesla Bot電機轉矩控制已經可以達到十分精密的水平，能夠在運動過程中不打碎腳下的雞蛋。②探索並記憶環境功能，特斯拉汽車的FSD（全自動駕駛）系統和人形機器人的底層模塊已經打通，人形機器人可以使用FSD構建強大的視覺系統，通過攝像頭讓模型快速遷移，有望構建有史以來最大的人形機器人數據飛輪。

Tesla Bot將推動機器人更便宜更好用，帶來需求爆發

2020年，全球工業機器人安裝量約達到38.35萬台，同比增長2.76%；2021年全球工業機器人安裝量達到51.74萬台，同比增長34.90%。2021年全球工業機器人保有量達到347.71萬台，同比增長15.33%。目前全球工業機器人的年安裝量水平，還不如全球挖機的年銷量（超過60萬台，其中中國市場2022年銷量15.2萬台），工業機器人與挖機都是人工替代，且前者應用場景更多，理論上工業機器人年安裝量應該遠高於挖機年銷量。

2. 人形機器人執行系統供應鏈分析

人形機器人執行系統總覽

從執行系統來看，根據特斯拉2022年的AI日展示的細節，Tesla Bot擁有40個機電執行器，其中軀幹腿部手臂共有28 個執行器，包括14個旋轉執行器、14個線性執行器；手指有12個執行器。Tesla Bot軀幹腿部手臂的28個執行器又可以分為6類，包括扭矩為20、110、180Nm的旋轉執行器和牽引力為500、 3900、8000N的線性執行器。Tesla Bot手指的12個執行器分布於兩隻手，單個手擁有6個執行器、11個自由度。

電機：為人形機器人提供驅動力

電機是指依據電磁感應定律實現電能轉換或傳遞的一種電磁裝置，通常由定子、轉子、殼體、結構件構成。電機可分為電動機與發電機兩個大類。電動機也稱電機（俗稱馬達），它的主要作用是將電能轉換為機械能，利用通電線圈產生旋轉磁場並作用轉子形成磁電動力旋轉扭矩，作為用電器或機械的動力源。發電機的主要作用是把機械能轉化為電能。本報告中所提到電機指電動機，以電磁場作為媒介將電能轉化為機械能，實現旋轉或直線運動，作為用電器或各種機械的動力源。

編碼器：實現電機位置&速度反饋，助力精準運動控制

編碼器主要用來測量磁極位置和電機轉角及轉速。編碼器是一種可以將角位移或直線位移轉換成電信號，並將電信號進行解析、編製和轉換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設備。編碼器通常安裝在閉環控制的電機系統上用以測量磁極位置和電機轉角及轉速。編碼器解析度對電機系統的控制精度具有重要影響。編碼器在電機系統中成本佔比並不高，以伺服系統為例，編碼器占其成本中佔比約為11%。但是，編碼器對電機系統性能起決定性作用，對電機的定位精度、速度穩定性、功率損耗和安全性都有重要影響。

減速機：實現動力傳動的重要部件

減速機是原動機和工作機之間的獨立的閉式傳動裝置，起到匹配轉速和傳遞扭矩的作用。減速機是一種相對精密的傳動裝置，其主要針對的減速對象是電機，在原動件與工作機之間起到匹配轉速和傳遞扭矩的作用。減速機的工作原理是將原動機提供到輸入軸的動力，通過減速機的輸入軸上齒數少的齒輪嚙合輸出軸上的大齒輪傳動到輸出軸上，從而驅動工作設備運轉，以達到降低轉速、增大扭矩的作用。

減速機通常由齒輪、箱體、軸承、法蘭、輸出軸等主要部件組成。齒輪是輪緣上有齒、能連續嚙合傳遞運動和動力的機械元件；軸承是減速機中支撐相對旋轉軸的部件；箱體指減速機的基座；法蘭是減速機中的重要連接部件；輸出軸是減速機向工作機輸出動力的軸。

減速機是工業動力傳動不可缺少的重要基礎部件之一。絕大多數工作機負載大、轉速低，不適宜用原動機直接驅動，需通過減速機來降低轉速、增加扭矩，因此絕大多數的工作機均需要配用減速機。作為工業動力傳動不可缺少的重要基礎部件之一，減速機廣泛應用於環保、建築、電力、化工、食品、物流、塑料、橡膠、礦山、冶金、石油、水泥、船舶、水利等行業。

軸承：支撐旋轉體，助力精準傳動

軸承是機械設備中的一種重要零部件。軸承作為現代機械設備中應用廣泛的一種高精密機械基礎運動部件，其主要功能是支承旋轉軸或其它運動體，保證旋轉精度，降低設備在傳動過程中的載荷摩擦係數。軸承的精度、性能和可靠性對機械設備的性能起著關鍵作用，軸承技術水平直接影響著工業發展的水平。

根據軸承工作時運轉的軸與軸承座之間的摩擦性質，軸承可分為滾動軸承和滑動軸承兩類。滾動軸承的摩擦係數小，摩擦阻力及啟動摩擦力矩小，功率消耗少，並且標準化、產業化程度高，應用最廣泛，通常所說的軸承，一般也指滾動軸承。

滾動軸承基本由外圈、內圈、滾動體和保持架等構成。軸承套圈包括內圈、外圈，每個套圈上都有滾道，內圈的滾道在外表面，外圈的滾道在內表面。滾動體在滾道上滾動，兩者的接觸面支撐施加在軸承上的負荷。滾動體可分為球和滾子兩大類，滾子按形狀又分為圓柱滾子、滾針、圓錐滾子和球面滾子。滾動體在軸承套圈之間滾動，承擔載重的任務。軸承按照滾動體的列數可以分為單列、雙列和多列。保持架並不直接承受載荷，其作用是按照一定的間隔將滾動體保持在正確的位置上，同時防止滾動體脫落。

絲杠：線性執行器重要部件，模擬人體肌肉功能

根據2022年特斯拉AI日，新版本的Tesla Bot依然擁有40個機電執行器——手臂8個、軀幹8個、手部12個、腿部12個；其中採用線性執行器的有14個，分別為腕部、踝部的俯仰（pitch）、偏航（yaw）角，髖部、肘部、膝部的俯仰（pitch）角。線性執行器主要採用「電機行星滾柱絲杠軸承感測器」實現，行星滾柱絲杠是核心部件之一。

關節總成：集成多個重要零部件，成本佔比高

關節總成包含多個重要零部件，成本佔比高，市場空間巨大。關節總成是機器人的核心部件之一，由於人型機器人需要模擬人類的各種行動，因此需要較多的關節才能實現此要求，且每個關節需要使用無框力矩電機、位置感測器、諧波減速器或絲杠等多個重要零部件。以Tesla Bot為例，根據我們測算，完全批量化生產後，其40個關節的執行系統成本占整個人形機器人零部件成本的48.82%，未來市場空間巨大。

國內廠商積極布局。目前國內機器人關節總成領域主要有兩類參與者：①三花智控、拓普集團由於過去和特斯拉在電動車領域有良好的合作，因此開始逐步配合其人形機器人關節總成項目研發。②綠的諧波憑藉自身諧波減速器、無框力矩電機、電液驅動關節等技術積累，有望切入人形機器人關節總成。

3. 人形機器人感知系統供應鏈分析

感測器：機器人感知系統的重要器件

感測器(Sensor)是感受規定的被測量並按一定規律將其轉換為有用信號的器件或裝置。根據國家標準GB7665-87，感測器可被定義為：「能感受規定的被測量並按照一定的規律（數學函數法則）轉換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成」。對於感測器來說，按照輸入的狀態，輸入可以分成靜態量和動態量。在各個值處於穩定的狀態下，根據輸出量和輸入量的關係可得到感測器的靜態特性。感測器的靜態特性的主要指標有線性度、遲滯、重複性、靈敏度和準確度等。感測器的動態特性則指的是對於輸入量隨著時間變化的響應特性，動態特性通常採用傳遞函數等自動控制的模型來描述。

視覺感測器：純視覺感知方案，與Tesla自動駕駛同源

根據2021年8月特斯拉AI日上的展示，特斯拉電動車的感知方案採用純視覺感知方案，完全摒棄掉激光雷達、毫米波雷達等非攝像頭感測器，僅採用攝像頭進行感知，在自動駕駛領域獨樹一幟。人類通過眼睛感知世界的原理為：光線通過眼睛被視網膜採集信息，經過傳遞與預處理，信息抵達大腦視覺皮層，神經元從視網膜傳遞的信息中提取出顏色、方向、邊緣等特徵結構，再傳遞給下顳葉皮層，然後經過認知神經網路的複雜處理最終輸出感知結果。自動駕駛視覺感知方案是效仿人類視覺系統原理，攝像頭便是「汽車之眼」，特斯拉汽車共計採用八個攝像頭分布在車體四周，車身前部有三個攝像頭，分別為前視主視野攝像頭、前視寬視野攝像頭（魚眼鏡頭）以及前視窄視野攝像頭（長聚焦鏡頭），左右兩側各有兩個攝像頭，分別為側方前視攝像頭和側方後視攝像頭，車身後部有一個後視攝像頭，整體實現360度全局環視視野，最大監測距離可以達到250米。

4. 人形機器人其他零部件供應鏈分析

電池：為人形機器人提供動力源

鋰離子電池在新能源電動車中應用較為廣泛。電池是能將化學能轉化成電能的裝置，按照是否可重複使用進行劃分，電池可以分成原電池與蓄電池。原電池也叫一次電池，製成後即可產生電流，但在放電完畢即被廢棄。蓄電池又稱為二次電池，使用前須先進行充電，充電後可放電使用，放電完畢後還可以反覆充電循環使用。蓄電池按所用電芯的正負極材料可以進一步鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子電池。其中，鋰離子電池由於比能量高、循環壽命高等優勢目前在新能源電動車中應用較為廣泛。

鋰離子電池主要由正極材料、負極材料、電解質、隔膜4個部分組成。其中正負極材料能夠使得鋰離子在其中進行可逆地嵌入和脫出，以達到儲存和釋放能量的目的。電解質一般具有的鋰離子電導率和極低的電子電導率，能夠讓鋰離子可以在電解液中快速傳導並減少自放電。隔膜處於正負極材料中間，避免電池因兩電極直接接觸而短路，並且對電解質具有較好的浸潤性，能夠形成鋰離子的遷移通道。

熱管理：提升能效、控制溫度

熱管理需要滿足能效提升和控制溫度需求，根據不同場景應用不同的架構。①家用空調：變頻控制是空調技術升級核心方向，涉及電動壓縮機、電子膨脹閥、換熱器等部件應用； ②燃油車汽車空調：發動機提供動力源並作為熱源，空調冷媒（製冷）迴路結構簡單。 ③新能源車熱管理系統：目標是降低電池實現製冷與制熱功能的能耗，實現各迴路熱量與冷量需求的內部匹配以及三電系統及座艙溫度平穩可控。

結構件：鋁合金壓鑄件有望在人形機器人中繼續使用

鋁合金兼顧減重率和性價比，有望在人形機器人中繼續使用。根據2023年特斯拉股東大會中展示的人形機器人形象，Tesla Bot使用鋁合金作為外殼。我們判斷 Tesla Bot在後續版本中仍將繼續使用鋁合金結構件，主要由於鋁合金結構及成本、輕量化、工藝成熟度、環保優勢明顯：①成本：鋁合金材料價格略高於高強度鋼，遠低於鎂合金與碳纖維材料；②從減重率看：鋁合金密度為2.8g/cm3，減重率在40%~50%之間，僅弱於碳纖維和鎂合金，大幅強於高強度鋼；③ 工藝難度：鋁合金相關工藝已十分成熟，生產效率較高，鋁壓鑄、鋁壓延、鋁擠壓、鋁鍛造工藝已實現大規模應用；④回收率：鋁合金的回收率最高，可推動再生鋁產業發展，符合當前節能減排迫切需求，也可降低上游原材料成本。