人形机器人行业深度报告（二）：灵巧手带来空心杯电机增量市场

1分析师：尹沿技（SAC执业证书S0010520020001）2023年10月25日人形机器人行业深度报告(二)：灵巧手带来空心杯电机增量市场证券研究报告 2报告要点➢相关标的：鸣志电器、江苏雷利、兆威机电、鑫宏业。➢风险提示：特斯拉机器人量产不及时的风险、灵巧手的相关技术不能有所突破的风险、国内宏观经济下行的风险。➢2028年人形机器人将为灵巧手带来276亿元的市场：MarketsandMarkets报告预测人形机器人市场规模将从2023年的18亿美元增长到2028年的138亿美元，参考特斯拉Optimus量产目标售价2万美元，预测2028年人形机器人的销售量为69万个，灵巧手销售量为138万只。我们推测Optimus目前的成本约为31.6万元，参考Optimus整体价格降幅53.8%，假设到2028年灵巧手的价格降幅为60%，即从5万元/只降为2万元/只，那么2028年人形机器人产业将为灵巧手带来276亿元的市场。➢国内灵巧手生产商具有降本量产优势：德国Bebionic仿生灵巧手价格至少32万元/只，而因时灵巧手价格为5万元/只，我们认为可以满足人形机器人对灵巧手的基本要求，有望凭借价格优势实现一定的市场占有率。➢特斯拉灵巧手技术路线：特斯拉灵巧手为电机驱动+腱绳传动的内置式灵巧手，采用欠驱动方案以降低成本。参考其他典型灵巧手的电机方案，我们推测特斯拉灵巧手用的是无刷空心杯电机，直径约为13mm。➢关注空心杯电机投资机会：鸣志电器的空心杯电机原价为1162元，我们推测未来可以降至465元。按照6电机驱动的方案，2028年人形机器人会带来465×6×138万=38.5亿元的市场规模增量，约占灵巧手市场规模增量的14%。根据QYResearch报告，2022年全球空心杯电机市场规模为54.6亿元，假设在空心杯电机行业的下游应用领域中人形机器人占比为5%，即应用于人形机器人领域的空心杯电机销售额为2.7亿元，我们预测2028年应用于人形机器人领域的空心杯电机销售额为41.2亿元，将为国内生产商带来41.2×40%=16.5亿元的营收。➢空心杯电机国产替代加速：空心杯电机技术壁垒一是空心杯线圈绕组的设计和加工，二是绕线设备。鸣志电器产品达到了国际先进水平，且具有明显的价格优势，有望国产替代，且人形机器人会促使国内生产商加大研发投入，加快替代速度。目前空心杯电机主要被国外生产商所占据，国内生产商总体所占份额约为15%，预计到2028年将提升到40%。 3目录1人形机器人为灵巧手带来增量需求2灵巧手如何模仿人手结构？4灵巧手的空心杯电机3特斯拉灵巧手技术路线分析5相关标的 4人形机器人使用工具，灵巧手不可或缺资料来源：搜狐网，拓博尔机器人，智能制造网，特斯拉AI DAY 2022，华安证券研究所➢人手是发挥功能的重要器官：人类正常的工作与生活离不开双手的活动。在人与环境交互的需求中，手占据极其重要的地位。在我国永久性功能障碍分级标准中，人的上肢功能占全身功能的60%，手指功能占上肢功能的90%。➢灵巧手将人手的功能映射给人形机器人：人形机器人可以更加方便地使用为人设计的各种工具和仪器，一个主要原因就是灵巧手与人手有着相似的形态、结构和功能，能够完成灵活精细的抓取操作。如果没有灵巧手，那么人形机器人几乎没有用，因为它没有执行主要功能的设备以达到特定目的。图表：末端执行器分类图表：灵巧手的作用➢灵巧手通用性强：人形机器人的灵巧手是一种基于人手运动学设计的特殊末端执行器，不同于工业机器人的末端执行器的通用性较差，只能完成焊接、喷漆等特定任务，灵巧手具备通用抓取能力。基本特征为至少具有3个手指，每指至少具有3个轴线不完全平行的自由度，通常还集成力觉、接近觉等多种传感器。 5特斯拉灵巧手因时灵巧手Shadow灵巧手BrainRobotics仿生灵巧手Bebionic仿生灵巧手外观厂家特斯拉（国外）因时机器人（国内）Shadow Robot（国外）强脑科技（国内）Ottobock（国外）关节数目1112241010-12（估算）电机数目662065主要应用领域人形机器人人形机器人科研假肢假肢价格未知5万元/只约220万元/只10.8万元/只至少32万元/只国产灵巧手有较大的价格优势资料来源：淘宝网，小米技术，因时机器人，特斯拉AI DAY 2022，硅步机器人，Bionics For Everyone，脑机Hub公众号，搜狐网，中国工控网，华安证券研究所➢国外灵巧手的价格及应用领域：灵巧手技术壁垒较高，目前国外一些灵巧手技术先进，但是设计难度大，零部件多，所以价格很高，一般用于科研领域，如Shadow灵巧手报价约220万元/只。用于假肢领域的仿生灵巧手灵活程度稍差一些，但价格也相对较低，如德国的Bebionic仿生灵巧手价格至少32万元/只。图表：典型国内外灵巧手对比➢国内灵巧手的价格优势：灵巧手的国内生产商有因时机器人、浙江强脑科技、思灵机器人、蓝胖子机器智能等。其中浙江强脑科技的BrainRobotics仿生灵巧手应用领域是假肢行业，标准版价格是10.8万元/只。因时机器人是国内商业级五指灵巧手的龙头企业，因时灵巧手与特斯拉灵巧手有着类似的关节数和相同的电机数目，现在价格为5万元/只。我们认为，国内灵巧手生产商有望凭借降本优势进入特斯拉这样的人形机器人本体生产商的供应链。 6国内灵巧手可实现灵活抓取资料来源：MedSci，淘宝网，华安证券研究所➢人手的抓取操作：人手的运动涉及相当高的灵活性水平，能做出各种各样的动作，适用于执行各种需要抓握力的任务。人手有十三种基本功能，其中抓取操作有勾拉、侧捏、动态操作、球形抓握、球形指尖握、柱状抓握、二指尖捏和多指尖捏八种。图表：人手的基本功能图表：因时灵巧手抓取操作➢因时灵巧手可实现灵活抓取：虽然国外灵巧手在性能上高于国内灵巧手，例如Shadow灵巧手比因时灵巧手关节更多，自由度更多，传感器更多。但是国内的因时灵巧手在功能上也可以实现灵活抓取，可以复现人手的主要抓取操作。我们认为以因时灵巧手为代表的国内灵巧手可以满足人形机器人对灵巧手的基本要求，有望凭借价格优势实现一定的市场占有率。抓取操作 7特斯拉Optimus的BOM成本估算：灵巧手占比达31.64%资料来源：淘宝网，爱采购，中国供应商网，京东，雷锋网，网易科技，中关村在线，特斯拉AI DAY 2022，长江有色金属网，华安证券研究所图表：特斯拉Optimus的BOM成本估算 8特斯拉Optimus的各部位价值量资料来源：淘宝网，爱采购，中国供应商网，京东，雷锋网，网易科技，中关村在线，特斯拉AI DAY 2022，长江有色金属网，华安证券研究所图表：特斯拉Optimus的各部位价值量 9放量推动降价，人形机器人将为灵巧手带来广阔市场资料来源：Markets and Markets，澎湃新闻，华安证券研究所➢灵巧手销售量预估：MarketsandMarkets报告预测人形机器人市场规模将从2023年的18亿美元增长到2028年的138亿美元，参考特斯拉Optimus量产目标售价2万美元，我们预测2028年人形机器人的销售量为69万个，灵巧手销售量为138万只。➢灵巧手价格预估：特斯拉灵巧手为自研，假设现在特斯拉灵巧手价格为5万元/只（参考电机数目一样的因时灵巧手的售价）。我们推测特斯拉Optimus目前的成本约为31.6万元，而特斯拉Optimus量产时目标售价为2万美元，按照1:7.3的汇率换算为14.6万元，整体价格降幅为53.8%。参考特斯拉Optimus的整体价格降幅，考虑到现在灵巧手市场规模小，技术壁垒高，我们预测到2028年灵巧手价格降幅约为60%，即降为2万元/只。图表：灵巧手价格变化趋势预测5000020000010000200003000040000500006000020232028E单价（元）➢灵巧手的增量需求：目前灵巧手的用户主要是一些科研机构，市场规模较小，人形机器人产业爆发必将带来灵巧手的增量需求。预测2028年人形机器人灵巧手的销售量将增长为138万只。按照之前对灵巧手价格降幅的预估，灵巧手价格降为2万元/只，那么2028年人形机器人产业将为灵巧手带来276亿元的市场。 10目录1人形机器人为灵巧手带来增量需求2灵巧手如何模仿人手结构？4灵巧手的空心杯电机3特斯拉灵巧手技术路线分析5相关标的 11人手的结构决定功能资料来源：搜狐网，新华网，中国科学技术馆，华安证券研究所➢人手具有独特的结构和功能：与其他手指相比，大拇指有着独特的解剖结构，拇指功能的完善让人类能够更好地使用工具。人手可以通过弯曲手指并向手掌中心旋转，让拇指与其他四指指尖相碰，这是其他灵长类动物难以做到的。大拇指结构特殊，只有近节指骨和远节指骨两节指骨，其余四指都有三节指骨。大拇指的腕掌关节为双凹的鞍状结构状结构，所以大拇指虽然只有两节指骨，但却是手指中最灵活的。➢手部的骨骼和关节结构，为手功能的实现提供了结构基础：手部有27块骨头和19个关节，由34块肌肉牵引完成动作，被48条神经控制。手部骨头分为5块掌骨、14块指骨以及8块腕骨，指骨可分为近节指骨、中节指骨和远节指骨。手部关节主要包括腕掌关节、掌指关节和指间关节等。《手功能评判标准》中规定，如果在手部结构完整的情况下，手功能为100%，其中大拇指占整个功能的40%，而其他手指中占比最高的也只占20%。➢灵巧手模仿人手结构：人形机器人的灵巧手以人手的结构和功能为模仿对象，其研究的最终目标也是期望能够像人手那样对形态各异的物体进行稳定灵活的抓取操作。 12人手自由度分析：可以屈伸和外张内收资料来源：搜狐网，《Gray’s Anatomy》，华安证券研究所➢人手自由度：可以根据解剖学假定人手自由度是21个（不计算手腕）。大拇指有5个自由度，其余四指各有4个自由度。指间关节为铰链关节，可绕中心轴转动，只有1个转动自由度。第一腕掌关节尤为特殊，属于双凹的鞍状关节，灵活性更高，构成拇指对掌和对指活动。鞍状关节掌指关节是椭圆关节，一个关节面是椭圆形的突起，另一个关节面是椭圆形的凹陷，运动发生在两个正交的轴上，有2个自由度。➢大拇指自由度：指间关节有1个自由度；掌指关节有2个自由度，可以屈伸，也可以外张内收；腕掌关节是鞍状关节，有2个自由度，可以屈伸，也可以外张内收。椭圆关节铰链关节➢其余四指自由度：2个指间关节各有1个自由度；掌指关节有2个自由度，可以屈伸，也可以外张内收。 13灵巧手模仿人手结构，有望替代人手功能资料来源：《Integrated linkage-driven dexterous anthropomorphic robotic hand》，华安证券研究所➢灵巧手模仿人手结构：以ILDA灵巧手为例，ILDA灵巧手有5根手指和20个关节，与人手结构高度相似，电机都集成在手掌中，且手指都带有指尖传感器。➢自由度分析：ILDA灵巧手有15个自由度，实现了掌指关节中的2自由度运动和近端指间关节中的1自由度运动，掌指关节可以屈伸，也可以外张内收，近端指间关节可以屈伸，远端指间关节无自由度。图表：ILDA灵巧手的仿人手运动学结构图表：ILDA灵巧手的功能➢能够复刻人手部分功能：ILDA灵巧手能够进行抓握、剪纸、用镊子精细夹取等动作，复刻了人手部分功能。随着技术的进一步突破，灵巧手有望替代人手功能，可以使用为人设计的各种工具和仪器。 14时间灵巧手外观手指数自由度数驱动传动传感结构1974年Okada灵巧手311电机腱电机/关节位置，电机电流外置1983年UTAH/MIT灵巧手416气动腱电机/关节位置，张力，触觉外置1983年Stanford/JPL灵巧手39电机腱电机位置，张力，指尖力，指尖触觉外置灵巧手发展历程：从三指到五指，传感功能升级资料来源：《机器人多指灵巧手的研究现状、趋势与挑战》，《机器人灵巧手的研究与发展》，华安证券研究所➢20世纪80年代：20世纪80年代是灵巧手发展的一个里程碑，取得了许多成果，产生了具备了位置、力/力矩等基本传感功能的现代灵巧手。1983年美国的Stanfor