人形机器人行业报告：Tesla bot孕育新革命，汽零迎再成长机遇

投资建议：以特斯拉为代表的汽车厂商积极投入人形机器人产业，汽车零部件有望发挥研发、制造、资金等优势，借助汽车客户优势，切入机器人新赛道。人形机器人蓝海市场即将爆发，汽车零部件供应商向机器人业务延伸打造成长新曲线，其中执行总成、减速器、丝杠等环节弹性大，部分汽车零部件供应商原有业务与机器人关键部件有协同性，有望向机器人业务延展，推荐双环传动、拓普集团、精锻科技，受益标的三花智控、贝斯特等。 特斯拉人形机器人迭代加速，孕育新科技革命。特斯拉将人形机器人Optimus系列与电动车Model系列作为同样重要的产品线，希望打通工业、商用、家用场景限制，填补劳动力缺口，用机器代替人类执行危险、无聊、重复和人们不愿意做的工作，打造下一代的超级智能终端。2022-2023年特斯拉人形机器人以每3-6个月的时间间隔加速迭代，擎天柱从缓慢挥手向集体行走到单腿直立等复杂动作迅速迭代，越来越接近商业化落地，人形机器人蓝海市场即将爆发。 执行器总成是人形机器人硬件的核心，精密减速器、丝杠、空心杯电机等零件弹性充足。人形机器人大规模量产后预计执行器总成仍占据人形机器人最主要的成本，其中旋转执行器和线性执行器分别占成本的38.4%和33.6%。按每100万台人形机器人测算，考虑量产后的成本和价格下降，关键零部件无框力矩电机、精密减速器、滚柱丝杠、力传感器、空心杯电机的增量市场空间分别为280亿元、140亿元、140亿元、140亿元、96亿元，较现有市场空间均显著提升，相关供应链弹性十足。 汽车零部件向机器人产业延伸，把握特斯拉产业链二次成长新机遇。 特斯拉机器人的设计、开发、供应链借鉴了汽车的丰富经验，相关汽车零部件有望率先参与特斯拉机器人产业，打造第二成长曲线。我们认为在汽车零部件寻找机器人相关投资机会选择的标准有两个：一是特斯拉车链供应商，二是具有机器人相关业务或者原有业务有向机器人延伸可能的公司。机器人关节的执行总成、减速器、丝杠等环节弹性大，部分汽车零部件供应商原有业务与机器人关键部件有协同性，有望向机器人业务延展，推荐双环传动、拓普集团、精锻科技，受益标的三花智控、贝斯特等。 风险提示：人形机器人技术进展不及预期；机器人产业政策风险；核心零件降本不及预期。 1.结论及投资建议 以特斯拉为代表的汽车厂商积极投入人形机器人产业，汽车零部件有望发挥研发、制造、资金等优势，借助汽车客户优势，切入机器人新赛道。 特斯拉机器人的设计、开发、供应链借鉴了汽车的丰富经验，相关汽车零部件有望率先参与特斯拉机器人产业，打造第二成长曲线。我们认为在汽车零部件寻找机器人相关投资机会选择的标准有两个：一是特斯拉车链供应商，二是具有机器人相关业务或者原有业务有向机器人延伸可能的公司。机器人关节的执行总成、减速器、丝杠等环节弹性大，部分汽车零部件供应商原有业务与机器人关键部件有协同性，有望向机器人业务延展，推荐双环传动、拓普集团、精锻科技，受益标的三花智控、贝斯特等。 表1：重点公司盈利与估值表 2.Tesla bot不断迭代，孕育下一轮科技革命 2.1.特斯拉引领，人形机器人即将爆发 特斯拉强势进军人形机器人市场，引领下一轮科技革命。2021年8月19日，特斯拉在首个AI日上发布人形机器人概念图及视频，宣布特斯拉通用机器人计划。2022年9月30日的AI日特斯拉Optimus原型机首次现身，特斯拉人形机器人加速推进。 特斯拉计划将Optimus系列机器人与Model系列电动车作为同样重要的产品线，打通工业、商用、家用场景限制，填补劳动力缺口，用机器代替人类执行危险、无聊、重复和人们不愿意做的工作，整合各类应用场景，成为继PC、手机、智能电动汽车后下一代的超级智能终端。 图1：特斯拉人形机器人Optimus原型机 特斯拉人形机器人不断迭代，商业化落地持续加速。2022年9月特斯拉原型机只能缓慢张手、抬手，发布会现场由工人人员搬运出场，发布会展示的视频中只能做下蹲、拿/搬运箱子、抓取物体、浇花等简单动作。 2023年5月特斯拉发布的演示视频中可以集体步行、灵活抓取放下物体等更复杂的动作。2023年9月，特斯拉再度发布新视频，特斯拉机器人可以依靠视觉对物体分类、找准身体平衡感，能做出单腿直立等动作。 特斯拉人形机器人以每3-6个月的时间间隔加速迭代，细节方案越来越向商业落地靠近。 图2：特斯拉人形机器人不断迭代 图3：2023年5月特斯拉机器人可以集体步行、灵活图4：2023年9月特斯拉机器人可以物体分类、找准抓取放下物体身体平衡感、单腿直立等动作 1.1.人形机器人有望成为下一个新能源汽车 回顾新能源车的发展，人形机器人处在商业化的前夜。在特斯拉出现之前，新能源车也面临过成本与需求不清晰的混沌期，主要是短期技术的限制造成的。尽管电动汽车19世纪就诞生，早于汽油车，但当时电池密度低、寿命端，无法与快速进步的内燃机汽车竞争，在过去百年之中市场先选择了汽油车。随着2005年后电池技术的多轮迭代，续航、充电、寿命等性能都取得突破，在特斯拉的引领下，成本与需求的瓶颈被打破，新能源汽车市场最终迎来了爆发。 人形机器人目前尚未大规模量产，但随着控制方法、人工智能、深度学习等计算机、通信技术的不断突破，人形机器人快速迭代，以最新一代的波士顿动力双足机器人Atlas为例，仅6年左右的时间，Atlas从蹒跚学步进展到了流畅跑酷。在劳动力不足的大背景下，技术进步叠加资本进入，产业也亟待更多人形机器人的市场化落地。 图5：新能源车在能源和环境问题的背景下经历了多轮技术迭代，由特斯拉引领走向市场化 图6：随着计算机、通信、人工智能、深度学习等技术的进步，人形机器人产业即将爆发 特斯拉有望成为人形机器人行业的破局者，特斯拉人形机器人Optimus是新能源车中的Model系列。特斯拉从Roaster到Model S/X，再到Model3/Y，加速了全球电动化，尤其是特斯拉中国工厂，一方面实现了更高效率、更低成本的大规模生产，另一方面拉动了消费者对电动车接受度的提升。特斯拉人形机器人有望复制其在新能源汽车上的路径，发挥其强大的工程能力以及人工智能上的优势，整合并创新现有技术，实现低成本、高效率的大规模量产，推动人形机器人全球化的应用。另外，中国供应链在特斯拉新能源汽车降本上发挥了重要作用，上海工厂扮演了特斯拉产能释放的最重要的角色之一，我们认为在人形机器人市场，中国供应商和供应链同样也会发挥类似的作用。 图7：特斯拉的Model系列历经10年，推动了全球新能源汽车发展 3.人形机器人的关键部件 3.1.采用电驱路线，执行器是人形机器人的最核心 特斯拉人形机器人采用电驱动的技术路线，即电机+减速器的执行器。 根据2022年特斯拉AIDAY发布会，特斯拉人形机器人全身包括28个运动关节（不含手部），采用集中式的布局，包括三种旋转执行器和三种线性执行器。特斯拉的人形机器人手指有6个执行器和11个自由度，搭载了能够驱动手指并进行感知的传感器。 图8：2022年特斯拉AI DAY展示的机器人关节方案 图9：特斯拉机器人关节各类驱动器的全身分布 图10：特斯拉机器人关节驱动器共有2类6种 图11：特斯拉机器人手指有6个执行器11个自由度 表2： 机器人关节驱动器是双足仿人机器人关键部件，按动力来源可以分为液压、气动、电机驱动等，特斯拉人形机器人采用电机驱动的方式。电机驱动方案的驱动器一般由电机、减速器、编码器、控制板和控制软件等组成，分为刚性驱动器、弹性驱动器和准直驱驱动器等类型。传统刚性驱动器由电机、高传动比减速器、刚性力矩传感器、输出端组成，其中刚性力矩传感器是可选择项；弹性驱动器在高传动比减速器与输出端之间加了弹性体，用位置传感器检测弹性体的形变，可以推断出力矩的大小；准直驱驱动器是高力矩密度电机+低传动比减速器的组合，通过电机的电流大小间接推断出输出力矩的大小。 图12：双足仿生机器人驱动器从刚性驱动器向弹性驱动器、准直驱驱动器发展演进 刚性驱动器设计理论相对成熟，在传统的双足机器人、工业机器人、协作机器人和工业精密转台等方面得到广泛应用，但由于电机和减速器功率密度限制，限制其在双足仿人机器人上的应用。弹性驱动器由于弹性体引入，给控制带来了难度，尤其在机器人腿部使用，因此弹性驱动器需要在功率密度、能量效率、结构布局等指标间平衡，结合机器人整机结构布局、运动步态控制算法做整合优化。准直驱驱动器目前主要应用在四足机器人中，技术发展迅速，但需要在编码器技术创新和电机功率密度上突破。 表3：双足仿生机器人驱动器各有特点 3.2.精密减速器：旋转执行器的“肌腱” 特斯拉人形机器人的肩、髋等需要大角度旋转关节所采用的主要是旋转执行器。根据特斯拉2022年AIDay发布会，特斯拉旋转关节分为3种尺寸，由无框电机、双编码器、力矩传感器、谐波减速器组成。 图13：Tesla 2022 AI Day展示了3款旋转关节 图14：特斯拉旋转执行器的结构 精密减速器是旋转执行机构的核心部件之一。减速器是连接动力源和执行机构的中间机构，具有匹配转速和传递转矩的作用，类似于工业机械的“肌腱”。电机有高转低扭的特点，因此每台伺服电机都要搭配使用一个减速器，实现降低转速、提升扭矩以满足不同的工况。按照控制精度划分，减速器可分为一般传动减速器和精密减速器。一般传动减速器控制精度低，可满足机械设备基本的动力传动需求。精密减速器回程间隙小、精度较高、使用寿命长，更加可靠稳定，应用于机器人、数控机床等高端领域。精密减速器种类较多，包括谐波减速器、RV减速器、摆线针轮行星减速器、精密行星减速器等。 图15：减速器分为一般传动减速器和精密减速器 谐波齿轮减速器是一种靠波发生器使柔轮产生可控的弹性变形波，通过其与刚轮的相互作用，实现运动和动力传递的传动装置，其构造主要由带有内齿圈的刚性齿轮（刚轮）、带有外齿圈的柔性齿轮（柔轮）、波发生器三个基本构件组成。谐波传动有回差小、运动精度高、传动比大、体积小、重量轻等优点。 图16：谐波减速器由刚轮、柔轮、波发生器组成 谐波传动的工作原理采用波发生器主动、刚轮固定、柔轮输出形式，当波发生器装入柔轮内圆时，迫使柔轮产生弹性变形而呈椭圆状，使其长轴处柔轮齿轮插入刚轮的轮齿槽内，成为完全啮合状态；而其短轴处两轮轮齿完全不接触，处于脱开状态，当波发生器连续转动时，迫使柔轮不断产生变形并产生了错齿运动，从而实现波发生器与柔轮的运动传递。 柔轮是谐波减速器关键部件，在谐波减速器运动中不断变形，容易发生疲劳断裂，因此提升柔轮精度、保持寿命是柔轮设计和热处理工艺最为关键的目标，其原材料、齿轮齿形设计以及热处理工艺都会对其性能产生影响。 图17：谐波传动使用柔性机构实现机械传动 RV减速器是在传统摆线针轮、行星齿轮传动装置的基础上发展起来的传动机构。RV减速机由一个行星齿轮减速机的前级和一个摆线针轮减速机的后级组成，主要零件包括正齿轮（行星轮）、RV齿轮、曲柄轴、销（针齿销）、外壳（针轮）、输出轴等。 图18：RV减速机由一个行星齿轮减速机的前级和一个摆线针轮减速机的后级组成 RV减速机通过正齿轮变速、差动齿轮变速进行变速。正齿轮变速通过行星轮和太阳轮实现的齿轮变速。差动齿轮变速是行星轮带动曲轴旋转，曲轴带动RV齿轮摆动。在第一减速部中，输入轴的旋转从输入齿轮传递到直齿轮，按齿数比进行减速；在第二减速部中，有一个曲柄轴与直齿轮相连接，在曲柄轴的偏心部分，通过滚动轴承安装RV齿轮，曲柄轴会带动RV减速机做偏心运动，当曲柄轴转动一周，RV齿轮就会沿与曲柄轴相反的方向转动一个齿，从而达到减速效果。 RV减速机具有高精度、大速比、高刚性、高过负载及长寿命特点，且具有振动小，噪音低，能耗低等优点。RV减速器与谐波减速器一样，具有精度高、单机传动比大等特点，但相较于谐波减速器，RV减速器组成更加复杂，导致体积和重量较大，由于不存在变形运动，因此具有更高的刚性和扭矩承载能力，主导重负载精密减速器领域。 图19：RV减速机通过