人形机器人

Tesla Bot 将于9月末

AI Day上发布原型机
引发市场一顿热炒……

Ⅰ 背景梳理

1、人形机器人 一夜爆红的背景
特斯拉 高调入局，产业链为之振奋。
人形机器人是具有和人类似的身体结构和运动方式的机器人，技术难度极高，是运动控制和人工智能等领域高精尖技术的集大成者。
目前全球参与者并不多，产业处于早期阶段；但现有参与者经过数十年来的研发迭代，已能让机器人具备一定运动能力、执行任务能力、环境适应能力，未来可期。
在特斯拉示范效应下，产业有望从研发阶段步入量产阶段。

2、与传统机器人的本质区别
① 定位不同
传统的工业、服务机器人只是一个工具；
而人形机器人是智能手机之后的下一代智能终端。
② 智能程度不同
传统的工业、服务机器人都是内置一个非常specific的程序，去执行一个预设好的具体指令。
而人形机器人可以基于AI学，去识别并执行一个“含混的指令”，比如照顾好我的宝宝、帮我收快递等等。

3、人形机器人的两大商业价值
① 入口价值
作为时常陪伴人（人在它身上花费时间）的设备，具备商业入口价值，类比手机和车。
② 统一市场价值
目前机器人全球年销量不到50万台，四大中除发那科外都不能盈利，技术壁垒不高，应用场景也窄。
目前的机器人偏“专用”属性，工业是工业的，服务是服务的，特种是特种的，然后每个大类里面还细分很多小类，每一款机器人都只能用在范围很窄的单一应用场景。
而人形机器人出现后，通过设计上的冗余而具备了“通用”属性，从而有望在每一个原有的应用场景都实现降维打击，于是把原来多个低壁垒的分散小市场变成一个统一大市场。

4、目前面临的三大技术难点
① 基础保障
电源系统，缩小体积和轻量化，散热等需求。
② 任务执行
实现双足行动，对电机功率密度、控制算法都有较高要求。
多指手和双手协作方面，对传感器、驱动器、控制器都有较高要求。
③ 认知决策
与自动驾驶存在相似之处，依赖人工智能的高度发展。

Ⅱ 玩家大起底

1、Tesla Bot的自我介绍
我的生日：马斯克去年2021年8月就确定了入局，2022年6月宣布了930发布擎天柱原型机。
我的外形：身高173cm，体重57kg，负重、行进速度等表现均较好。
我的成本：马斯克宣称未来量产成本有望低于车，约2.5万美金。
交互和运动控制：会采用轻质材料制成，面部为显示屏，全身共40个机电执行器，手部有12个自由度。
感知和计算能力：头部8个摄像头来采集信息，计算上沿用车端自动驾驶用的FSD及神经网络模型。并采用超算“道场(Dojo)”系统来更有效的识别外界物体并做出反应。
功能定位：930的原型机距离商业化还有一定距离，但对未来解放人类劳动力的各应用场景有丰富期待，包括工业生产、家庭服务等。最终目标是高度通用化的机器人，通过冗余设计极大提升场景灵活性，模糊了现有机器人对具体场景的定位。
马斯克的底气：技术方面，来自自动驾驶领域感知层、决策层的技术迁移。量产落地方面，曾从Model3的交付危机中走出来，证明过自己。市场号召力方面，打造爆款，对供应链及竞品的带动能力，对趋势的敏锐把握及敢为人先的魄力，也都证明过自己。
马斯克的帝国版图：新硬件（自动驾驶、人形机器人）+ Neural Link（脑机接口）+ Twitter（元宇宙）。自哥伦布 发现新大陆 以来，人类对地球上的物理空间探索已经接近极限；再往后要么星辰大海，要么虚拟现实。

2、其它主要玩家
波士顿动力-Atlas：特色是采用液压驱动而非电机驱动，从而具备超强的运动能力与实时反应。
本田-ASIMO：人形机器人的先驱，设计小巧、质地轻，整体定位于社交服务相关功能。可惜2018年7月终止了，但技术会留存到其它研发领域。
韩国科技院-HUBO：第一个以（更接近人类步态的）直腿姿态行走的机器人，实现了双足运动的飞跃。在他之前的机器人都是屈膝行走的，能耗更高且不像人。
深圳优必选-Walker：国产的一款机器人，2018年发布。主打家庭服务，可实现端茶倒水等功能；注重（碎石、斜坡等）环境适应，人机交互。
美国Agility-Digit：主打具体场景应用，而非注重人形机器人本身。从功能出发进行设计，并无追求运动能力的冗余设计，而去专注开发堆叠箱子、移动包裹卸货等场景性功能。目前已有一定出货及实际应用。

3、目前的技术进展及应用表现
续航：1-3小时。
重量：相对笨重，有继续轻量化的优化空间。
动作：双足行走方面都比较成熟，并具备一定跑动及高难度动作的能力。双手动作，ASIMO和Walker已经可以完成较精细的动作。
决策智能：可实现简单的导航和避障功能，但仅局限于固定环境中。距离在人类日常工作生活中自主移动尚远，距离自主决策就更远。

Ⅲ 部件拆解

1、零部件构成及价值占比的差异对比
工业机器人
强调动作执行能力，伺服+控制器+减速器，价值占比约60%；材料价值占比约20%。
做到六轴基本就是顶配了，因为已经可实现行动上的六个自由度（沿X/Y/Z轴的平移/旋转）；而一些简单功能的机械臂，只需要2-3轴便足以满足需求。
服务机器人
应用场景非标，操作人员不专业，对环境感知要求较高，传感器模块成本占比＞40%。
人形机器人
伺服+控制器+减速器，价值占比＞70%；材料占比仅15%，一方面由于其他部件价值量更高，另一方面轻量化要求用更少的材料。
高度通用化+集成化+智能化，对运动控制和感知计算都有较高要求。
伺服系统和减速器、自动驾驶类传感器受益确定性较强，控制器尚不明确需要追踪。
大部分采用电机驱动；液压驱动维护成本高，但运动表现更好。
人的大关节就有12个，每个关节的自由度都不止一个，比如颈关节就有3个自由度（点头、摇头、摆头），因此全身总共要有30个自由度。

2、伺服系统方案
① 功能
用来准确控制位移、转角、加速度等。
终端上，或将形成“伺服+减速器+伺服驱动系统”的组合；伺服驱动系统，所有有电机的地方都需要它来连接，因为对精度有要求。
② 市场规模
2021国内整体超230亿元，其中机器人占比8.7%，未来有望提升。
③ 竞争格局
之前日本安川、三菱、松下 领先，国内 $汇川技术(sz300124)$ 、合川、 $埃斯顿(sz002747)$ 等加速追赶替代。

3、减速器方案
① 功能
精密传动装置，发挥匹配转速和传递转矩的作用。
② 分类
谐波 减速器，构成简单、体积小；RV减速器，构成复杂，负载能力和刚度更好。
其中，谐波减速器可以做成中空，这样不用从外围走线，更能满足关节灵活度和轻量化要求。
③ 数量
工业机器人仅需要10个减速器，而人形机器人需要约20个。
预计每台人形机器人需要2个RV减速器，10-20个谐波减速器。
④ 市场规模
2021国内需求93万台，未来有望大幅增加。
⑤ 竞争格局
日本纳博、哈莫纳科领先，国内绿的、双环等追赶替代。

4、控制系统方案
① 功能
机器人的神经系统，用来控制驱动系统去完成相应的动作。
② 组成
控制器硬件+控制算法软件。
控制器不需要PLC，只要终端一个集成的控制模块就够了。
③ 竞争格局
核心部分，主流机器人厂商一般选择自研而非外采；国外ABB、库卡、发那科，国内埃斯顿 等；专业第三方还有固高、英威腾 等。

5、电机方案
① 手部方案
微机电和电缸两种方案；大概率会选择“电缸”的方案，单台需要10个左右的电缸。
电缸相当于把电机的旋转运动改变成直线运动，可对手指部位实现更精细的控制。
② 全身方案
伺服系统中，一个自由度对应一个电机。
人形机器人全身倾向于40个自由度左右。
使用空心杯形式的电机，便于关节处从内部走线。

6、电池方案
① 电池续航
普通表演型机器人，续航两小时就够了。
Tesla Bot要求3-10小时，因此采用三元锂电池概率较高。
② 安装位置
电池可置于躯干的中空部分；若空间不够，亦可采用背包形式。
容量上，三元锂电池带4.5度电，约能续航3-9小时，大小也能装进躯干。
③ 电池重量
约占总体重1/3；如Tesla Bot体重接近60公斤，其中电池约20公斤。

7、散热方案
人形机器人运算量较大，对散热要求更高。
① 风冷
外壳，下端进气孔，上端排气孔；
机器内部，排气扇。
② 散热器
主板，发热源附近安装散热器，发热源与散热器间使用导热原材料。
常见的材料用导热硅胶片。
③ 排汗机制
柔性机器人，很多部件由复合材料做成，导热性不如金属，没法用风冷。
因此康奈尔大学研发了类人体的排汗散热机制。
康奈尔采用多材料立体光刻技术，用光把两种水凝胶材料做成手指形状的驱动器。
该模块具备蓄水功能，类似智能海绵；温度升到30度以上，驱动器就会收缩开始排汗，效率很高，半分钟能降至21度。

8、传感方案
① 内部传感器
用来测量机器人自身状态，包括手臂间的角度、速度、加速度、位置等。
② 外部传感器
用来感知外部环境和操作对象信息，包括距离、工作状况等，实现明暗觉、色觉、形状觉、触觉、力觉、听觉、视觉等。
常见的如摄像机、红外线传感器、激光雷达等；实现特定功能的包括气体识别、局部放电传感器等。
③ Tesla Bot的方案
头部配置智能驾驶的摄像头，内置FSD芯片。
基于视觉神经网络及神经系统预测能力的智能驾驶系统来驱动。
延续了特斯拉在车端的视觉方案，基于图像的目标检测，以及2D向3D的识别转换。
④ 3D传感
有结构光、双目视觉等多种技术路线。
人形机器人不仅需要避障、进行路线规划，还需要精准达到目标、完成动作，因此视觉精度需要达到毫米级别。
需要工业级的双目/多目相机，预计未来量产后人形机器人的3D传感器模组，价值量将高达3-5千美金/台。
⑤ 竞争格局
技术迁移层面，具备从自动驾驶和机器视觉识别迁移过来的可能。
现有自动驾驶厂商，如天准科技 等，具备在复杂道路环境中避障巡航等技术积累；
现有机器视觉厂商，具备识别和处理操作对象的视觉算法等技术积累。

Ⅳ 空间测算

1、市场空间的保守测算
萌芽期或持续两年，之后将进入加速成长期。
初期需要积累数据，不太可能迅速放量，可参考Tesla电动车的放量节奏。
2012年推出Model S，卖了两万台，经过数年才缓慢增长至10万台量级。
直到2017年Model 3横空出世，实现与油车平价，销量迅速达到24万台，并在随后几年呈指数级增长，迅速突破了百万台。
参考车的节奏，人形机器人预计在2023、2024都只有数万台水平；但2025年会在多个场景下全面开花，达到几百亿的市场规模。

2、市场空间的乐观测算
① 从机器替代人工角度出发，关键假设：
全球劳动力总数：国际劳工组织数据是34.5亿人。
机器人渗透率：麦肯锡预测2030全球平均15%的劳动力被机器人替代，相当于5亿，目前仅500万。
人形机器人渗透率：服务型机器人、（军事及高危等场景的）特种机器人，这两种更容易被开发成人形，占比约六成。
价格：Tesla Bot预计卖2.5万美金，合人民币15-20万元。
② 拍数字
全球市场：
2023年投入量产，20+万台，300+亿市场。
2025年有望百万台销量，千亿级市场。
2030年有望千万台销量，达两万亿。
国内市场：
2025年700亿，2030年3000亿。

3、供应链各环节弹性
量产前期，部件先行，其中减速器和伺服系统赛道的确定性相对较强。
① 伺服系统中
一个自由度对应一个电机，单台机器人的伺服电机用量从（工业机器人）2-6个大幅增加至（人形机器人）30-40个。
② 减速器中
1：1配合电机使用，在人形机器人时代用量同样大幅增加。
③ 控制系统
未来方案暂不明确，持续跟踪。
④ 传感器中
自动驾驶类价值量较高。