近期小米、特斯拉相繼推出人形機器人原型機。小米CyberOne 于 2022 年 8 月小米發布會推出，是業內第一款真正意義上的全尺寸人形仿生機器人。特斯拉人形機器人 Optimus 于 2022 年特斯拉 AI Day 中首次亮相，成為第一個完全依靠 AI 算法、自身電池電控和高集成電驅執行器驅動的人形機器人。
參照新能源汽車行業發展趨勢，保守/中性/樂觀假設下，預估 2030 年全球人形機器人滲透率分別有望達 0.2%/0.4%/0.6%，對應全球銷量分別為 39/61/100 萬臺，按售價約 2 萬美元（對應 14 萬人民幣）測算，對應全球市場規模分別約 548/855/1400 億元，2021-2030 年全球市場規模 CAGR 分別為 62%/71%/80%。
本期的智能內參，我們推薦浙商證券的報告《人形機器人風起，核心零部件助力揚帆遠航》，分析人形機器人爆發后帶來的受益產業。
來源 浙商證券
原標題：
《人形機器人風起，核心零部件助力揚帆遠航》
作者：邱世梁 王華君 林子堯
一、特斯拉、小米引領，人形機器人智能制造時代開啟
人形機器人代表著一個國家的高科技發展水平。人形機器人，又稱仿人機器人，涉及控制、規劃、機電一體化技術、全方位的 AI 感知技術，移動能力和工作范圍，人機交互等，是一個國家的高科技發展水平的最終體現。
最早的“機器人”概念起源于亞里士多德的設想。1927 年第一個電驅人形機器人“Televox”誕生于美國西屋。隨后美國、日本和歐洲在這一領域廣泛布局，促進了人形機器人的快速發展。在 2000 年，我國也獨立研制出具有語言功能的“先行者”號人型機器人。2023 年隨“擎天柱”的誕生，人形機器人或將走入日常生產生活。
▲歷時 25 個世紀，人形機器人將走入我們的正常生活
日韓在人形機器人研究領域表現活躍，日本本田代表產品 Asimo 身高 1.3m，體重 48kg，具有 57 個自由度，可完成上下樓和奔跑等動作。韓國
KAIST 代表產品 HUBO+身高 1.7m，體重 80kg，具有 32 個自由度，在 2015 年“機器人挑戰賽”中獲得冠軍。美國在人形機器人領域后來居上，波士頓動力研發的代表產品 Atlas 身高 1.8m，體重 80kg，具有 28 個關節，可完成原地起跳轉身一周等高難度動作。波士頓動力的人形機器人 Atlas 主要聚焦在科研領域，商業價值低。在波士頓動力優秀的軟硬件配置下，Atlas 能夠完成流暢、高難度的“跑酷”動作。硬件結構上，Atlas 擁有輕量級結構件皮膚和足部力控傳感器，雷達與深度相機形成視覺感知，28 個液壓關節驅動完成一系列其敏捷動作，本體搭載 3 臺 NUC/工控機負責整體控制系統的運算。軟件方面，波士頓動力運用行為庫、實時感知和模型預測控制（MPC）技術將相機、雷達等傳感器接收的數據進行分析并對決策制定和動作規劃提供最有效的支持。
▲各國積極布局機器人領域
國內人形機器人成果喜人。在科研領域，國科大研發的“先行者”機器人可以完成靜態和動態步行動作；哈工大推出的“HIT-III”機器人能完成上、下斜坡等動作；清華大學開發的“THBIP-II”身高 0.75m，體重 18 kg，具有 24 個自由度；浙江大學研發出會打乒乓球的“悟”、“空”人形機器人；北理工推出的“匯童”機器人可完成摔倒起立，“摔滾走爬”等動作。在產業領域，深圳優必選推出的“Walker”機器人能完成上、下臺階等動作。
小米于 2022 年 8 月公布首款全尺寸人形機器人 CyberOne（鐵大）。升級后的運動控制算法支配這機器人全身 13 個關節和 21 個自由度，實現雙足運動姿態平衡；電機性能增強10 倍，髖關節主要電機的動力扭矩峰值可達 300Nm，峰值扭矩密度 96Nm/kg。
AI 算法賦能環境感知，“高情商”展現國內人機交互技術成果。環境感知方面，自研的Mi-Sense 深度視覺模組+AI 算法幫助 CyberOne 實現對真實世界的三維虛擬重建。情緒感知上，CyberOne 搭載自研 MiAI 環境語義識別引擎和 MiAI 語音情緒識別引擎，能夠實現 85種環境音識別和 6 大類 45 種人類情緒識別。
人形機器人將對社會變革與發展產生重要影響作用。人形機器人具有與人類相似的軀干結構與運動能力，使其具有超強環境適應能力，較大工作范圍，豐富的動作形態，更高能量利用效率和出色的人機互動能力，可將人類從低級和高危行業中解放出來，使人類能夠專注于高級智慧活動，從而提升生產力水平和工作效率。
特斯拉人形機器人“擎天柱”于 2022 年 9 月底亮相。2021 年 8 月，馬斯克在特斯拉年度 AI 開放日上首次公開展示了“擎天柱”的想法。僅過一年時間，“擎天柱”原型機于 9 月30 日特斯拉 AI Day 發布，硬件方面，“擎天柱”身高 172CM，整體重量 73KG；行走功率500W，坐下功率 100W，整體參數與 2021 年概念機略有出入（概念機參數：身高172CM，體重 57KG，負載 20KG，行走速度最高可達每小時 8 公里），我們認為存在進一步降本空間。
電機驅動上，“擎天柱”擁有 2.3KWH、52V 電壓的電池組，內置電子電器元件的一體單位，支持人形機器人工作一整天；選用 28 個定制關節驅動器，復用汽車動力總成設計經驗，設計 6 種關節驅動器，包括 3 種不同規格的舵機（采用諧波減速器）和 3 種不同規格的直線執行器（采用永磁電機，可抬動 1.5 噸三角鋼琴的），找到成本與效率的最佳組合。
量化人體運動軌跡與關節受力，幫助機器人行動更加靈活。以膝蓋為例，特斯拉采用仿生思維將機器人膝關節構造成四連推桿結構，復用汽車底層技術，將機器人腿部組件產生的壓力數據線性化，優化機器人在不同的運動過程中的下肢運動和力度控制能力。
靈活度方面，“擎天柱”全身約 50 個自由度，手指靈敏度高，能夠滿足多種規格的物體抓取需求。機器人單手具有 6 個執行器，11 個自由度，在對生拇指與金屬肌腱的配合下，“擎天柱”能夠完成對不同重量和大小的物件的抓握。同時，特斯拉機械手搭載能夠驅動手指感知物體的傳感器，幫助其識別需要抓握的物體，并在不斷的抓握過程中學習提高機械手適應性。
“擎天柱”是特斯拉 FSD 自動駕駛技術的集大成者。特斯拉采用與 Autopilot 相同的算法框架，通過自動標注（Auto Labeling）、仿真(Simulation)和數據引擎（Data Engine）形成訓練數據用以訓練“擎天柱”的神經網絡，使特斯拉人形機器人能夠做到損傷控制、感知周圍環境、自主規劃行動路徑、直立行走并保持相對平衡等功能。
以視覺導航為例，特斯拉依靠純視覺解決方案在 AI 算法領域一枝獨秀。“擎天柱”采用智能駕駛攝像頭（魚眼廣角+左右攝像頭）與 Autopilot 算法，內置 FSD 芯片，能夠識別周圍物理環境的高頻特征并進行立體渲染，構建了機器人良好的空間感知能力。
“擎天柱”的大腦位于軀干，搭載特斯拉自研的 DOJO 超級計算機，其基本單元是 D1芯片（共計 1500 個）。D1 芯片單體采用分布式結構和 7 納米工藝，具有超強算力和帶寬，相鄰芯片間通過自創高寬帶、低延遲的連接器連接，最新 Dojo ExaPOD 由多 Dojo 機柜組成，內含 3000 個 D1 芯片，擁有 1.3TB 的高速 SRAM、13TB 的高帶寬 DRAM，算力高達1.1 EFLOP。
人形機器人應用領域正在逐漸打開。AI Day 上，“擎天柱”演示了澆花、搬運紙箱、金屬塊等工作，能夠很好地完成視覺識別、抓握、下蹲、直立行走等動作，研發團隊也在不斷更新優化，有望在未來解鎖更多應用場景，目前目標客群未知。
▲近年來具有代表性的人形機器人正在解鎖更多的應用場景
二、人口紅利逐退，人形機器人行業有望高速發展
據國家統計局數據，我國 65 歲以上人口比例逐年增加，于 2000 年突破 7%，進入老齡化社會。2021 年 65 歲以上人口占比更是高達14.2%。從全球看，65 歲以上人口從 1960 年的 5%增長至 2019 年的 9%，全面進入人口老齡化階段，勞動力供給將進一步短缺。
▲中國 65 歲以上人口比例連續 5 年增長，2021 年達 14%
人口結構變化和勞動力成本上升刺激各行各業加速推進一二三產人工替代。根據中國計生協數據，2030 年我國勞動力總數約 9.58 億人。據《中國企業綜合調查（CEGS）報告》數據，2025 年中國勞動力替代率可達 4.7%。
據麥肯錫數據，2030 年此數值約 15%，復合增速 26%。若以此增速估計，中國被替代勞動力數將從 2021 年的 0.15 億人增加到 2025 年的 1.2 億人。根據中國電子學會數據，國內機器人 2024 年有望達 251 億美元市場規模，2020-2024年 CAGR 約 22%。
從市場規?？?，工業機器人是機器人的主要品類。根據下游不同應用場景，我國將機器人分為工業機器人，服務機器人和特種機器人三大類。根據中國電子學會數據，2021 年全球工業機器人、服務機器人、特種機器人市場規模占比分別為 41%、40%、19%；中國市場三者的占比為 53%、35%、13%。
▲2021 年全球工業機器人市場占比全球機器人市場約 41%
▲2021 年中國工業機器人市場占比中國機器人市場約 53%
目前我國是全球最大的工業機器人市場。根據中國電子學會數據，2021 年我國工業機器人市場規模約 75 億美元，占比全球 43%，預計 2024 年我國工業機器人市場規模有望達115 億美元，在全球工業機器人銷售額比重有望達 50%，2020-2024 年中國工業機器人銷量CAGR 約 15%。
▲2020-2024 年中國工業機器人市場規模 CAGR 約 15%
據中國電子學會預測，全球特種機器人市場規模將從2020 年的 66 億美元增長至 2024 年的 140 億美元，復合增速 21%。從國內看，2024 年我國特種機器人市場規?？蛇_ 34 億美元。特種機器人同期復合增速預計可達 27%，高于全球 6 個 pct。
▲2020-2024 年全球特種機器人市場規模 CAGR 約 21%
▲2020-2024 年中國特種機器人市場規模 CAGR 約 27%
三、 動力、 AI 、結構三大核心系統有望持續受益
動力系統，智能 AI 系統和結構單元是特斯拉人形機器人的三大核心：
動力系統：相當于人類的四肢，根據智能 AI 系統中決策層給出的指令做出相應動作，此系統中包括能源電池系統和執行機系統（減速器、伺服電機、控制器、絲桿等）。智能 AI 系統：包括感知層、決策層和傳輸層三大層，感知層相當于人類的感覺器官，用于感知外界環境狀態，此層級涉及傳感器和壓電元件等。決策層相當于人類的大腦，用于分析感知層收集的數據，并給出相應反饋動作指令，此層級涉及計算能力硬件和機器學習算法等。
傳輸層相當于人體的神經元，負責將感知層收集的數據傳導給決策層和將決策層指令傳輸給動力系統，此層級包括以太網、高速連接器等。結構單元：包括相當于人體骨骼，用以支撐機器人形體的輕量化鋁合金、耐磨損碳纖維結構件；相當于人體皮膚，用以包覆和感知的有機工程塑料和樹脂材料；相當于人體腹膜，用以保護緩沖內部器件的聚氨酯填充材料。其他：包括接插件、低壓線束、面罩玻璃等，價值量不高。
▲假設動力系統，智能 AI 系統和結構單元三大系統成本占比 90%
▲中性情況下預計 2030 年全球人形機器人三大系統市場規模分別可達 340/62/155 億元
根據 OFweek 數據，核心零部件占比工業機器人成本約 70%，其中減速器、伺服電機、控制器占比分別約為 35%/20%/15%（不同口徑下占比略有差異，總體在 70%左右）。人形機器人相較于傳統工業機器人，自由度大幅提升，預計將使用比工業機器人更多的減速器與電機。中性假設下，預計 2030 年全球人形機器人核心零部件市場規模約 300億元，9 年復合增速 91%。假設按未來單臺人形機器人配有 8 個 RV 減速器用于四肢，腰部、胯關節等大負載處，20 個諧波減速器裝配在小負載關節處，同時配備 28 個伺服電機進行測算。
▲預計 2021-2030 年人形機器人將促進核心零部件市場規?？焖僭鲩L
減速器：日系廠商占主導地位。精密減速器是工業機器人的重要核心零部件。其具有傳動鏈短、體積小、功率大、質量輕和易于控制等特點，主要作用為將電機的轉數減速到所要的轉數，并得到較大扭矩。機器人減速器主要包括 RV 減速器和諧波減速器兩大類。
▲RV 減速器與諧波減速器優勢互補，用途各異
受下游機器人行業高景氣度帶動，國內 RV 減速器行業市場規?？焖僭鲩L。據前瞻產業研究院數據，機器人用 RV 減速器需求量從 2014 年的 18 萬臺增長至 2020 年的 47.5 萬臺。按照 RV 減速器均價 6000 測算，2020 年 RV 減速器市場規模約 29 億元。從競爭格局看，日系廠商占據主導地位。據華經產業研究院數據，2021 年納博特斯克（Nab）市場占有率約 53%，位居第一。國內廠商雙環傳動市場占有率從 2020 年的 9%增長至 2021 年的14%，提升明顯。
▲2014-2020 機器人 RV 減速器需求量 CAGR 約 18%
▲日系廠商占據 RV 減速器市場主導地位（2021）
我國諧波減速器市場規模 2021-2025 年復合增速約 25%。據華經產業研究院數據，我國諧波減速器市場規模 2020 年約 15.7 億元，預計到 2025 年諧波減速器市場規模有望達 47億元，2021-2025 年 CAGR 約 25%，其中機器人用諧波減速器市場規模約 30 億元，2021-2025 年 CAGR 約 25%。
從競爭格局看，日系廠商為諧波減速器主要玩家。2021 哈默納科市場占有率達 36%。伴隨關鍵技術的攻克，國內廠商競爭力顯著增加，2021 年綠的諧波市場占有率達 25%，位居第二。
▲預計 2021-2025 年國內諧波減速器市場規模復合增速 25%
▲日系廠商為諧波減速器領域主要玩家（2021）
伺服電機廣泛應用于機器人關節部位，直接影響機器人性能參數。伺服電機主要由定子、轉子和編碼器組成，可以將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動控制對象，具有體積小、質量小、機電時間常數小、線性度高等特性。
我國 2021-2025 年伺服電機市場規模 CAGR 約 14%。隨機器人需求量上升，工業結構升級和電子制造設備等產業的迅速擴張，伺服電機行業充分受益。據工控網統計，2021年我國伺服電機市場規模為 169 億元，2015-2021 年復合增速 11%。從下游應用領域看，據 MIR DATABANK 數據，2019 年機器人市場占比伺服電機下游約 8.7%。若維持此比例，我們預計 2025 年伺服電機市場規?？蛇_ 287 億元，2021-2025 年 CAGR 約 14%。
▲2015-2021 年國內伺服電機市場規模復合增速 11%
▲預計 2021-2025 年國內伺服電機市場規模復合增速 14%
國產伺服電機品牌市場競爭力逐步提升。據 MIR DATABANK 統計，2021 年上半年，國產品牌匯川技術市場占有率從 9.8%升至 15.9%，反超安川等日系廠商，首次問鼎。排名第二第三的廠商為安川和臺達，市場占有率分別為 11.9%和 8.9%。
▲伺服電機市場占有率前三甲均為日系廠商（2020）
▲匯川技術市場份額排名第一（2021H1）
控制器：2012-2020 市場規模復合增速約 52%。控制器負責處理用戶指令并驅動伺服電機完成相應動作，其性能直接關系到機器人運行的穩定性、可靠性和精準性。經驗積累疊加技術進步促進機器人控制器需求量高漲，據智研咨詢數據，機器人控制器需求量從 2012 年的 0.6 萬套增長為 2020 年的 24 萬套，復合增速 59%。同期機器人控制器市場規模從 0.68 億元增長至 19.02 億元，復合增速 52%。
▲2012-2020 工業機器人控制器需求量 CAGR 約 59%
▲2012-2020 工業機器人控制器市場規模 CAGR 約 52%
從競爭格局看，國外廠商占據主導地位。根據頭豹研究院數據，2021 年發那科、庫卡、ABB 和安川占據國內機器人控制器約 58%的市場份額，國內廠商競爭力較弱，市占率不足 20%。
▲中國機器人控制器主要以外資為主，2021 年 CR4 超 50%
另外，人形機器人有望拉動 AI 與材料市場需求。AI 系統是機器人賴以感知周圍環境的感官，智能傳感器是其重要組件。據中國信通院數據，2016 年中國智能傳感器市場規模約 108 億美元，2020 年增長至 148 億美元，復合增速約 8%。從國產化率方向看，我國智能傳感器國產化率從 2016 年的 13%增長至 2020 年 的 31%，復合增速 24%，明顯快于行業增速。
國產智能車規級傳感器競爭力相對較弱。從競爭格局看，國內車規級傳感器形成三級梯隊競爭格局。德國廠商博世處于第一梯隊；日系廠商日本電裝和森薩塔處于第二梯隊；國產廠商蘇奧傳感、正揚電子與禾賽科技處于第三梯隊。
因此機器人輕量化成為行業發展的必由之路。結構材料在機器人本體重量占比最大，輕量化材料選擇是機器人“瘦身”的關鍵一環。總體來看，當前機器人常用的輕量化材料包括鋁合金、鎂合金和碳纖維等。
▲鋁合金、鎂合金和碳纖維是主流的輕量化材料
國內鋁合金產量穩步提升，市場規模不斷擴大。據中商產業研究院數據， 2016 年國內鋁合金產量為 750 萬噸，2021 年這一數字為 1068 萬噸，復合增速 7%。國內鋁合金市場規模將從 2017 年的 2011 億元增長至 2021 年的 2298 億元，復合增速 10%。
碳纖維市場規模過去 5 年復合增速 20%，國產化率僅 38%。據中商產業研究院數據，2021 年我國碳纖維市場規模約 12 億元，同比增長 18%，過去 5 年復合增速 20%。從市場份額看，2020 年國產廠商市場占有率不足 38%。在國產市場中，CR10 達 97%，市場集中度高。其中碳谷、寶蓮和中復神鷹排名前三，市占率約 62%。
▲2016-2021 國內碳纖維市場規模 CAGR 約 20%
智東西認為，雖然國內目前人形機器人相關三大產業鏈環節仍然薄弱，但中國企業持續積累人形機器人的全棧核心技術，是全球為數不多已生產出人形機器人成品的國家之一，在人形機器人市場已經占據了與發達國家基本一致的先發優勢。另外中國擁有世界上規模最大、門類最全、配套最完備的產業鏈體系，這種優勢不僅沒有國家能夠替代，還會伴隨著產業更替日益完善。
