人形机器人指日可待，汽车产业顺势而为共同成长
报告出品方：长江证券
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引言：特斯拉人形机器人开启巨大蓝海市场
特斯拉“秘密宏图”第三篇章正式开启，人形机器人有望开启巨大蓝海市场。2022 年特斯拉 AI Day，马斯克正式介绍了特斯拉首款人形机器人 Optimus，机器人搭载特斯拉同款的自动驾驶软件系统和传感器，预计售价低于 2 万美元。并且，特斯拉人形机器人于今年 7 月亮相上海 2023 世界人工智能大会。
人形机器人即具有与人类似的外观和运动方式的智能机器人，工业和消费应用场景丰富。在工业中，人形机器人或可应用于工业机器人难以使用的领域，包括仓库管理/物流管理领域以及简单但人力负担较重的领域，例如移动货物上下楼梯。在家庭环境中，人形机器人将面对更多样化的应用场景，通过使用对象识别、精准导航等技术协助末端执行器来完成一系列复杂运动。据 Goldman Sachs Research，人形机器人有望分别于 2025-2028、2030-2035 年在工业场景和消费场景实现经济可行性。
特斯拉人形机器人 Optimus 打响降本第一枪，大幅降本将创造广阔应用空间。过去高昂的成本是制约人形机器人大规模量产的关键因素，降本将是人形机器人商业化推广的必由之路。根据 Macquarie Research，早期人形机器人的硬件总成本约为 4 万美元。
具体来看，传感器和芯片成本约 1 万美元、惯性测量单元和扭矩传感器 5000 美元、伺服电机和电机执行器 1 万美元、精密减速器 8000 美元、电池和电池控制系统 2000 美元系统、其他部件（包括机身材料）约 5000 美元。随着技术的成熟有望实现大幅度降低成本，如驱动方面由电驱取代液压驱动。马斯克发布会称特斯拉人形机器人 Optimus的定价将低于 2 万美元/台，大幅降本将创造广阔应用空间。
复杂供应链下大批量稳定生产，汽车产业链具备承载机器人产业优势
从整车视角：特斯拉 FSD AI 应用场景全面，可实现量产装配
人形机器人过去难以实现规模化发展，主要受限于 AI、技术及成本三方面。1）AI 落地的能力，即 AI 需要与应用场景共振，以适应不同的应用场景需求；2）技术上的限制，人形机器人是技术难度最高的智能机器人，是机械设计、运动控制、人工智能等领域高精尖技术的综合体现；3）制造成本是限制人形机器人推广的关键掣肘。
随着 AI 的快速发展，人形机器人产业化有望迎来加速。AI 技术使得人形机器人能够更好地理解和适应环境，具有更高的自主决策能力和智能水平。例如，人形机器人可以通过深度学习算法学习和识别人类语言、面部表情等信息，从而实现更加自然的人机交互。2023 年以来各企业相继推进 AI+机器人布局，微软、Open Al、Engineered Arts、腾讯Robotics X、小米机器人等相继宣布入局。5 月，特斯拉展示了应用与车同源的 FSD 系统的人形机器人 Optimus。
特斯拉人形机器人和自动驾驶的感知系统硬件保持基本一致，感知识别及规划算法相似度较高。特斯拉打通 FSD 和机器人的底层模块，FSD 算法在机器人的感知、决策和控制方面起重要作用。自动驾驶和人形机器人其本质类似，都是基于“输入-计算机平台输出”模式下服务于人类的智能化系统。感知硬件：特斯拉 Optimus 和自动驾驶感知系统中均采用以视觉为主、雷达为辅、IMU 完成车身姿态等方面的测量。算法端：特斯拉Optimus 软件上通过 Occupancy Network 方式像素化周围障碍物，完成对周围物体的识别。同时规划算法上采用矢量地图和自动标注的方式，大幅度提升机器人路线规划算法效率。
新能源汽车快速发展解决诸多人形机器人技术难题，同时汽车和机器人设计有众多相似之处。在技术层面，先进传感器、人工智能芯片和电池等相关技术在新能源汽车快速发展中得到快速提高。在设计层面，汽车和机器人设计有众多相似之处，如同设计汽车相似，尽量精简零部件数量及其能耗，将电池、传感器、冷却系统等集成到躯干部分；机器人执行器设计思路可借鉴汽车驱动设计方法；车用 IMU 和人形机器人用 IMU 技术具有相似性等。
从零部件视角：零部件具备高成本降本能力和大规模量产能力汽车零部件企业具备高成本降本和大规模量产能力，汽车产业优秀公司加入有望助力人形机器人产业快速发展。在生产层面，人形机器人应用市场空间广阔，未来人形机器人有望成为和汽车一样对企业和家庭重要之物，而目前制造成本是限制人形机器人推广的关键掣肘。因此汽车产业链长，零部件企业具备同步研发、规模降本以及在复杂供应链下大批量稳定生产的量产装配能力，有望助力人形机器人产业高速成长。
从历史来看，在新行业崛起时，零部件供应商把握时代机遇实现跨行业切换的成功案例很多。
1）盖瑞特：将早期应用于飞机上的成本高昂的涡轮增压技术推广至汽车行业。1950 年代，公司利用在航空航天工业的设计经验和知识为公司的开发公路交通业务提供支持，并于 1954 年将涡轮增压技术应用于美国首辆生产型涡轮增压柴油车辆，由此汽车进入涡轮增压时代。1970 年代，在盖瑞特技术研发与降本的推动下，几乎每辆商用柴油车都配备了涡轮增压器，同时保时捷、梅赛德斯等高端乘用车企先行采用涡轮增压。此后公司持续深耕涡轮增压技术，技术持续保持全球领先的同时制造成本大幅下降，实现了涡轮增压技术在全球范围内的普及，公司乘用车业务收入占比持续提升，目前全球约有超过 1 亿辆车辆使用盖瑞特的增压技术。
2）舍弗勒：凭借汽车轴承技术储备及精密制造能力将产品延伸至工业领域，并具备行星滚柱丝杠等人形机器人所需技术。舍弗勒由 INA、FAG、LUK 三大工业企业合并而来，其中 INA 于 1946 年成立后开创性生产滚针轴承。1952 年，INA 滚针轴承被用来取代大众甲壳虫变速箱中的滑动轴承，同时 INA 将保持架导向滚针轴承的思想从旋转运动转变为直线运动，为公司的线性技术业务奠定了基础。1954 年，自建设备生产高精度部件。此后 INA 在汽车行业快速发展，2000 年前后收购了 LuK 和 FAG，并于 2015 年成为全球最大的轴承制造商。目前公司舍弗勒主要服务于汽车领域，汽车收入占比超过70%，凭借此前积累的轴承技术储备及精密制造能力将产品延伸至工业领域。
从各环节看汽车供应链对人形机器人的支持人形机器人全身零部件拆解人
形机器人核心零部件包括芯片&系统、旋转/直线执行器、灵巧手、电池组等。特斯拉Optimus 体重 73kg，全身超 200 个自由度，其中全身 28 个“关节”、手部各 11 个自由度，用电功率静坐时 100W，行走时 500W。1）旋转执行器：核心零部件包括谐波减速器、无框力矩电机、传感器等；2）直线执行器：核心零部件包括行星滚柱丝杠、无框力矩电机、传感器等；3）灵巧手：每只手 5 个手指、6 个执行器、11 个自由度，核心零部件包含空心杯电机、精密行星齿轮箱等；4）芯片&系统：特斯拉 SOC 芯片、FSD 系统等。
成本构成来看，早期机器人传感器、芯片和电机占比较高。根据 Macquarie Research，早期人形机器人的硬件总成本约为 4 万美元。具体来看，传感器和芯片成本约 1 万美元、惯性测量单元和扭矩传感器 5,000 美元、伺服电机和电机驱动器 1 万美元、精密减速器 8,000 美元、电池和电池控制系统 2,000 美元系统、其他部件（包括机身材料）约5,000 美元。
执行机构：系统集成能力为技术难点，汽车热管理及线控制动供应商具有较好研发基础
机器人的“关节”执行器决定了其做各种动作的灵活性，特斯拉电机驱动的执行器成本更低、商业大规模应用可能性更高。一台行动精准敏捷的人形机器人的执行器必须做到体积小、重量轻、轴向尺寸短、高功率密度、高能量利用效率、精度可控、耐冲击性等特性，结合机器人整机结构和控制系统设计优化，才能保证其关节动作的高效执行。这不仅是制约人形机器人更灵活、自由的关键，同时也是让其实现规模化量产、应用的重要门槛之一。早期人形机器人如波士顿动力 Atlas 采用液压驱动虽性能较好，但制造及使用成本高昂等缺点明显，无法实现商业化，而随着技术的成熟，特斯拉采用电驱取代液压驱动，大幅降本将创造广阔应用空间。
特斯拉 Optimus 全身将 28 个执行器采用通用的两类六种伺服关节。为了降低研发和生产成本，特斯拉借鉴汽车驱动设计方法，将全身执行器简化为直线和旋转执行器两类，分大、中、小共计六种执行器。旋转执行器主要分布于肩髋等需要大角度旋转的关节，用于转动动作；线性执行器分布于膝肘等摆动角度较小的单自由度关节和腕踝两个双自由度但是体积相对紧凑的关节，主要负责支撑和承力。采用线性执行器的主要优势在于其空间利用率高，可沿手臂、腿部纵向布局，充分利用其内部空间，进而布置更长的电机提升负载强度，此外线性执行器的螺杆传动机构可形成自锁，从而形成低功耗、稳定的底部支架，减少能耗。
执行器结构大体可分为电机、减速器和传感器三类零部件，系统集成能力为执行器最大难点。旋转执行器内部主要包括无框力矩电机、谐波减速器、机械离合器和传感器；直线执行器内部主要包括无框力矩电机、行星滚柱丝杠和传感器。由于产品设计零部件种类众多，系统集成能力为执行器最大技术难点。
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