计算机行业深度报告：具身智能浪潮将至，重视国内产业链机遇
报告出品方：方正证券
以下为报告原文节选
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1 人形机器人开启新纪元
2021 年 8 月，特斯拉 CEO 马斯克于首届“人工智能日”公开展示特斯拉人形机器人概念机 Tesla Bot。2022 年 2 月，特斯拉在提出概念后短短 6 个月内成功推出人形机器人原型机，并作为开发平台进行深度研发。2022 年 9 月 30 日，特斯拉举行第二届“人工智能日”，并发布最新版本的Optimus人形机器人，其可实现直立行走、搬运、洒水等复杂动作。据马斯克预计，Optimus 将于 3-5 年内实现量产上市，最终数量将会达到百万级，而成本将降至 2 万美元左右。2023年 5 月 16 日，特斯拉在 2023 股东大会上发布了 Optimus 人形机器人最新演示视频。视频中，Optimus 走路更加自然和灵活，完成了一系列复杂任务如电机扭矩控制，更精确的力度控制、环境探测与记忆等。Optimus 也展示了其基于端到端AI 学习人类行为的过程对物体进行分类摆放等。特斯拉机器人取得全方位进展，运动控制与 AI 能力持续提升。马斯克称特斯拉的长期价值将主要来自人形机器人，并预测人形机器人需求将达 100 亿台。
1.1 Optimus 细节详解目前特斯拉的人形机器人实现了 28 个自由度，相当于人体功能的约 1/10。这 28个自由度主要分布在上半身和下半身。
上半身包括肩部（6 个自由度），肘部（2 个自由度），腕部（6 个自由度）和腰部（2 个自由度）。
下半身包括髋关节（6 个自由度），膝关节（2 入自由度），和踝关节（4 个自由度）。
灵巧手单手 6 个执行器，11 个自由度。灵巧手采用金属肌腱带动机器人精确抓住小而薄的物体。电气与智能系统方面，基于成熟的电动汽车产业链，实现电池系统集成、FSD 等技术和产品的复用，基于经验积淀，将有助于人形机器人加速产业化。
特斯拉设计了人形机器人结构和关节分布，优化过程通过仿真模型和实际验证，在低功耗，低成本和最有质量的目标下，最大效能的发挥各个执行器。经过分析优化将共 28 个大的执行器(不含手指执行器)，其中包含 14 个旋转执行器和14 个线性执行器减少到 6 种实际的执行器，包含 3 个系列的直线/线性执行器，和 3 个系列旋转执行器。
旋转执行器主要分布于肩髋等需要大角度旋转的关节，线性执行器分布于膝肘等摆动角度不大的单自由度关节和腕踝两个双自由度但是体积紧凑的关节。
减速器、伺服电机、线性执行器、滚柱丝杠是人形机器人的运动控制产业链中价值量较大的硬件设备。
1） 电机：数量更多、品类更丰富，需满足全身各关节的驱动需求，手部需采用微型电机。
2） 减速器、传动装置：数量更多，旋转执行器延续了对 RV、谐波减速器的需求，线性执行器中需要用到行星滚柱丝杠作为线性传动装置。
3） 环境感知：区别工业机器人在固定场景外接机器视觉设备实现识别的方案，人形机器人场景复杂，需采用激光雷达、摄像头等方案实现环境感知、三维重建并实现路径规划，对设备品类、算法、实时算力要求更高。
4） 运动控制：类似于工业机器人，运控算法均是厂商自研，开发难度大，是核心竞争力之一；特斯拉 Optimus 复用特斯拉汽车的感知和计算能力，在全自动驾驶 FSD 芯片基础上开发适合人形机器人的控制器系统。人形机器人传感器数量、品类、执行机构复杂程度远高于工业机器人，对控制器实时算力、集成度要求高。
考虑到当前零部件的国产售价，将特斯拉 Optimus 做成本拆分，旋转关节（电机+谐波减速器+抱闸+双编码器+力矩传感器+轴承组成）占到 40%，直线/线性关节（电机+行星滚柱丝杠+位置编码器+力传感器+轴承组成）占到 30%，手部占到14%，其他部分占比 16%。
1.1.1 旋转执行器
旋转执行器由电机+谐波减速器+抱闸+双编码器+力矩传感器+轴承组成。
旋转执行器整体采用电池组供电，搭配电驱伺服关节的形式，基于电机+谐波减速器的旋转关节。旋转关节整体的输出扭矩密度和当前各大人形机器人厂家的关节性能类似，突出了力输出能力。
在人形机器人中，用 RV 减速器的可能性比较低，因为 RV 减速器的精度低于谐波减速器且体积重量大于谐波减速器。RV 减速器更适合高强度高扭矩大负载产品。
谐波减速器更适合小负载小体积小重量的场景。
1.1.2 直线/线性执行器
直线执行器由电机+行星滚柱丝杠+位置编码器+力传感器+轴承组成。
特斯拉使用了行星滚柱丝杠，它属于丝杠类中性能最优异、但也最昂贵的一个子类。行星滚柱丝杠以其高承载、高刚度、长寿命的特点或成为人形机器人线性执行器的关键传动装置，通过适配人形机器人需求实现降本是大规模放量的前提。根据 Tesla AI Day 2022 会上展示的信息来看，Optimus 线性执行器采用的方案即为行星滚柱丝杠一体式伺服电动缸。我们认为下肢髋、膝、踝关节及上肢的肘关节的伺服电缸采用高承载、高刚度的行星滚柱丝杠作为传动装置可能性比较大。行星滚柱丝杠结构复杂、加工难度大因而成本很高，通过调整设计、工艺方案适配人形机器人的需要来实现降本是其大规模应用的前提。
2 人形机器人核心硬件拆解
2.1 减速器
减速器是工业基础元件，是一种较为精密的机械传动装置。减速器利用齿轮的啮合改变电机转速、扭矩及承载能力，可以用于实现精密控制。可广泛用于机器人、数控机床、光伏设备、医疗器械等多个行业领域。
2.1.1 减速器是机器人核心零部件
机器人核心零部件研发制造主要包括伺服系统、减速器和控制器占工业机器人成本的 70%左右。减速器、伺服系统（包括伺服电机和伺服驱动）及控制器直接决定工业机器人的性能、可靠性和负荷能力，对机器人整机起着至关重要的作用。其中成本占比最高的是减速器，占到 35%。
人体之所以能够活动自如，是因为有“骨关节”结构，大部分骨关节经由软骨保护骨头避免磨损。关节位于人体各个部位，可以使动作能够更加协调，同时通过关节活动，可以使人体完成复杂动作时更为灵巧，更为“精准”。
工业机器人“运动”主要靠伺服电机、减速器和控制器三个主要部件完成。伺服电机负责驱动，伺服电机的运行特点是转速快、扭矩小，而关节处则需要慢转速和大扭矩。
减速器是由多个齿轮组成的传动零部件，利用齿轮的啮合改变系统输出的转速、扭矩及承载能力。它可以精确地将伺服电机转速降低到工业机器人各个部位需要的速度，提高定位精度、输出更大的扭矩，使机器人运动更加精准。通俗的说，减速器可以提高机器的定位精度和重复定位精度。
减速器在工业机器人中的另一作用是传递更大的扭矩。当负载较大时，一味提高伺服电机的功率是很不划算的，可以在适宜的速度范围内通过减速器来提高输出扭矩。
减速器可分为通用、专用、精密减速器，其中应用于机器人产业的主要为精密减速器。通用减速器一般指齿轮减速器、蜗杆涡轮减速器和行星减速器，以中小型为主，广泛应用于各个行业；专用减速器一般以大型、特大型为主，多为行业专用减速器，比如汽车减速器、光伏减速器、风电减速器。
行星减速器过去主要用于工业领域，目前精密行星减速器用在直角坐标工业机器人，也可以用在人形机器人小型关节（如手指）或者运动关节（如腿部）领域。精密行星减速器在运行过程中类似于一个太阳轮有多个行星轮绕转，所以其体积小、质量较轻，相较于其他减速器启动更加平稳，且刚性、精度和扭矩高。其特点为结构紧凑、低转速大扭矩、价格便宜但减速比低。总体来说，行星减速器运用到高新能机器人上目前仍有一定难度。
而精密减速器以微型、小型为主，广泛用于工业机器人、机床、半导体、航空航天等高精度场景，尤其大量运用在机器人上，主要有两类：谐波减速器和 RV减速器。
由于传动原理和结构等技术特点差异，使二者在下游产品及应用领域方面各有所侧重、相辅相成，应用于不同场景和终端行业。二者具体对比如下：
谐波减速器具有单级传动比大、体积小、质量小、运动精度高并能在密闭空间和介质辐射的工况下正常工作的优点。且与一般减速器比较，在输出力矩相同时，谐波减速器的体积可减少 2/3，重量可减轻 1/2，这使其在机器人小臂、腕部、手部等部件具有较强优势。RV 减速器传动比范围大、精度较为稳定、疲劳强度较高，并具有更高的刚性和扭矩承载能力，在机器人大臂、机座等重负载部位拥有优势。不过，谐波减速器的负载轻，容许力矩负载在 1,500N·m 以内，因此限制了其向重负载部位拓展的可能。而 RV 减速器容许力矩负载可达8,000N·m，其重量重、外形尺寸较大的特性，也使其无法向轻便、灵活的轻负载领域发展。
两者适用领域不同，还不能互相取代。谐波减速器体积小、重量轻、传动比大的特点使其能够广泛应用于人形机器人等轻负载领域。
国内谐波减速器价格逐年下降，目前在 1000-3000 元/个，未来在人形机器人大规模量产下有望降价至 500-1000 元/个。根据绿的谐波招股书，2018、2019 年公司谐波减速器单价分别为 1885 元/个、1632 元/个，后续公司未单独披露谐波减速器收入，以近年来技术成熟从而降低成本为前提，我们预计目前国内谐波减速器单价在 1500 元/个，后续若人形机器人大规模量产，价格有望下探到500-1000 元/个。
2.1.2 减速器市场迎来“黄金时代”
从需求的角度看，新增的机器人需求是减速器产业发展的主要驱动力。此外，减速器本身有额定的使用寿命，需要定期更换，即存量市场的更换亦是需求方向之一。工业机器人的工作寿命一般为 8-10 年，期间减速器作为传动、承重部件，磨损不可避免，其使用寿命通常在两年左右。因而，当前保有的工业机器人维修保养亦需要大量的减速器替换。
GGII 数据显示，2021 年中国工业机器人减速器总需求量为 93.11 万台，同比增长 78.06%。其中增量需求 82.41 万台，同比增长 95.05%；存量替换量为 10.7 万台，同比增长 6.57%。随着 AI 进程的加快推进，机器换人将受益其中，预计未来几年减速器市场增长的确定性进一步增强，到 2026 年市场总需求量有望超过270 万台。
2022 年，我国工业机器人产量为 44.3 万套，对减速器的总需求量约为 110 万台。其中，谐波减速器与 RV 减速器的需求量分别为 64 万台与 46 万台，比例约为 58% ：42%。
2.1.3 国内谐波减速器市场国产替代持续进行
全球范围内，哈默纳科（Harmonic Drive System）与纳博特斯克（Nabtesco）分别在谐波减速器和 RV 减速器领域取得了市场主导地位。其依靠长期的研发技术积累、规模化的生产能力、稳定的产品质量和性能，二者与 ABB、发那科、库卡、安川等国际工业机器人生产商合作历史悠久，在行业内的市场地位较为突出。
2020-2021 年，我国谐波减速器市场最大的两个外资品牌——哈默纳科和日本新宝在中国市场的占有率之和由 46%降低至 42.9%。国内做谐波减速器的企业总共有 30 多家，实力较强的有绿的谐波、来福谐波、福德机器人、大族传动等企业，2020-2021 年，这四家企业在中国市场上的占有率之和由 35.9%提升至 41.1%。
整体看来，中国机器人减速器国产化趋势正在形成。根据 GGII 的数据，2014-2021 年工业机器人精密减速器国产品牌市场份额由 11%提升至 41%。随着下游需求持续拓宽，预计未来减速器国产化率还将得到大幅提升。谐波减速器技术较RV 偏低，因此从技术上看，对国产厂商而言更加易于突破。
2.1.4 人形机器人催化减速器放量
相较于传统机器人，谐波减速器在单台 Tesla Bot 上的需求量更多、价值量更大。与传统的工业机器人、协作机器人不同，人形机器人的形态和动作更接近人类，自由度更多，因而单台 Tesla Bot 需要用到更多的减速器。
例如特斯拉人形机器人共有 28 个自由度，对比六轴工业机器人仅用 6 个减速器，相较于传统工业机器人或服务机器人，谐波减速器的使用量更多。人形机器人若能达到消费级体量将驱动减速器市场持续扩容。
过去我国工业机器人减速器依赖进口，国产品牌难以突破。为了摆脱海外的技术限制，中央及地方密集出台政策，扶持全产业链补足短板，行业发展明显提速。国内减速器厂商迎来发展机遇，充分受益减速器国产替代进程。
2.2 滚柱丝杠：人形机器人中的重要零部件
丝杠是工程机械和精密机械上最常使用的传动部件。丝杠的主要结构由丝杆与螺母构成，其主要功能为将旋转运动转化成线性运动，或将扭矩转换成轴向反复作用力。其原理为当丝杠作为主动体时，螺母随丝杆的转动角度按照对应规格的导程转化为直线运动。被动工件可通过螺母座和螺母连接，从而实现对应的直线运动。
2.2.1 行星滚柱丝杠有望凭借性能优势在人形机器人应用领域大展拳脚
机床丝杠按其摩擦特性可分为三类:滑动丝杠、滚动丝杠及静压丝杠。滑动丝杆是滑动摩擦，结构简单但精度差，主要用于电梯、汽车等各领域。静压丝杠装置较大，必须有油泵、蓄压器、液体循环装置、冷却装置和过滤装置等众多的辅助装置，且其静压油腔加工困难，且存在环境污染问题。位于德国格平根（Göppingen）的 Hydrostatik Schönfeld 这家小公司是目前唯一一家供应商，且价格不菲。
滚珠丝杠利用滚珠链在丝杠轴与螺母之间做滚动运动，将旋转运动转换成直线运动。由于滚珠不断在两个负载承载面之间循环，存在相互碰撞及末端急剧转向，导致高转速条件下丝杠传动效率降低、噪声大，一般只适用于中等性能要求的应用场合。
行星滚柱丝杠主要是由滚柱丝杠、滚柱螺母、滚柱、内齿圈、压盖及挡圈组成。
行星滚柱丝杠综合了行星轮系、滚珠丝杠、滚针轴承的运动特点，通过在丝杠周围设置若干行星螺纹滚柱，可大幅增加传动过程中丝杠副的受力接触面积，使机构可以承受更大的载荷和冲击，可靠性高，行星滚柱丝杠传动非常适合用于高速重载工作的应用场合。行星滚柱丝杠因其较小的体积空间使用，高效精准的大推力输出，以及耐用稳定的性能等特点正被越来越广泛的应用在工业领域，对滚珠丝杠、液压驱动等技术路线形成有效替代，在机器人、自动化、数控机床、医疗器械、汽车、石油天然气等领域的应用正逐渐普及。
总体来说行星滚柱丝杠较滚珠丝杠具备高承载能力、高刚度、高传动速度、更大的导程范围等优势。行星滚柱丝杠与滚珠丝杠的最大区别在于载荷传递元件为螺纹滚柱，因此大幅度增加了丝杠的受力接触面，从而使得承载能力和刚性比普通滚柱丝杠更高，同时用滚柱替代滚珠，解决了滚珠直径取值范围小，空间和承载能力有限的问题。
当比较不同直径相似的螺杆技术的负载能力和效率值时,均为 1mm 导程,行星滚柱丝杠的载荷是滚珠丝杠的四倍。这种性能和设计特点的结合使滚柱丝杠成为许多机器人以及机器人相关应用的理想解决方案。例如,使用线性激活连接的机器人(类似于人身体二头肌控制前臂运动的方式)从较高的负载等级和较低的重量滚子螺丝执行器中获益。
特斯拉人形机器人的关节分为旋转关节与线性关节，其中“电机+行星滚柱丝+传感器”为线性关节提供了良好的解决方案，有助于提升人形机器人的关节性能。
2.2.2 市场规模：人形机器人打开长期成长空间
据华经产业研究院数据，2021 年全球滚珠丝杠市场规模达到 17.5 亿美元，同比增长 6.0%，年均复合增速达到 6.2%。预计 2022 年全球市场规模达到 18.59 亿美元。
从国内市场规模来看，中国作为滚珠丝杆产品重要的消费市场之一，国内市场规模占全球规模总量的 20%左右。据统计，2021 年我国滚珠丝杆市场规模为 25亿元，预计 2022 年市场规模达 28 亿元。未来伴随机器人产业发展，以人形机器人为代表的产品有望成为滚珠丝杠的新需求爆发点。
从国内行业供需情况来看，滚珠丝杆需求量大于产量，行业供需缺口明显。据统计，2021 年中国滚珠丝杆（滚珠丝杆副）产量达到 983 万套，需求量为 1406万套。
人形机器人给丝杠带来新的增量。根据特斯拉的公布信息，特斯拉 Optimus 机器人上会采用行星滚柱丝杠，海外舍弗勒售价0.3万美元，远远超过特斯拉人形机器人总的预期成本2万美元，这显然是特斯拉不能接受的，所以国产化是必然路径。单个机器人的价值量中直线/线性关节（电机+行星滚柱丝杠+位置编码器+力传感器+轴承组成）占到 30%，其中电机驱动器占到约 70%，那么行星滚柱丝杠的价值量为占到剩余的 30%，即为总价值量的 9%，为 0.18 万美元，约 1.3 万元人民币。随着我国滚柱丝杠厂商技术的持续完善，以及降本增效诉求驱动下，滚柱丝杠国产步伐有望迎来提速。
2.2.3 市场格局：国内行星滚柱丝杠目前处于早期阶段
行星滚柱丝杠制造壁垒极高。海外企业大多于 1950 年左右在国防军工等领域开启产品研发，主要企业包括瑞典 ewellix、瑞士舍弗勒等。舍弗勒集团于 2022年收购 ewellix 公司，其前身为 SKF 行星滚柱丝杠部门，结合旗下传统高端行星滚柱丝杠品牌 GSA，舍弗勒基本垄断国际高端行星滚柱丝杠市场。
国内行星滚柱丝杠目前还处于早期阶段，生产难度较大，国内企业较少布局。
国内外在行星滚柱丝杠的产品差距主要为制造材料（硬度、耐腐蚀、可加工性等）和制造能力（含机床、工艺等）。近年来以华中科技大学、西北工业大学、南京理工大学为代表的高校力量逐步推动底层研究。近期人形机器人、精密机床等行业的发展带动了国内企业在行星滚柱丝杠方面的投入。中国目前的主要参与企业包括秦川机床和鼎智科技。
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