人形機(jī)器人行業(yè)專題報(bào)告:人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈深度梳理_第1頁
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人形機(jī)器人行業(yè)專題報(bào)告:人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈深度梳理產(chǎn)業(yè)進(jìn)展:AI賦能,人形機(jī)器人迭代有望加速特斯拉:更新最新進(jìn)展,展望人形機(jī)器人需求量或達(dá)200億臺(tái)特斯拉展示Optimus最新視頻,產(chǎn)品迭代加速。2023年5月16日,特斯拉在2023股東大會(huì)上發(fā)布了Optimus人形機(jī)器人最新演示視頻,展示了其在自然行走、電機(jī)扭矩控制、力度控制、環(huán)境識別及記憶等方面的進(jìn)步。馬斯克強(qiáng)調(diào),現(xiàn)在是推進(jìn)研發(fā)人形機(jī)器人的絕佳機(jī)會(huì),因?yàn)榭梢怨蚕泶罅孔詣?dòng)駕駛領(lǐng)域的軟硬件技術(shù)成果,Optimus將使用與該公司電動(dòng)汽車相同的全自動(dòng)駕駛系統(tǒng)(FSD)。人形機(jī)器人需求量未來或超百億臺(tái),潛在空間巨大。特斯拉CEO埃隆·馬斯克將人形機(jī)器人視作特斯拉長期價(jià)值的重要來源,20237月6日,2023世界人工智能大會(huì)在上海開幕,馬斯克通過視頻形式發(fā)言認(rèn)為,在將來某個(gè)時(shí)刻,機(jī)器人與人類的比例可能超過1:1,這意味著機(jī)器人將比人類多,甚至是多很多。伴隨人形機(jī)器人需求量提升,產(chǎn)業(yè)鏈潛在市場空間巨大。各國人形機(jī)器人陸續(xù)推出,應(yīng)用場景多樣人形機(jī)器人產(chǎn)品陸續(xù)推出,優(yōu)必選商業(yè)化進(jìn)程領(lǐng)先。21世紀(jì)以來,國內(nèi)外機(jī)器人公司陸續(xù)推出各自人形機(jī)器人產(chǎn)品。本田自2000年起,先后發(fā)布三代ASIMO人形機(jī)器人,用于展示公司技術(shù)實(shí)力和進(jìn)行相關(guān)技術(shù)實(shí)驗(yàn);美國波士頓動(dòng)力的Atlas是知名度極高的先進(jìn)動(dòng)力機(jī)器人代表,其前身PETMAN人形機(jī)器人研發(fā)目的是替代人類去測試危險(xiǎn)化學(xué)環(huán)境下的新型防護(hù)設(shè)備的可靠性。Atlas作為研究平臺(tái),造價(jià)高昂,亦非商業(yè)化產(chǎn)品。日本軟銀的Pepper自2014年以來累計(jì)生產(chǎn)2.7萬臺(tái),應(yīng)用于教育、醫(yī)療、生活服務(wù)等場景,已于2020年停產(chǎn)。優(yōu)必選的Walker作為中國首個(gè)商業(yè)化雙足真人尺寸人形機(jī)器人,已在迪拜世博會(huì)中國館、沙特NEOM新未來城、中國科學(xué)技術(shù)館等場景應(yīng)用落地。人形機(jī)器人:AI賦能下有望成為最爆款的具身智能AI下一個(gè)浪潮將是“具身智能”,潛在萬億賽道前景廣闊。5月16日,NVIDIA(英偉達(dá))創(chuàng)始人黃仁勛表示,下一波人工智能浪潮是“具身人工智能(embodiedAI)”。具身人工智能是指有身體并支持物理交互的智能體,能與環(huán)境交互感知,自主規(guī)劃、決策、行動(dòng)。此前人類依賴手寫代碼來控制機(jī)器人,而進(jìn)入AIGC時(shí)代,GPT等AI大模型有望有效解決這一痛點(diǎn)。目前已有不少研究者嘗試將多模態(tài)的大語言模型作為人類與機(jī)器人溝通的橋梁。2023年3月,谷歌和柏林工業(yè)大學(xué)推出的史上最大的視覺-語言模型:PaLM-E,既可理解圖像,也能理解并生成語言、執(zhí)行各種復(fù)雜的機(jī)器人指令而無需重新訓(xùn)練;2023年4月,微軟研究團(tuán)隊(duì)展示了多個(gè)ChatGPT解決機(jī)器人難題的示例。特斯拉的Optimus、波士頓動(dòng)力的Atlas和Spot、優(yōu)必選的WalkerX等作為“具身人工智能”的理想載體,有望充分受益“機(jī)器人+AI”趨勢帶來的發(fā)展機(jī)遇。人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈整體梳理工業(yè)機(jī)器人成本拆解:三大核心零部件占比超70%伺服器、減速機(jī)、控制器是工業(yè)機(jī)器人三大核心零部件,成本占比超70%。人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈的上游為基礎(chǔ)原材料以及零部件,中游為機(jī)器人本體和系統(tǒng)集成,下游為不同應(yīng)用場景?!陡呔刃⌒突瘷C(jī)器人關(guān)節(jié)的研究》一文表示,參考工業(yè)機(jī)器人,核心零部件占工業(yè)機(jī)器人成本超70%,其中減速器、伺服系統(tǒng)、控制器分別占比約36%、24%、12%??紤]到人形機(jī)器人相較于傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人自由度大幅提升,預(yù)計(jì)減速器、電機(jī)成本占比將會(huì)更高。特斯拉人形機(jī)器人結(jié)構(gòu)拆解特斯拉Optimus機(jī)器人身高172cm,體重73kg,全身自由度共28個(gè)(不含靈巧手),用電功率靜坐/慢走時(shí)為100/500W;能夠硬拉68公斤,負(fù)重20公斤,擁有媲美人類的手和工作能力,可完成在工廠搬運(yùn)箱、澆水植物、移動(dòng)金屬棒等復(fù)雜動(dòng)作。電動(dòng)和驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)方面,Optimus軀干共有28個(gè)執(zhí)行器(不含靈巧手),配備2.3kWh/52V電池組;配有一塊特斯拉SOC芯片。關(guān)節(jié)執(zhí)行器方面,Optimus全身采用六種標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行器,包括20Nm/110Nm/180N三種旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器和500N/3900N/8000N三種線性執(zhí)行器,均具備良好的力和力矩輸出能力。

感知決策層面,Optimus配備基于FSD系統(tǒng)的Dojo超算平臺(tái),搭載有8個(gè)特斯拉汽車同款攝像頭,具備強(qiáng)感知能力;搭載與Tesla汽車相同芯片,基于全身各部位傳感器輸入的信號進(jìn)行行動(dòng)決策和反饋控制。人形機(jī)器人:關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)原理機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)主要由伺服系統(tǒng)完成:機(jī)器人“大腦”(運(yùn)算決策系統(tǒng))發(fā)出指令→“小腦”(控制器)作出具體運(yùn)動(dòng)控制指令→伺服驅(qū)動(dòng)器接收指令后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。其中執(zhí)行機(jī)構(gòu)由電機(jī)(空心杯電機(jī)/無框力矩電機(jī))、減速器、末端執(zhí)行器件組成,減速器的作用是將電機(jī)轉(zhuǎn)速降低,帶動(dòng)末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)→末端執(zhí)行器裝有位置傳感器、力矩傳感器等傳感器件,將運(yùn)動(dòng)信號檢測并反饋至控制器→控制器根據(jù)反饋信號對指令進(jìn)行對比和調(diào)節(jié)。旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)拆解:無框電機(jī)+諧波減速器+傳感器+軸承特斯拉Optimus共有14個(gè)旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器,電機(jī)+減速器成本占比超44%。根據(jù)特斯拉披露的參數(shù)推測,特斯拉Optimus全身預(yù)計(jì)使用14個(gè)旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器,由無框電機(jī)、諧波減速器、力矩傳感器、編碼器、角接觸軸承、交叉滾子軸承構(gòu)成,其中無框電機(jī)、諧波減速器、力矩傳感器占成本比重較大。參考阿里1688網(wǎng)站部分公司的報(bào)價(jià),國產(chǎn)無框電機(jī)產(chǎn)品單價(jià)在1000-2000元左右,諧波減速器2000-5000元左右,力矩傳感器500元左右。線性關(guān)節(jié)拆解:無框電機(jī)+行星滾柱絲杠+傳感器+軸承特斯拉Optimus全身預(yù)計(jì)使用14個(gè)線性執(zhí)行器,行星滾柱絲杠、反向滾柱絲桿是線性關(guān)節(jié)中價(jià)值量占比較高的零部件。特斯拉人形機(jī)器人線性關(guān)節(jié)由無框電機(jī)、反式滾珠絲杠和行星滾柱絲杠、力矩傳感器、位置傳感器(編碼器)、球軸承和四點(diǎn)接觸球軸承構(gòu)成。根據(jù)特斯拉披露的參數(shù)推測,特斯拉Optimus全身預(yù)計(jì)使用14個(gè)線性執(zhí)行器。線性執(zhí)行器最多可提升一臺(tái)九英寸三角鋼琴,提升能力優(yōu)異。行星滾柱絲杠具有高承載能力強(qiáng)、高強(qiáng)度、高精度、壽命長的優(yōu)勢特點(diǎn),但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,加工難度高,因而在零部件成本中占比較高。參考阿里1688網(wǎng)站部分公司的報(bào)價(jià),瑞士ROLLVIS行星滾柱絲杠產(chǎn)品售價(jià)在2萬元/套左右,國產(chǎn)博特精工相關(guān)產(chǎn)品約1900元/套。靈巧手拆解:空心杯電機(jī)+精密行星齒輪箱+螺紋絲杠+編碼器特斯拉Optimus靈巧手主要由空心杯電機(jī)、行星減速器、行星精密齒輪箱、螺紋絲杠和編碼器構(gòu)成。靈巧手采用六電機(jī)布局方式:大拇指采用雙電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)彎曲和側(cè)擺,其余四根手指各安裝一個(gè)電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)動(dòng)作。因此,Optimus雙手共有12個(gè)執(zhí)行器,算上其他部位,特斯拉機(jī)器人全身執(zhí)行器數(shù)量為40個(gè)??招谋姍C(jī)是靈巧手的核心部件??招谋姍C(jī)具有尺寸小、功率低、控制性能好、穩(wěn)定性高等特點(diǎn),是典型的微特電機(jī)??招谋姍C(jī)能夠滿足人形機(jī)器人靈巧手的設(shè)計(jì)和技術(shù)要求。人形機(jī)器人核心零部件分析核心零部件之一:伺服系統(tǒng)一般包括驅(qū)動(dòng)器+電機(jī)+編碼器伺服系統(tǒng)是運(yùn)動(dòng)控制的核心部件,每臺(tái)人形機(jī)器人都需要一套伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)主要由伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)和編碼器組成,編碼器通常嵌入伺服電機(jī)。伺服系統(tǒng)工作原理為:伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出信號給伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)編碼器將伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)反饋給伺服驅(qū)動(dòng)器,伺服驅(qū)動(dòng)器再對信號進(jìn)行匯總、分析、修正。整個(gè)工作過程通過閉環(huán)方式精確控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置、速度、轉(zhuǎn)矩等輸出變量。伺服系統(tǒng)可通過閉環(huán)方式實(shí)現(xiàn)精確、快速、穩(wěn)定的位置控制、速度控制和轉(zhuǎn)矩控制,主要應(yīng)用于對定位精度和運(yùn)轉(zhuǎn)速度要求較高的工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域。伺服系統(tǒng)競爭格局:歐美日系占據(jù)高端市場,國產(chǎn)份額持續(xù)提升我國伺服系統(tǒng)市場主要分為歐美、日韓和國產(chǎn)品牌三大陣營,歐美日系品牌長期占據(jù)中高端市場。國內(nèi)市場看,以德國西門子、倫茨、博世力士樂等為代表的歐系品牌產(chǎn)品過載能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、驅(qū)動(dòng)器開放性好,處于行業(yè)第一梯隊(duì),但價(jià)格昂貴;以安川、三菱、松下等為代表的日系品牌產(chǎn)品可靠性和穩(wěn)定性強(qiáng),性價(jià)比更高,最適合國內(nèi)客戶需求;性能接近日系的臺(tái)系品牌憑借其低廉的價(jià)格在中低端發(fā)展較快。以匯川技術(shù)、禾川科技、雷賽智能為代表的廠商通過引進(jìn)、消化吸收國際先進(jìn)技術(shù),產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)水平不斷提升,已逐漸在國內(nèi)市場中取得一定份額,下一步有望憑借性價(jià)比優(yōu)勢和技術(shù)積累向中高端加速滲透。核心零部件之二:減速器是關(guān)節(jié)傳動(dòng)的必要零部件機(jī)器人關(guān)節(jié)減速器的工作原理是利用齒輪傳動(dòng)的原理,將電機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為機(jī)器人關(guān)節(jié)的低速高扭矩旋轉(zhuǎn)。具體來說,機(jī)器人關(guān)節(jié)減速器由輸入軸、輸出軸、齒輪組、殼體等部分組成。電機(jī)通過輸入軸帶動(dòng)齒輪組旋轉(zhuǎn),齒輪組中的輪逐級傳動(dòng),最終帶動(dòng)輸出軸旋轉(zhuǎn),從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。精密減速器主要有諧波減速器、RV減速器和精密行星減速器。按照控制精度劃分,減速器可分為一般傳動(dòng)減速器和精密減速器。一般傳動(dòng)減速器控制精度低,可滿足機(jī)械設(shè)備基本的動(dòng)力傳動(dòng)需求。精密減速器回程間隙小、精度較高、使用壽命長,更加可靠穩(wěn)定,應(yīng)用于機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等高端領(lǐng)域。精密減速器種類較多,包括諧波減速器、RV減速器、精密行星減速器等。核心零部件之三:絲杠導(dǎo)軌廣泛應(yīng)用于機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)絲杠是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)副零件,在精度、強(qiáng)度和耐磨性等方面具有較高要求。絲杠根據(jù)其摩擦特性可分為滑動(dòng)絲杠、滾動(dòng)絲杠和靜壓絲杠。(1)滑動(dòng)絲杠:采用滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)。由于滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)的滑動(dòng)摩擦阻力大,故其傳動(dòng)效率低、磨損快使用壽命短,已不能完全滿足現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)在高速度、高效率、高精度等方面的發(fā)展要求。(2)滾動(dòng)絲杠:可分為滾珠絲杠和滾柱絲杠兩大類,滾珠絲杠在螺母與絲杠滾道之間做滾動(dòng)運(yùn)動(dòng),利用傳動(dòng)摩擦替代滾動(dòng)摩擦,傳動(dòng)效率最高可達(dá)98%。滾珠絲杠制造難度大,其制造過程甚至對濕度和溫度都有很高的要求。(3)靜壓絲杠:螺紋齒形超過該規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)螺紋的1.5-2倍,可獲得良好的油封性,提高了裝載能力。但是調(diào)整麻煩,且需要液壓系統(tǒng),技術(shù)復(fù)雜,成本高。核心零部件之四:軸承軸承是機(jī)械產(chǎn)品中必不可少的重要部件,起支承轉(zhuǎn)動(dòng)軸的作用。根據(jù)軸承中摩擦性質(zhì)的不同,可將軸承劃分為滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承,二者最明顯的區(qū)別在于是否有滾動(dòng)體。角接觸球軸承和交叉滾子軸承是人形機(jī)器人關(guān)節(jié)的常用軸承。角接觸球軸承的主要特點(diǎn)是在其構(gòu)造中使用了球形滾動(dòng)物來支撐軸承的旋轉(zhuǎn),并且球和內(nèi)外圈之間的接觸點(diǎn)是角接觸點(diǎn)。角接觸球軸承可同時(shí)承受徑向負(fù)荷和軸向負(fù)荷,能在較高的轉(zhuǎn)速下工作,使用優(yōu)質(zhì)鋼制成,具有壽命長、靜音等特點(diǎn)。核心零部件之五:傳感器,人形機(jī)器人不可或缺的感知器官傳感器是一種檢測裝置,能夠感受被測量的信息并將其轉(zhuǎn)化成可用的信息輸出。傳感器之于機(jī)器人相當(dāng)于人類各感知器官,機(jī)器人通過各類傳感器識別外部信息,并作出判斷和下一步動(dòng)作。傳感器按檢測對象可劃分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。內(nèi)部傳感器用以感知機(jī)器人的內(nèi)部狀態(tài),包括位置傳感器、速度傳感器、力傳感器和平衡傳感器。外部傳感器用于測量機(jī)器人外部環(huán)境及狀態(tài),包括視覺傳感器、觸覺傳感器、聽覺傳感器、嗅覺傳感器和味覺傳感器。投資分析匯川技術(shù):國內(nèi)工控龍頭公司共有五大塊業(yè)務(wù),通用自動(dòng)化業(yè)務(wù)收入占比約50%。整體情況:公司共有五大業(yè)務(wù)板塊,通用自動(dòng)化/新能源車電驅(qū)&電源系統(tǒng)/電梯/工業(yè)機(jī)器人/軌道交通占比分別50%/22%/22%/2%/2%。通用自動(dòng)化:公司是國內(nèi)工控龍頭,產(chǎn)品涵蓋通用變頻器、通用伺服系統(tǒng)、電液伺服系統(tǒng)、PLC&HMI、CNC、高性能電機(jī)、氣動(dòng)等和解決方案。在近兩年經(jīng)濟(jì)疲軟、通用自動(dòng)化需求承壓的環(huán)境下,公司把握結(jié)構(gòu)性機(jī)會(huì),憑借交付能力和解決方案優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)較快增長。2022年公司通用自動(dòng)化業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)收入114.65億元,同比增長27.64%,其中通用變頻器/通用伺服系統(tǒng)/PLC&HMI/電液系統(tǒng)收入為43.29/49.89/13.13/4.50億元,2022年通用伺服系統(tǒng)在中國市場份額約21.5%,位居第一,PLC大量切入高端應(yīng)用領(lǐng)域,訂單增速超80%。綠的諧波:國內(nèi)諧波減速器龍頭公司主要業(yè)務(wù)為諧波減速器,收入占比超93%。諧波減速器:公司自2003年起主攻諧波減速器,經(jīng)過10年技術(shù)積累2013年實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品上市銷售且快速放量,打破國外壟斷,實(shí)現(xiàn)規(guī)?;a(chǎn),當(dāng)前已處于國內(nèi)龍頭地位,產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、高檔數(shù)控機(jī)床、航空航天、醫(yī)療器械及新能源設(shè)備等領(lǐng)域。公司諧波減速器產(chǎn)品性能和穩(wěn)定性不弱于國外品牌,具備更高產(chǎn)品性價(jià)比/更優(yōu)現(xiàn)場服務(wù)能力/更短交貨周期/更快售后響應(yīng)速度等優(yōu)勢,積累了一大批工業(yè)機(jī)器人行業(yè)的優(yōu)質(zhì)龍頭客戶,市占率持續(xù)提升。2022年公司諧波減速器實(shí)現(xiàn)收入4.16億元,同比增長-0.19%,占公司總收入的93.43%。恒立液壓:國內(nèi)液壓件龍頭企業(yè),布局滾珠絲桿業(yè)務(wù)公司主要業(yè)務(wù)為液壓油缸與液壓泵閥,

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