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- 发布日期：2024-01-05 12:53 点击次数：79
一、为什么要发展人形机器人？
中国劳动力人口数量持续下滑，美、德、日等多国具有同样趋势。根据国家统计局发布的数据显示，2022 年我国人口从年龄构成看，16~59 岁的劳动年龄人口8.76 亿人，占全国人口的比重为 62.0%；60 岁及以上人口 2.8 亿人，占全国人口的 19.8%，其中65 岁及以上人口2.1亿人，占全国人口的 14.9%。劳动年龄人口在 2011 年前后已经达到峰值9.4 亿人，之后开始负增长。十多年间，劳动年龄人口减少超过 6000 万。世界银行发布的数据显示，美国的劳动年龄人口自2010 年开始就加速减少，日本、德国和英法意拥有同样的人口结构变化趋势。
中国 65 岁以上人口比例持续增加，全球 2050 年 65 岁以上人口比例将达16%。根据《中国发展报告 2020：中国人口老龄化的发展趋势和政策》预测，2025 年“十四五”规划完成时，中国 65 岁及以上的老年人将超过 2.1 亿，占总人口数的约15%；2035 年和2050年时，中国65 岁及以上的老年人将达到 3.1 亿和接近 3.8 亿，占总人口比例则分别达到22.3%和27.9%。联合国数据显示，2021 年全球 65 岁及以上人口为 7.61 亿，到2050 年这一数字将增加到16亿，80 岁及以上的人口增长速度更快。根据《世界人口展望 2022》的数据显示，2022年65岁以上人口占总人口比例为 10%，到 2050 年将升至 16%。
中国制造业劳动力总量下降，且年轻劳动力占比快速下降。根据国家统计局数据，2015-2020年，制造企业平均用工人数由 8711 万人下滑至 6550 万人，远高于同期营业收入3%水平的降幅。从年龄结构看，2015 年制造业劳动力 30 岁以下占比 28.2%，30-45 岁占比45.7%，45岁以上占比 26.2%，到了 2019 年，制造业劳动力 30 岁以下占比 21.4%，30-45 岁占比46.1%，45岁以上占比 32.4%，制造业劳动力年龄老化速度过快。 美国制造业人数下降，比例已降至历史最低水平。根据中央财经大学国际金融研究中心客座研究员张启迪《重新审视美国制造业的“衰落”》，自 1939 年以来美国制造业就业人数持续增长，至 1978 年达到顶峰（1933 万人）。2022 年美国制造业就业人数为1298 万人，占全部就业的比重仅为 8%，处于历史最低水平。
人力成本持续上升，机器替代人是一大趋势。根据中国政府网，从2022 年第三季度全国“最缺工”的 100 个职业排行看，其中有 39 个属于生产制造及有关人员，有19 个属于专业技术人员。从缺工岗位看，主要缺的是劳动密集型行业低技能一线员工和部分专业技术人员。“在劳动年龄人口下降、劳动力供给趋紧、人工成本上升的背景下，用机器替代流水线上的简单重复劳动是一大趋势。”中国人民大学中国就业研究所所长曾湘泉说。根据ReshoringInstitute报告，全球 13 个国家制造业基层员工薪资中，德、美、英人均年薪超过3 万美元，中国在人力方面已不再是低成本国家。
中国是全球最大的机器人市场，21 年全球机器人增速创新高。根据国际机器人联合会（IFR）发布的《2022 年全球机器人报告》，2021 年全球工厂新安装51.7 万台机器人，同比增长31%，创下历史新高。全球运行中的机器人存量约为 350 万台，亦创下了新的纪录。作为全球第一大工业机器人市场，中国 2021 年安装量增长 51%，新安装 26.82 万台。运行存量突破100万台大关，增长 27%。
二、为什么要是“人形”？
原因一：“人形”是最适合人类社会所有场景的形态，无需改变场景来适应机器，一旦技术成熟可直接用于所有社会场景。根据中新网，在 2019 年的特斯拉AI Day，马斯克曾表示，“TeslaBot可以执行一些危险、重复、枯燥的任务”。他希望今后人类不想干的事统统交给特斯拉机器人来干，并推测人们可能会发掘出连他都预料不到的用途。根据证券时报，2023 年特斯拉股东大会上马斯克表示，“未来每个人都会拥有一个人形机器人，这个市场将会超过电动车的需求，可能是百亿美元级别的。如果人形机器人和人的比例是 2 比 1 左右，那么人们对机器人的需求量可能是100亿乃至200亿个，会远超电动车的数量。” 根据高工机器人网，马斯克的思路是第一批机器人主要在B 端应用，服务于危险、无聊、重复的工作或人们不想做的工作；第二批大规模使用的机器人，让机器人在现实世界中导航，无需指令也能做有用的事；第三批是预计不到 10 年后，人们可以在家里使用的机器人。
原因二：恐怖谷理论下，“人形”的好感度上限远高于非人形，一旦产生移情效应将颠覆作为“物”的属性，即便作为“工具人”性能欠缺也具备商业化价值。根据百度百科，“恐怖谷理论”是 1970 年被日本机器人专家森昌弘提出，森昌弘的假设指出：由于机器人与人类在外表、动作上相似，所以人类亦会对机器人产生正面的情感；而当机器人与人类的相似程度达到一个特定程度的时候，人类对他们的反应便会突然变得极其负面和反感，哪怕机器人与人类只有一点点的差别，都会显得非常显眼刺目，从而整个机器人有非常僵硬恐怖的感觉，犹如面对行尸走肉；当机器人和人类的相似度继续上升，相当于普通人之间的相似度的时候，人类对他们的情感反应会再度回到正面，产生人类与人类之间的移情作用。
人形机器人具备满足马斯洛前四级需求的可能，移情效应下ToC 端“人形”将极大提高用户粘性。根据维基百科，马斯洛需求层次理论构建了人类需求的五级模型，从层次结构的底部向上，需求分别为：生理（食物和衣服），安全（工作保障），社交需要（友谊），尊重和自我实现。我们认为人形机器人至少具备满足前四级需求的可能，这是非人形机器人所无法突破的。人类会借助一些物品来满足各层级需求，而非物品本身满足人类需求，但人形机器人具备本身满足其需求的可能性。一旦与人形机器人产生了移情作用，率先进入 ToC 端的意义将不仅仅是产品力和品牌层面的先发优势，还有其特定的“形象”，这将大大提高用户粘性。
ChatGPT 成熟技术加持下，只“说”不“做”也可满足交流、尊重等需求。根据AI 技术聚合网，ChatGPT 的原理是基于自回归语言模型，它是一种基于深度学习的自然语言处理技术，可以用来生成自然语言文本。根据世界首位机器人公民、联合国创新大使机器人索菲亚官方账号，英国 Engineered Arts 公司人形机器人 Ameca 在安装了 GPT-3 后，Ameca 变成了一个“专家”，能够与人们聊天说地，也能快速对答各种提问。在接入 GPT-4 后，Ameca 获得了通过表情来表达含义的能力，已具备语言、表情、动作等能力。
原因三：73855 定律下视觉传达信息作用大，“人形”的肢体语言最符合人类认知。我们认为“人形”的肢体语言、神态语言最符合人类思维方式和认知，人类无需适应机器人，便能轻松理解机器人的动作。根据百度百科，美国心理学家 Mehrabian 研究发现，55%的信息通过视觉传达的，如手势、表情、外表、妆扮、肢体语言，38%的信息通过听觉传达，如说话的语调、声音的抑扬顿挫等，而语言本身只能传递出 7%的信息，因此“人形”在实现人机交互中意义重大。例如英国Engineered Arts 公司的人形机器人 Ameca，仅通过看其表情和肢体动作，就能理解其“表达”的意思。
三、什么是具身智能？
英伟达创始人黄仁勋在 ITF World 2023 半导体大会上表示，AI 下一个浪潮将是“具身智能”，其描述的“具身智能”是指能够理解、推理并与物理世界互动的智能系统，包括机器人技术、自动驾驶汽车，甚至是聊天机器人，它们会更聪明，因为它们能了解物理世界。根据上海交大教授卢策吾在机器之心 AI 科技年会上，发表了主题演讲——《具身智能》，具身智能是智能科学的一个基础问题，是指具有身体体验的智能。从认知角度看，人类是第一人称视角的智能，但给机器喂很多数据进行学习，属于第三人称的智能，比如给机器很多盒子，并且标注这就是盒子，然后机器就会知道这种模式是盒子，但机器并不是通过体验知道这是盒子的。
根据《具身智能》，主动猫是具身智能，旁观猫是旁观智能。1963 年的一个实验能一定程度展示两者的区别，一只猫被绑起来，只能看这个世界，与其连接的另一只猫则可以主动去走。被动的猫是一种旁观的智能，而主动的猫是具身的智能，实验的最后，主动体验的猫学会了正常行走，但旁观的猫并没能获得行走能力。
具身智能涉及多学科，是系统性工程。上海交通大学卢策吾教授在机器之心AI 科技年会上发表主题演讲《具身智能》提到 1950 年图灵在他的论文《Computing Machinery andIntelligence》中首次提出了具身智能的概念，概念提出了几十年了直到近几年才比较热门，原因是它涉及到众多的学科，当时很多学科都不是很成熟。硬件、软件还有各种触觉传感器也不够成熟。而到了今天，各个学科都可以聚到一起来做这么一个宏大的系统。在这样的情况下，我们才有可能推动这个方向进一步发展。
根据《具身智能》，具身智能包括 3 个模块：具身感知、具身想象和具身执行，AI+机器人正是“具身智能”当前的落点。工业机器人主要根据控制系统发出的指令信号控制机器人主体完成任务，主要依赖于机器人的执行层。与工业机器人不同，具身智能机器人若能像人一样与环境交互、感知、决策、完成任务，将不得不提升感知层和认知层的能力。卢策吾教授提出PIE方案，认为具身智能包括 3 个模块：具身感知（Perception）、具身想象（Imagination）和具身执行（Execution），有望加速推动具身智能落地。目前看来，AI+机器人或许正是“具身智能”当前的落点。
四、什么是 Robot GPT？
ChatGPT 为人工智能提供了语言载体，人形机器人将提供物质载体，实现人工智能从“想到”“说到”到“做到”的跨越。根据钛媒体，全球首家 5G 云端智能机器人运营商达闼机器人公司即将推出首个机器人制造领域的多模态认知大模型，名为 RobotGPT。其创始人、CEO黄晓庆表示，如果把谷歌 DeepMind 推出的“阿尔法狗”（AlphaGo）当作人工智能的原子弹的话，ChatGPT是AI领域的氢弹，作为“两弹一星”的星，云端智能机器人则是人工智能时代的运载火箭，人工智能的载体，将成为第四次工业革命的最重要标志。
ChatGPT 本质是文字接龙，基于 ChatGPT 模型思路可构建RobotGPT框架。根据斯坦福大学 2023 年最新论文《RobotGPT: From ChatGPT to Robot Intelligence》，基于和ChatGPT类似的工作原理构建了 RobotGPT 的框架。根据 Open AI 官方对 ChatGPT 原理介绍，ChatGPT是在GPT （Generative Pre-training Transformer）模型的基础上通过改进优化得到的。GPT是一种大型语言模型，能够生成各种不同的文本类型。GPT 模型思路是让AI 在通用的、海量的数据上学习文字接龙，即掌握基于前文内容生成后续文本的能力。然后人类引导接龙方向即有监督训练初始模型，对特定问题告诉 AI 人类认可的答案。
Reward 模型进行强化学习，进一步优化 ChatGPT 的输出质量。根据OpenAI 官方对ChatGPT 原理介绍，第二步训练 Reward 模型，人的时间精力有限，但AI 的精力是无限的，研究人员让 GPT 对特定问题给出多个答案，由人类来对这些答案的好坏做排序，基于这些评价数据，研究人员训练了一个符合人类评价标准的 Reward 模型。第三步基于reward 模型使用PPO强化学习优化 GPT 模型，即 AI 基于评分去调整参数以便在下次问答中获得更高分。
RobotGPT 的原理可理解为由 ChatGPT 的文字-文字接龙，变为了文字/语言/各类传感器接收的信号-动作接龙。根据《RobotGPT: From ChatGPT to Robot Intelligence》，人的八大智能包括语言智能、数学逻辑智能、空间智能、人际智能、内省智能、音乐智能、身体运动智能、自然认知智能，机器人实现不同的智能需配备不同传感器、自然语言处理能力和人工智能算法。在设计的RobotGPT 框架图，思路类似于 ChatGPT，同样是通过深度学习和强化学习构建端对端AI 大模型。
目前 ChatGPT 是单模态，RobotGPT 需要多模态模型。达闼机器人公司 CEO 黄晓庆表示，ChatGPT 的出现，恰恰证明机器人需要一个云端大脑。因为ChatGPT是不可能装在一个小小的计算机里的，它必须装在一个云里面，变成个云服务。ChatGPT目前本身是单模态的，所以它无法支持机器人。而基于多模态的人工智能大模型要能够支持多模态，文字、语言、视觉、运动都要支持，这就是我们在做的 RobotGPT。
五、表情最像人的 Ameca 是怎么做到的？
Ameca 机器人具备互动、感知等功能，表情丰富度高。Ameca被Engineered Arts 描述为“世界上最先进的人形机器人”，于 2021 年12 月亮相，并于去年8月获得了逼真的面部表情。Engineered Arts 使用了 ChatGPT-3 进行对话和翻译，使用DeepL进行语言识别，并使用 Amazon Polly Neural voices 实现其说话功能。
Ameca 仅面部就有 45 个电机，底层技术是 Mesmer+ Tritium。Ameca重 49kg，臂展 1.8 米，高 1.87 米，身体共有 52 个模块，支持 51 种关节运动。仅面部就有45个电机，其中眼睛就有 8 个电机对其进行控制，眉毛有 4 个电机，嘴巴则有2 个电机。这样它就能完成相当复杂的面部表情。除此之外，它的眼睛和胸前都内置摄像机，可以通过人脸识别辨认出2米内的人类。它还能通过耳朵聆听人的声音，与人互动。做出逼真的表情的关键就是Ameca结合了AI与AB（Artificial Body）技术，而这底层系统是机器人操作系统 Tritium 和工程艺术系统Mesmer。
Mesmer 系统构建表情模型，Tritium 系统驱动硬件。Mesmer 是一个用于建造仿真人形机器人的系统，通过 36 个摄像机对人体进行 360 度的3D 扫描后，包括人类的骨骼结构、皮肤纹理和表情，为 Ameca 提供大量的真人表情数据，最终通过立体光刻3D打印机制作精确模具。Tritium 机器人操作系统被称为“为金属注入生命的魔法”，该系统可以从硬件平台运行硬件组件，因此 Ameca 的手臂、躯干和头才能运动自如，也是实现表情管理的基础，因为它连接了软件，硬件和云端，可以驱动硬件的每一个组成部分。
六、人形机器人商业化前景几何？
具有极强通用性的人形机器人将是机器人界的 iPhone，渗透率达到10%将进入加速期。根据南方科技大学机械与能源工程系教授、鹏城学者特聘教授张巍2022 年接受真故研究室采访时表示，整个机器人发展的趋势，本质上是从专机到逐渐通用的过程。只是传信息的话iPhone的性价比远不如 BB 机，但当其可以支持多项功能之后，就会快速重塑整个行业。当人形机器人能完成多项任务后，他的商业拐点会出现，最关键的是以后无论加多少 App 它的基本形态都不用变。美国著名分析师 Harry S. Dent, Jr 认为一项新技术或者一个新兴产业，渗透率达到10%之前被称之为导入期，发展缓慢；超过 10%的阈值后，将步入高速成长期。
类比自动驾驶，通用机器人不需要完全通用才有商业价值，商业化可能未来两三年实现。根据张巍教授采访中表示，通用只是一个终极产品形态，只要不断地在上面加功能。第一个功能不够，它的性价比比不过专机，那就加第二个功能，逐渐地就比两个专机要划算。人形机器人产业化和商业化并不需要足式机器人在实现超能之后才能开始，这个节点可能在未来两三年就可以实现。类比自动驾驶，现在也还没有真正地落地，但是自动驾驶的研究和商业探索已经延展了很多，甚至开始颠覆整个汽车行业。手机是个人通讯娱乐的通用终端，智能汽车是未来人们在结构化道路上的通用终端，人形机器人将会是面向各类非结构化场景时连接数字世界与物理世界的通用终端。
美国最低时薪 7.25 美元，特斯拉机器人 2 万美元价格可接受度高。根据美国联邦法律的规定，目前美国境内的最低时薪为每小时 7.25 美元。2021 年美国众议院通过了《提高工资法案》将设定时薪 15 美元的最低标准，自 2021 年 1 月一直在国会等待审议。按最低的7.25 美元计算，特斯拉机器人只要实现替代最基础的岗位，每天工作8 小时，按法定工作日一年工作 260 天，相当于雇主节省了 1.5 万美元人力成本。根据华尔街见闻，2022 年特斯拉AI DAY马斯克表示，预计 Optimus 量产后价格在 2 万美元以内，若按 2 万美元计算，Optimus 仅使用1.3年便可覆盖成本。
麦肯锡指出到 2030 年保守估计 4 亿人将被机器人取代。麦肯锡2017 年发布的《失业与就业：自动化时代的劳动力转型》报告指出，全球最高达 50%的工作是可以被机器人取代的；有六成的工作岗位，其 30%的工作量可以由机器代劳。称到 2030 年，全球将有多达8 亿人的工作岗位可能被自动化的机器人取代，即使机器人的崛起速度不那么快，保守估计仍有4 亿人工作被替代。根据高工机器人网，弗若斯特沙利文预测，到 2026 年全球人形机器人市场规模将达到80亿美元；高盛预计到 2035 年，在蓝海市场情景下，人形机器人市场能够达到1540 亿美元的规模。
工业、商业、家用三大场景，人形机器人将率先在工业和商业实现规模化应用。我们认为工厂物料装配相对结构化，在封闭环境下且任务单一。商用领域可实现体验增强、数据收集以及流量转化等功能。而家用场景对人机交互需求和价格敏感性都相对更高。2018年国内优必选的 2150 台克鲁泽（Cruzr）机器人在居然之家上岗。顾客可以询问有关店铺的所有问题，如品牌介绍、最新产品、促销优惠、会员权益等。根据亿欧智库，优必选副总裁胡佳文对亿欧表示，“克鲁泽记得你的偏好，习惯，每一次来消费的情景等。”体验增强、数据收集以及流量转化三类，商业场景中的服务机器人恰好是能将这三种功能同时实现的载体。
“一老一小”市场将成刚需，机器人替换万亿家政市场场景明确。根据艾媒咨询数据显示，2021 年中国出生人口数量为 1062 万人，65 岁及以上人口数量超过两亿，“一老一小”成为家政服务的主要对象。2015 年至 2020 年中国家政服务业市场规模逐年稳步增长，2020年达到8782亿元，同比增长约 26.0%。而 2021 年该数据已增至 1.0149 万亿元。国内人形机器人公司优必选健康事业部高级技术总监张呈昆在接受界面新闻专访时表示，公司目前主攻的两大业务板块是“一老一小”。“一老”指的是针对老年人的智慧康养行业，“一小”则主要指人工智能教育，研发了涵盖学前、小学、初中、高中、高职校的贯通式人工智能教育解决方案。
中国发展人形机器人具备成本、场景和产业链三大优势。根据南方科技大学机械与能源工程系教授、鹏城学者特聘教授张巍 2022 年接受真故研究室采访，我们认为中国人形机器人具备三大优势，第一是成本优势，由于成熟产业链与相对低的人工成本，足式机器人硬件成本上国内有巨大的优势。第二是场景优势，机器人发展的整个产业链以及落地场景都能在中国找到。无论是ToC还是 ToB 的场景，国内的丰富度都是国外的几十上百倍。第三是产业链优势，“中国拥有世界上规模最大、门类最全、配套最完备的产业链体系，机器人产业已基本形成了从零部件到整机再到集成应用的全产业链体系，这种优势不仅没有国家能够替代，还会伴随着产业更替日益完善。”优必选科技首席技术官熊友军表示。
七、人形机器人量产还有多远？
摩尔定律将线性增长变为指数级，2022 年已达到“棋盘的后一半”。根据科学网，在过去大多数时间里，科技和产品进步是线性的，而第四次工业革命呈现出指数级而非线性的发展速度。人类长期习惯于线性的思维方式，而难以适应“指数级”思维模式。21 年12 月中国科学技术大学教授、长三角科技战略前沿研究中心主任陈晓剑表示，真正让人类第一次认识到科技是可以呈指数发展的是摩尔定律，它指出计算能力每两年将增加一倍。古印度舍罕王故事中“棋盘的后一半”就是摩尔定律的比喻，指的是越到后面指数增长速度越快。如果从1958 年半导体的发明开始计算，那么 2022 年我们处在第 32 个格子上——正好到达“棋盘的后一半”，创新的加速和变革的规模将迎来新的拐点和引爆点，正是惊喜出现的好时机。22 年 11 月发布的Chat GPT，开启了人工智能时代的起点。
当前人形机器人处于技术成熟度曲线第一阶段，但进步速度将是指数级的。根据百度百科，技术成熟度曲线诞生于硅谷，又叫技术循环曲线、炒作周期，是指新技术、新概念在媒体上曝光度随时间的变化曲线。美国 Gartner 公司将其分为 5 个阶段：科技诞生的促动期、过高期望的峰值、泡沫化的底谷期、稳步爬升的光明期、实质生产的高峰期。
莱特定律下“具身”的制造成本能够迅速下降。根据维科网，莱特定律是制造业的规模效应的体现，意思是产量每扩大一倍，成本就会降低 15%左右。美国的福特T 型车从1909年到1923年的产量和价格变化曲线就完美诠释了莱特定律。产量从一到十的过程中，生产成本会有三次15%左右的降低，最终生产成本会降到原来的 60%左右。再加上零配件成本，也会因产量提升而降低，产业集群还可以进一步降低成本。
国外多家科技公司下注人形机器人赛道，根据中国国家邮政局官网，亚马逊投资物流机器人公司 Agility Robotics，机器人预计 24 年开始交付，25 年全面上市。22 年4 月物流仓储机器人制造商 Agility Robotics 完成 1.5 亿美元的 B 轮融资，由 DCVC 和“安卓之父”Andy Rubin创建的Playground Global 领投，亚马逊产业创新基金参投。DCVC 联合管理合伙人Matt Ocko表示，劳动力短缺会导致供应链遭到破坏，Agility 解决的是企业劳动力短缺的问题，将人们从重复或不愉快的工作中解放出来。Agility Robotics 研发的机器人 Digit 专门用于在仓库和配送中心执行任务。根据维科网，Agility 计划在 2024 年初向其合作伙伴提供首先双足运送机器人解决方案，并然后在次年全面上市。
OpenAI 领投 1X Technologies 公司，机器人已实现拿捏物品、轻松开门、自主导航和避障等功能。根据华尔街见闻，当地时间 3 月 23 日，挪威人形机器人公司1X Technologies（前称为Halodi Robotics）宣布在 OpenAI 领投，老虎环球和挪威投资者财团跟投的A2 轮融资中筹集了2350万美元，1X 计划用这笔资金来加大力度研发双足机器人模型 NEO，以及在挪威和北美量产其首款商用机器人 EVE。根据澎湃科技，1X 近期 Technologies 发布了一段视频，NEO机器人能够伸出手指拿捏物品、轻松开门、自主导航和避障等。与其他需要减速才能正常运行的机器人不同，1XTechnologies 的机器人可以以 1 倍速度运行，即与人类的速度相当。
AI 人形机器人初创公司完成 A 轮融资，正在推出“世界上第一个商业上可行的通用人形机器人”。AI 人形机器人初创公司 Figure 在5 月25 日宣布完成了7000万美金的 A 轮融资，此前，Figure 称正在推出“世界上第一个商业上可行的通用人形机器人”，名为“Figure01”。目前 Figure 正在设计一个完全机电化的人形机器人，拥有双手。按照其模型规划，最终的机器人将是全电动的，高 1.6 米，重 60 公斤，有效载荷为 20 公斤，充电后可运行5小时。
英伟达发布专为机器人开发打造的平台 Isaac，大幅降低机器人开发难度。近日英伟达发布了专为机器人开发打造的平台 Isaac，平台包括软件、硬件、一个虚拟世界的机器人模拟器。工业和商用机器人的开发过程相当复杂，时间长，挑战大，成本高。在许多用例和场景中，缺乏结构化的环境也很普遍。NVIDIA Isaac 机器人开发平台采用端到端解决方案，可帮助降低成本、简化开发流程并加速产品上市。
今年以来，国内密集发布人形机器人相关政策。2023 年1 月，工信部等17部门联合印发《“机器人+”应用行动实施方案》，提出到 2025 年，制造业机器人密度较2020 年实现翻番，服务机器人、特种机器人行业应用深度和广度显著提升。根据北京、山东、深圳人民政府官网，4月20日，北京市提出加紧布局人形机器人整机，对标紧跟国际领先机器人产品，按工程化思路布局北京人形机器人整机及相关核心产品。4 月 29 日，山东省提出加快布局人形机器人等多项前沿领域。5月 31 日，深圳市提出开展通用型具身智能机器人的研发和应用，加快组建广东省人形机器人制造业创新中心，发挥粤港澳大湾区制造业优势，开展人形机器人规模化应用。
八、为什么特斯拉 Optimus 有望率先量产？
（一）特斯拉 Optimus 具备哪些优势？
我们总结了特斯拉人形机器人主要具备以下几个优势：1）外形：根据特斯拉22年AI DAY展示，首先从外形上擎天柱身高 173cm，体重 73kg，符合“人形”。2）价格：根据华尔街见闻，2022年特斯拉 AI DAY 马斯克表示，预计 Optimus 量产后价格在 2 万美元以内。我们认为如果在部分环节完全替代人工，这个价格对于工业和商业场景具备吸引力。3）商业定位准确：特斯拉的擎天柱从最初的定位就符合 PMF（Product / Market Fit）理论，这在成本端和设计理念已经体现。4）生态：特斯拉生态下，冲压机、FSD 自动驾驶系统、Dojo 计算机、D1 芯片，为机器人提供了有利条件。5）已有水平和发展速度：已具备的能力和发展速度优势，从 21 年概念图到23 年5 月能够完成复杂任务的完整机器人，仅一年半便完成了迭代。 相比之下，以当前运动性能最优的波士顿动力 Atlas 机器人为例，Atlas 售价大约在 200 万美元，如此高昂的价格，注定无法在 C 端大面积铺开，而B端用户对于成本与价格的考量往往比 C 端用户更加理性且严格。波士顿动力公司在Atlas 的整个开发过程中一直明确表示，其人形机器人纯粹用于研发目的。
我们认为，从特斯拉人工智能生态的角度来看待，汽车、机器人和自动驾驶、DOJO超级计算机可以形成闭环，DOJO 和自动驾驶系统充当“大脑”，汽车和机器人则在物理空间中拓展认知，再反过来训练“大脑”。 根据我们总结，特斯拉生态具备：1）特斯拉制造汽车时引进了全球最大的压铸机，人形机器人有上千个零部件，未来也可能通过一体化的方式加快生产制造。2）纯视觉方案，可直接嫁接FSD 系统。Optimus 采用了跟特斯拉电动车相同的感知与计算单元，其中包括自研的芯片，以及三个自动辅助驾驶摄像头。3）Dojo 计算机训练 AI 模型。dojo 是特斯拉开发的一台超级强大的训练计算机，目标是接收大量图像和视频数据，并在无人监督的情况下自行学习。4）D1是特斯拉自主研发的 AI 训练芯片，相比于业内其他芯片，同成本下性能提升4 倍，同能耗下性能提高 1.3 倍，占用空间节省 5 倍。目前 dojo 已用上自研 D1 芯片。5）商业模式上可直接延续电动车的“硬+软”收费模式。
21 年概念机到 22 年原型机再到 23 年 5 月完整机，Optimus 已经可以“自己造自己”了。根据特斯拉 2022 年 AI DAY 和 2023 年股东大会直播显示，22 年10 月Optimus 首次亮相无法自主行走需要人搀扶，23 年股东大会展示视频中 Optimus 已经可以在车间灵活行走、抓取物体，已经拥有环境探索与记忆、电机转矩控制能力、基于人类跟踪运动的 AI 训练以及物体操纵能力，且已打通了 FSD 底层模块，实现了一定程度的算法复用。2022 年马斯克接受采访时说道,机器人“擎天柱”预计明年底开始交付,目标量是 23 年 10 万台、24 年50 万台、25年100万台。2023 年 3 月马斯克表示，特斯拉机器人已经可以“自己造自己”了。
最新展示中 Optimus 电机可精准控制不打破鸡蛋，已经可以完成物品分拣的复杂工作。根据特斯拉最新在 23 年股东大会上发布的视频显示，Optimus 完成了一系列复杂任务如电机扭矩控制，力度控制更精确、环境探测与记忆等。例如特斯拉展示了 Optimus 电机转矩控制的能力，能做到精准控制力道不打碎鸡蛋。此外，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，还展示了其从一个容器中拾取物体并将它放入第二个容器中。
（二）特斯拉 Optimus 硬件拆解
机器人四大核心组件：传感系统、控制系统、执行系统、驱动系统。根据优必选研究院，机器人主要由机械部分、控制部分和传感部分组成，其中机械部分是其它部分的重要基础。机械部分按系统分包括驱动系统和机械系统。人形机器人有 4 大核心组件，分别是传感系统（对应五官）、控制系统（对应大脑）、执行机构（对应四肢）和驱动系统（对应关节组织）。
根据 2023 年特斯拉股东大会直播显示，Optimus 视觉方面采用摄像头纯视觉方案，能量方面采用 2.3KWh 电池，可待机 20 小时，支持工作全天。特斯拉最新亮相的机器人身高173cm左右，体重 73kg，采用了三个摄像头，两个常规的摄像头分布在左右耳朵的位置，一个鱼眼相机分布在最前方，延续了电动车的纯视觉方案。大脑采用 Tesla SoC 可以进行视觉信息处理，动作决策、以及语音交流。电池部分采用了一块 2.3 kWh 的电池，电池包内带有充放电及电源管理芯片，可持续待机 20 小时，能支持机器人工作一整天。
特斯拉对机器人做了损害控制，保证位于胸腔的电池在机器人跌倒是不会爆炸。还对全身的结构件都做了相应的受力分析，出于成本考虑，为了适应量产没有选用重量轻、性能好的碳纤维复合材料，而是采用铝合金。特斯拉在汽车上有成熟的高压铸造铝合金的经验，在材料端对于机器人将来量产有较大帮助。
整机构型是大型仿人机器人机械部分的关键点之一，它与关节的数量及布置方式紧密相关。根据优必选研究院，人体有 206 块骨头，大的关节有 78 个，有六种类型关节。一般大型仿人机器人关节有 15-70 个，关节类型有三种，旋转（水平方向旋转）、偏移（垂直方向上下移动）、滑动（水平方向线性移动）。
特斯拉机器人躯干共有 28 个关节，旋转关节和直线关节各14 个，每个关节对应一个执行器，手部共 12 个执行器。根据 2023 年特斯拉股东大会直播显示，我们对28 个执行器位置和数量进行预计，28 个执行器分别为肩关节（单侧三自由度旋转关节）6 个，肘关节（单侧直线关节）2个，腕部关节（单侧 2 个直线+1 个旋转）6 个，腰部（二自由度旋转关节）2 个，髋关节（单侧1个直线+2 个旋转）6 个，膝盖（单侧 1 直线关节）2 个，踝部（单侧二自由度直线关节）4个。每个旋转关节用到一个谐波减速器，手部单手有 6 个执行器，11 个自由度，拇指方面由两个电机驱动，驱动拇指的空心杯电机均横置在手掌内，其他手指各一个。能拿起约9 公斤重物体，可以使用工具，实现精准抓取小部件。
通过仿真模拟，考虑成本和重量两个因素，选出每个关节执行器最优解。根据2023年特斯拉股东大会直播显示，在设计关节驱动器时，最重要的事情就是确定驱动器的工作范围。首先对于机器人的工况做了假设，针对这些工况进行了仿真， 芯片采购平台在仿真中模拟出了机器人在各种情景下关节的输出力矩。之后将输出力矩投影到了关节驱动器的效率图中，采用的是市面上可以买的标准品电机+减速机，之后根据不同的电机和不同减速比减速器组合，最终组合出十几万种结果，红色的曲线就是系统成本和重量的最优曲线，再选出最合适的电机与减速比方案。之后将全身所有关节都做这样的分析，可以得到全身关节的最优组合。
从局部最优进一步到整体最优，28 个躯干关节最终选出6 款执行器。为了降低生产成本，对执行器数量进行了精简，即从局部的成本与重量最优，到全身的成本与重量最优。最终特斯拉选择出了三款旋转关节，三款直线关节，旋转关节的扭矩为 20、110、180Nm，直线关节的推力为500、3900、8000N。
在高速端，旋转关节采用内转子电机+角接触轴承，并配有一个刹车装置，直线关节部分采用了内转子电机和普通的球轴承。在低速端，旋转关节采用了谐波减速机，并配有交叉滚子轴承，直线关节部分采用了行星滚柱丝杆，相比于传统的滚珠丝杆，可以承受更大的负载。在传感器方面，关节在高速端和低速端都配备了位置传感器以及力和力矩传感器。
伺服电机、减速机、控制系统、驱动器与机器视觉等重要零部件占据人形机器人成本超过 70%。根据高工机器人网，人形机器人整体的自由度/关节数量通常为20个至 50 个，一个自由度对应一台伺服电机，国外电机价格通常为5000 至6000 元，甚至上万元，国产电机价格也在 2000 元以上。
根据优必选研究院，伺服驱动器工作原理：要实现机器人的精准运动，每个关节需要能产生精确的输出位置和力矩。每个舵机在接收到位置指令后，可以实时响应命令，多个舵机协调运行，就可以产生犹如人类一般灵活的运动。大型伺服驱动器有三种类型，分别为常规伺服驱动器、SEA伺服驱动器、本体伺服驱动器。常规伺服驱动器主要由力矩电机、谐波减速器、电机编码器、输出编码器、驱动板、制动器组成。
以特斯拉关节结构来看，旋转关节和直线关节结构类似，我们总结主要区别有三点：1）减速装置：旋转关节用的是谐波减速器，直线关节为滚柱丝杠。2）低速端传感器：旋转关节用的是角度编码器，直线关节是位置编码器。3）力传感器：旋转关节输出端由于是旋转运动，用的是力矩传感器，直线关节输出端是直线运动，用的是力传感器。
根据对人形机器人研究，我们认为在关节构成中，价值量最高、技术壁垒最高的两个环节是谐波减速器和无框力矩电机。 谐波减速器具备高精度、轻量化、小型化等优势，人形机器人通常采用谐波减速器。根据优必选研究院，减速器是一种动力传达机构，主要起着降低电机转速、提升扭矩的作用。仿人机器人常用减速器有精密行星减速器、谐波减速器、摆线减速器三种，回差是仿人机器人用精密减速器的关键性能指标之一，一般来说回差越小精度越高，谐波减速器满足高精度、小型化、轻量化、大减速比等特性，人形机器人一般采用谐波减速器。
机器人关节电机核心指标是功率密度，无框力矩电机由于体积小、重量轻，可满足高功率密度要求。根据《一种无框力矩电机的制作方法》，无框力矩电机没有外壳，可以提供更大的设备空间，中间是中空形式的，便于走线。在设计中，可以使整个机器体积更小，因此可以提供更大的功率密度比，同尺寸下可以提供更大的扭矩，可人形机器人轻量化和小型化的要求。功率密度=输出功率/质量，对于人形机器人关节来说，由于空间有限，功率密度是非常核心的指标，因此无框力矩电机优势明显。
机器人运动时膝关节受力最大，Optimus 使用了仿生四连杆结构，可平滑电机输出力保持效率最高区间。根据 2023 年特斯拉股东大会直播显示，特斯拉对于机器人的各种动作进行了模态分析并将其降入到控制系统中去来降低控制频率节省算力以及能源。膝盖是机器人运动时受力最大的关节，为了降低电机输出的力，膝盖处创新使用了仿生四连杆结构，这种结构相比于二连杆可平滑电机输出力，可以让电机的出力维持在一个恒定值上来让电机在效率最高的区间工作。
机器人产业链
（报告出品方/作者：国泰君安证券，肖群稀、鲍雁辛）
机器人运动控制的关键硬件——执行器
执行器——机器人的关节
机器人通常由执行机构、驱动系统、控制系统、和传感系统四部分组成。机器人执 行机构是机器人赖以完成工作任务的实体，通常由一系列连杆、关节或其他形式的 运动副组成。工业机器人按臂部的运动形式分为四种：直角坐标型的臂部可沿三个 直角坐标移动；圆柱坐标型的臂部可作升降、回转和伸缩动作；球坐标型的臂部能 回转、俯仰和伸缩；关节型的臂部有多个转动关节。这些运动都需要执行器来完成。
执行器可以根据运动分为两类：旋转执行器和线性执行器。 1）旋转执行器会将某物旋转一定的角度，可以是有限的也可以是无限的。旋转执行 器的一个典型例子是电动机，它是一种将电信号转换成其轴的旋转运动的执行器， 当电流施加到基本电机时，电机旋转。将电机直接连接到负载上，创建了一个直接 驱动的旋转执行器，许多旋转执行器与用作机械杠杆的机构相结合(优点)以降低旋 转速度并增加扭矩，如果最终结果是旋转，该组件的输出仍然是旋转执行器。 2）旋转执行器还连接到将旋转运动转换成来回运动的机构，该机构被称为线性执行 器。线性执行器本质上是沿着直线移动物体，通常是来回移动。这些机构包括：滚 珠/滚柱丝杠、皮带和滑轮、齿条和小齿轮。滚珠丝杠和滚柱丝杠通常用于将旋转运 动转换成精确的直线运动，例如在加工中心。齿条和小齿轮通常增加扭矩并降低旋 转运动的速度，它们也可以与将旋转运动转化为线性运动的机构结合使用。
旋转执行器主要包括 RV 减速器和谐波减速器： 1）RV 减速器：RV 通常是用摆线针轮，用于转矩大的机器人关节，主要用于 20 公 斤到几百公斤负载的机器人，一二三轴都是用 RV。RV 长时间使用后的精度保持度 高于谐波。由于 RV 的零部件更为复杂，承载强度更高且制造难度比谐波大，因此 产线的资本开支更高； 2）谐波减速器：谐波过去式以渐开线齿形为主，现在有部分厂家使用了双圆弧齿形。谐波可负载的转矩小，通常用于 20 公斤以下的机械臂。谐波里的一种关键齿轮是柔 性的，它需要反复的高速变形，所以它比较脆弱，承载力和寿命弱于 RV。
丝杠是将旋转运动变成直线运动的传动副零件。根据摩擦特性可分为滑动丝杠、滚 动丝杠及静压丝杠，其中滚动丝杠根据载荷传递元件的区别，分为滚珠丝杠和行星 滚柱丝杠： 1）滚珠丝杠：是传动机械中应用最为普遍、精度最高的传动装置。具有摩擦阻力小、 传动效率高、定位精度高、刚性高、微进给、高速进给、无侧隙、使用寿命长等特 性。 2）滚柱丝杠：相比滚珠丝杠，滚柱丝杠具备高负载、高刚度和长寿命的优势。行星 滚柱丝杠成本高，集中在高端或特殊需求，应用规模不大，主要是对液压执行器的 替代。 3）梯形丝杠：和滚珠丝杠的运动原理相同，不同之处在于，梯形丝杠里没有滚珠， 螺母和丝杠轴之间的运动完全靠机械接触产生滑动，是滑动摩擦，所以梯形丝杠也 叫滑动丝杠。滚珠丝杠是滚动摩擦，梯形丝杠是滑动摩擦，滚动摩擦的摩擦系数远 远低于滑动摩擦系数，大多数滚珠丝杠的传动效率高达 90%，有的达到 95%以上， 大多数梯形丝杠的传动效率低于 70%。
执行器决定机器人的负荷和工作精度
机器人的技术参数反映了机器人可胜任的工作、具有的最高操作性能等情况。主要 包括：自由度、额定负载、工作空间、工作精度。其他参数还有：工作速度、控制 方式、驱动方式、安装方式、动力源容量、本体质量、环境参数等。
1）自由度：工业机器人的自由度是根据其用途设计的。机器人的自由度反映机器人 动作的灵活性，自由度越多，机器人就越能接近人手的动作机能，通用性越好，可 用直线移动、摆动或者旋转动作的数目来表示。自由度越多，结构越复杂，对机器 人的整体要求越高。工业机器人把机械臂上每一个关节都当作一个独立的伺服机构， 即每个轴对应一个伺服器，每个伺服器通过总线控制，由控制器统一控制协调工作。
2）额定负载：也称有效负荷，是指正常作业条件下，工业机器人在规定性能范围内， 手腕末端所能承受的最大载荷。工业机器人负载范围较大，一般为 0.5～2300kg。 当负载较大时，提高电机的功率不划算，可以在适宜的速度范围内，通过减速器来 提高输出扭矩。伺服电机在低频转速下容易出现发热和低频振动，对于长时间工作 的工业机器人不利于确保其精确可靠的运行。精密减速器使伺服电机在合适的速度 下运转，并精确地将转速降到工业机器人各部位需要的速度，提高机械刚性的同时， 输出更大的力矩。
3）工作精度：重复定位精度取决于机器人关节减速机及传动装置的精度，绝对精度 取决于机器人控制算法、编码器精度、减速及传动装置精度等的综合表现。一般来 说，机器人的重复精度高于绝对精度。要提高机器人的绝对精度，需要进行高精度 标定。标定可以分为三级：一级未驱动器与关节传感器的标定，即确定关节位移传 感器产生的信号与实际关节位移之间的关系；二级在一级基础上，加入机器人几何 参数的标定，针对各组成连杆的运动变量误差和各连杆结构参数误差引起的位姿误 差；三级为非几何标定，针对由关节柔度、摩擦、间隙以及连杆柔度等因素引起的 误差。在标定过程中，测量是进行参数辨识和补偿之前的重要环节，包括关节位移 测量和机器位姿测量。位姿测量方法又包括接触式和非接触式，其中接触式测量对 机器人位姿限制较大；非接触式测量中，三坐标测量机只能测量小型机器人，而激 光跟踪仪对环境影响较为敏感，同时操作复杂，测量时间长。
4）工作空间：又称工作范围、工作行程，是指工业机器人作业时，手腕参考中心（即 手腕旋转中心）所能到达的空间区域，不包括手部本身所能达到的区域，常用图形 表示，P 点为手腕参考中心。工作空间的形状和大小反映了机器人工作能力的大小， 它不仅与机器人各连杆的尺寸有关，还与机器人的总体结构有关，工业机器人在作 业时可能会因存在手部不能到达的作业死区而不能完成规定任务。由于末端执行器 的形状和尺寸是多种多样的，为真实反映机器人的特征参数，工作范围一般是指不 安装末端执行器时，可以达到的区域。
综上，执行器是机器人的关键零部件，对机器人的负荷和精度有重大影响。减速器 是一种减速传动装置，可以通过降低转速而提高扭矩，以传递较大的负荷，克服伺 服电机输出的扭矩较小的缺陷。
Tesla Optimus 关节执行器：结构紧凑、高负载、低能耗
从特斯拉的发布会来看，我们预计特斯拉 Optimus 身体关节共有 28 个，包括三种 旋转执行器（14 个）和三种线性执行器（14 个）。
特斯拉 Optimus 旋转执行器方案猜测：永磁无刷电机+谐波减速器+抱闸+双编码 器+力矩传感器+轴承。 采用谐波传感器的优点：小体积，大速比，可达 160：1，扭矩密度比较高。轴向尺 寸小，执行器关节轴向可以比较紧凑。在机器人行业，大多数关节都没有集成扭矩 传感器，这是从成本，集成难度，刚度损失等方面考虑的。集成扭矩传感器的优势 在于关节更加安全，力控算法更简单。
特斯拉 Optimus 直线执行器方案猜测：永磁无刷电机+行星滚柱丝杠+位置编码器 +力传感器+轴承。 采用线性执行器驱动器关节的优势：1）空间利用率高。相比传统旋转执行器分布于 关节附近，线性执行器可以纵向布局，最大限度利用腿部内部空间，布置更大更长 的电机，提供更大的推动力。2）具备自锁能力。线性执行器的螺杆传动机构通过合 理设计可以具备自锁能力，即下半身不动时可以自动锁定姿态，不耗能，形成一个 低功耗且稳定的底部支架。3）低能耗，高负载。上肢的肘关节屈伸采用线性执行器 的理由和腿部原理一致，低耗能高推力。前臂的两个线性执行器构成并联关节主要 目的是降低腕关节的尺寸。纤细的腕关节有两个好处：一是在抓握时降低关节与工 件的干涉，提高抓握路径的灵活性；二是降低前臂对视觉构建及视觉位置反馈的干 扰，提升控制精度。 采用行星滚柱丝杠，可以输出高精度和高承载能力。行星丝杠的节距可以做的很小， 所以很容易通过小扭矩实现大推力，电机的功率和体积可以小一些。电机的转子集 成到了螺母上，整体结构更为紧凑。2.2Kg 的执行器输出可达 8000N，推力密度高。
人形机器人旋转执行器：需求弹性及供给能力分析
减速器在工业机器人中成本构成占比 35%，价值量最高，预计在人形机器人中价值 量依然会占到较高比重。工业机器人的控制过程是：控制器发指令给伺服驱动，驱 动伺服电机旋转，通过减速机执行动作，在工业机器人上游的三大部件中，减速器 成本占比最高 35%，伺服系统（伺服电机+伺服驱动器）、控制器，分别占比 25%、 10%。
人形机器人产业化对谐波减速器需求的敏感性分析
2017～2021 年精密减速器（谐波+RV）销量从 49 万台增长至 101 万台，复合增 速19.8%，工业机器人用精密减速器销量从41万台增长至84万台，复合增速19.5%。 2021 年占比 82%。2018～2021 年精密减速器市场规模从 57.7 亿元增至 59.5 亿 元，复合增速 1%，这与国产替代速度加快，均价下行有关。 人形机器人运动执行部件可能采用谐波减速器作为主要的执行部件之一，我们假设 人形机器人不同年销售规模，对谐波减速器的需求弹性进行敏感性分析。核心假设： 1）本次测算假设人形机器人年销量在 10~100 万台之间； 2）单台人形机器人配置谐波减速器 14 个； 3）马斯克在特斯拉的开放日上提出，特斯拉人形机器人最终售价将下降到 2 万美金 以下，与目前产业链的成本来看，有很大降本空间。我们暂时无法对产业链各环节 成本下降的幅度和速度做出假设，我们认为，技术成熟及产业链成本下降是产业化 的前提，规模化是技术成熟和成本下降后的必然。
从目前已知的信息来看，人形机器人采用 RV 减速器的概率相对比较小。因此我们 不对 RV 减速器进行敏感性分析。预计 RV 减速器未来的主要应用场景还将是在工 业机器人上。
谐波减速器供给格局：国产化提速
哈默纳科是目前世界最大的谐波减速器生产商，全球市场份额超过 80%。谐波传动 最初用于美国航天运动控制，谷川齿轮将其引入日本并量产，于 1970 年成立哈默 纳科。经过五十余年的技术迭代、海外版图扩张，哈默纳科垄断了全球谐波减速机 市场份额，产品矩阵愈加丰富，包括精密减速机（谐波减速器、减速器组件和行星 减速器）和机电一体化产品（执行器、控制器）。2021 年哈默纳科营业收入 570 亿 日元，2000~2022 年均复合增速 8.3%，与全球工业机器人行业增速基本一致。毛 利率稳定在 40%左右，净利率维持在 20%以上。
国内谐波减速器发展迅速，绿的谐波率先打破垄断，同川、大族紧追其后，双环、 中大力德、国茂股份开始入局。我国谐波减速器厂商起步较晚，受益于我国工业自 动化对工业机器人的旺盛需求，国产谐波得以快速发展，近年来国产替代脚步加快。 2021 年，哈默纳科占中国谐波减速器 38%的市场份额，相较 2018 年 52%的市场 份额显著下降。以绿的谐波为代表的国产谐波减速器份额提升明显，随着行业德蓬 勃发展，国内入局新玩家增多，日本新宝、台湾来福份额稳定，同川、大族等企业 也占据了一定的市场份额，中大力德、国茂股份、光洋股份也加入竞争，国内产能 建设提速。 国产谐波以价换量，高端产品技术突破成为关键。谐波减速器结构简单，在低寿命 的要求下门槛较低。疫情下外资厂商供货周期长，国产品牌把握住市场窗口期快速 放量，但产品多集中在中低端市场。国内企业依托本土优势可以提供低价谐波，2021 年均价 2000 元左右，哈默那科谐波进口单价多在 8000 元及以上，国内企业以一 定的价格优势在销量上表现亮眼。根据 MIR，2021 年绿的谐波、来福减速器销量分 别为 17.8 万、9.5 万台，远超过哈莫纳科的 3.5 万台。
RV 减速器供给格局：国产品牌正在突围
纳博特斯克是世界上最大的 RV 减速器制造商，全球市场份额超过 60%。博特斯克 的前身是日本帝人制机和纳博克株式会社，于 2003 年合并成为控股公司纳博特斯 克的全资子公司。1980 年，日本帝人精机将 RV 减速器应用于机器人行业，解决 了工业机器人存在容易受冲击损坏、手臂振动等问题；1986 年开始被大规模化应 用于工业机器人，赶上日本“机器换人”的浪潮，奠定了其行业领先地位。 纳博特斯克营收逐年稳健增长，2003~2022 年均复合增速为 4.9%。营收从 2003 年 1250 亿日元增长至 2022 年 3080 亿日元，2022 年毛利率为 5.9%，净利率为 24.8%。
2021 年纳博特斯克在中国的份额为 52%，国产品牌份额超过 30%，规模靠前的企 业有中大力德、秦川机床、南通振康、珠海飞马、智同科技等。南通镇康 2010 年研 制出第一台 RV 减速器，双环传动、中大力德分别于 2013 年前后开始研发工业机 器人精密减速器。经过十余年的技术积累和产品品类拓展，双环传动市场份额提升 明显，从 2018 年的 7%提升至 2021 年的 15%，国内规模靠前的企业有中大力德、 秦川机床、南通振康、珠海飞马、智同科技等。
机器人用轴承供给格局：主要依靠进口
工业机器人专用轴承主要有等截面薄壁轴承、薄壁交叉圆柱滚子轴承、RV 减速机轴 承及谐波减速器用柔性轴承等，它们大多采用非标准、多滚动体等设计原则。
国内工业机器人配套轴承大部分依靠进口，国内少数厂家虽然生产制造工业机器人 配套轴承，但批量小、品种规格少，零部件通用化程度低，供货周期长，成本髙， 质量不稳定。近年来，我国轴承厂商的制造能力有显著提升，从事机器人配套轴承 研发的主要厂商有：人本轴承、国机精工、洛阳 LYC 轴承公司、北京谐波技术研究 所、洛阳汇工轴、五洲新春。
线性执行器：需求弹性及供给能力分析
人形机器人产业化对线性执行器的需求敏感性分析
2022 年全球滚珠丝杠市场规模 20.4 亿美元，如果不考虑人形机器人产业化，预计 行业将保持低速稳定成长，预计到 2029 年市场规模 30.9 亿美元，2023 年至 2029 年复合增速为 6.1%。亚太地区具有最大的消费市场，占有 58%的市场份额，其次 是欧洲。 我们假设人形机器人不同年销售规模，对滚珠丝杠、滚柱丝杠、滑动丝杠的需求弹 性进行敏感性分析。核心假设：1）本次测算假设人形机器人年销量在 10~100 万台之间； 2）单台人形机器人配置谐波减速器 14 个； 3）特斯拉目前尚未公布其线性执行器具体方案，我们猜测可能的方案分为两种： 方案一：4 个滑动+8 个行星滚柱丝杠；方案二：14 个滚珠丝杠； 4）马斯克在特斯拉的开放日上提出，特斯拉人形机器人最终售价将下降到 2 万美金 以下，与目前产业链的成本来看，有很大降本空间。我们暂时无法对产业链各环节 成本下降的幅度和速度做出假设，我们认为，技术成熟及成本下降是产业化的前提， 规模化是技术成熟和成本下降后的必然。
滚珠丝杠供给格局：高端外资主导，中低端完成国产替代
滚珠丝杠的主要供应商集中在日、德、台地区，NSK 占据全球最大的滚珠丝杠份额。 全球市场被日本 NSK、日本 THK 等企业垄断，CR5 约 46%，日本和欧洲企业合 计占据了全球约 70%市场份额。国内市场上银、银泰占有率接近 50%，NSK、THK 市场占有率约 15%，国内企业占有率约 25%。 国产企业起步晚、产业规模小、产品丰富度低、生产效率低，尚未形成有国际影响 力的品牌，主要厂商：南京工艺、博特精工、合肥赛里斯（江苏雷利）、鼎智科技（江 苏雷利）、华欧精密等。国产滚珠丝杠在中低端应用已经基本实现了国产替代，产品 丰富度和技术指标和外商差距不大。在高端产品上，滚珠丝杠的精度、最高速度、 噪音、温升等控制方面以及精度保持性还有待提升，在细分高端市场，国产滚珠丝 杠副开始在机床企业批量使用，如秦川机床，海迈克精密。贝斯特和恒力液压也在 布局相关产品。
滚柱丝杆供给格局：国内处于起步阶段
70 年代，随着武器装备技术及石油、化工、数控机床等对大推力、高精度、高效率、 长寿命的需求提升，行星滚柱丝杠开始被大规模使用。1970 年起，瑞士 ROLLVIS 公司（后被 GSA 收购）致力于行星滚柱丝杆产品的制造与研究。美国的 EXLAR 公 司将行星滚柱丝杠作为六自由度并联机构的传动装置，研制出了一种新型的电推杆， 行星丝杠商用开始加速，目前主要应用于航空航天、武器装备等军事领域和数控机 床、工程机械等民用领域。 行星滚柱丝杠市场，全球主要制造业国家与瑞士差距大。国外具备生产行星滚柱丝 杠能力的企业主要有 GSA、SKF、EWELLIX、MOOG 等。GSA 公司是产品系列最 全、规模最大的行星滚柱厂商，在装配、加工工艺、材料及热处理工艺上有深厚的 积累，从产品覆盖规格、生产规模到产品生产经验积累对其他地区形成碾压优势。
国内行星滚柱丝杠处于起步阶段，仅有几家企业具备小批量生产能力，包括：博特 精工、常州思科瑞、南京工艺等。2010 年，博特精工、南京工艺、常州思科瑞等国 产厂商投入行星丝杠的研发，目前已具备小批量生产的能力，国产行星丝杠在承载 能力、产品尺寸覆盖范围上还有差距，产业化、规模化水平处于早期阶段。
技术壁垒：设计、材料、工艺、加工
减速器、丝杠、轴承等精密产品和零部件的技术壁垒都体现在设计、材料、工艺和 加工精度上。最终体现在产品性能上表现为产品的精度保持度、寿命、故障率等。 国产减速器同海外产品性能的差距体现在寿命和精度保持性上。在效率、减速比、 传动精度、扭矩刚度等关键指标参数上，国产减速器已经基本达到了国际领先的产 品水平，但是在疲劳寿命、故障率、批量产品的稳定性等方面有差距。根据官网数 据，纳博特斯克销量最高的 RV-C 和 RV-E 系列都具有更高的额定输出转矩和减速 比，寿命可以达到 6000 小时以上。与国外产品相比，国产减速器长时间使用后仍 有出现的磨损、漏油、精度下降的情况；国产谐波减速器在高速场景下容易出现断 裂的现象，产品稳定性和使用寿命上仍需提升。
减速器性能不仅与啮合原理、齿形设计、结构优化等相关，还与原材料、加工、热 处理工艺等因素相关。在效率、减速比、传动精度、扭矩刚度等关键指标参数上， 国产减速器已经基本达到了国际领先的产品水平，但是在疲劳寿命、故障率、批量 产品的稳定性等方面有差距，不仅与啮合原理、齿形设计、结构优化等相关，还与 原材料、加工、热处理工艺等因素相关。本章我们将主要以谐波减速器为例，来说 明高精度核心部件的技术壁垒。
谐波传动技术包括：总体结构、柔轮、刚轮、凸轮、柔性轴承、交叉滚子轴承、齿 形、波发生器、加工制造和试验方法等 10 个分支。从专利申请数量来看，总体结 构、波发生器、柔轮和加工制造是谐波减速器技术的研发重点。
1）波发生器（柔性轴承）：减速机厂家一般是从轴承厂家买来标准的柔性轴承，通 过质检后，再压到自己设计加工的凸轮中变成波发生器。凸轮：虽然采用厂家标准 品对于货期和价格都会比较好，但是由于采用电机的轴径、长度、安装方式的不同， 不少厂家都会对凸轮提出定制要求。进口品牌对减速机大都会进行深度定制，而当 前国产品牌的规模较小，很难进行定制。柔性轴承的核心问题是材料与热处理问题。 既要承受球体的压力又要承受高速运动的变形。太软，沟道容易受损，太硬，轴承 容易断裂。凸轮方面主要是加工问题，其实国产当前的加工水平完全可以满足要求， 但是后期批量之后如何选择加工工艺以达到最佳性价比。
2）刚轮：主要生产过程包含下料——热处理——外形加工——齿加工等。打样一 般会采用 40Cr 棒料加工，量产阶段采用球墨铸铁，进口为主，主流厂商进行包炉，。 批量生产普遍采用滚齿，成型之后，对齿会进行加强处理，主要采用喷砂或者渗氮 工艺，目的是加硬跟耐磨。
3）柔轮：常用的材料是 40CrNiMoA，也有不同的微量添加。厂家一般是采用棒料 下料后经过锻造后再加工，相比刚轮，柔轮的加工最大的难点有三：一是柔轮精加 工时的壁很薄，要防止变形和抖动，需要有专门的治具把内壁撑起来；第二是要决 定控制窜刀量保证柔性轴承压入后刚好把齿撑起来；第三是齿的修型问题。天下齿 型出 HD，只有极个别厂家有能力设计新的齿型。
4）交叉滚子轴承：谐波减速器专用十字交叉轴承具有很高的刚度、旋转精度以及复 合承载能力，外形紧凑。精密轴承是制造业关键零部件，机器人配套轴承是轴承应 用的一个细分市场。机器人用精密轴承包括：谐波减速器专用十字交叉轴承、柔性 轴承、RV 减速器轴承、交叉滚子轴承、等截面薄壁轴承等。
5）油封及润滑：是非常成熟的零部件，但大厂常会对油封做定制以提升性能。谐波 的润滑分成油润滑和脂润滑两种方式，油润滑，流动性好，润滑就好，热传导也好， 可以提升转速，但对于密封的要求非常高，目前只有 HD 有采用油润滑，因此只有 HD 可以做高速谐波。除了 HD 外，其他厂家普遍采用脂润滑。
设计：齿形设计和传动结构设计是关键
谐波：绿的、来福的齿形设计和传动结构避开了哈默纳科的专利。谐波龙头哈默纳 科先发制人，在齿形设计和传动结构方面申请了专利，国产减速器厂商绿的谐波的 P 齿形、来福谐波的δ齿形率先打破垄断，基本满足谐波减速器的性能需求，但新进 入厂商很难在避开专利限制的情况下设计优良性能的齿形。 RV：摆线齿轮修形理论不完善。国内企业对于摆线齿轮修形原理大多基于经验数据， 没有足够的完整的理论基础，导致齿型修形要不断的尝试改进，增加研发时间，且 改进效果并不明显；RV 减速器构成复杂，零部件在设计上的配合和细节参数的优化 都是影响减速器精度的重要因素。
材料及零部件：长期依赖进口
谐波减速器：柔轮材料长期依赖进口。国内外的谐波减速器柔轮材料基本为 40Cr 合 金钢，其中 40CrMoNiA 与 40CrA 最为常用，晶粒和铁氧体相的不合理会导致局部 微裂纹和尺寸精度的变化，对材料的纯度要求高。相同的原材料，由于国外提纯技 术较高、杂质少，因此国产谐波减速器的材料长期依赖进口。
RV 减速器：国产轴承在精度上仍有较大的差距。RV 减速器的原材料包括齿轮钢 （20CrMnTi、20CrMo、20MnCr5 等）、轴承合金等。国内齿轮钢的生产水平已达 到国外先进的水平，比起日、德、美生产的齿轮钢还有一些差距（淬透性宽、纯度 低等）。外购零部件：部分厂商在轴承、密封圈、滚针、挡圈等零部件会选择外购， 轴承是影响产品精度的一大关键因素，而国产的轴承在精度上仍有较大的差距。
工艺：需要经验积累
热处理工艺是提升减速器疲劳寿命、精度稳定性的关键环节。按照目的不同，热处 理工艺一般分为预备热处理和最终热处理，预备热处理用于改善材料的加工性能， 消除内应力，主要工艺包括退火、正火、时效、调制等；最终热处理的目的在于改 善材料的硬度、耐磨性等，提升减速器疲劳寿命、稳定性，主要工艺包括淬火、渗 碳淬火和渗氮处理等。 谐波：柔轮失效是谐波减速器的主要失效形式之一，限制着谐波减速器的使用寿命： 柔轮壁薄，同时需承受波发生器和外部载荷的双重作用，良好的热处理工艺是保证 材料结构组织一致的必要前提。国产厂商在柔轮的热处理工艺、慢走丝、连续切割 等加工工艺上存在差距，这也是决定减速器精度和寿命的核心。
RV：设计更复杂，其中摆线轮、偏心轴、针齿壳等核心部件的加工均有很大的难度， 核心难点在于各项工艺的密切配合，包括：加工精度、零件对称性、成组技术、装 配精度等。热处理技术是国产厂商的一大软肋，技术不过关会导致产品变形、硬度 不够。工艺的差距带来的是产品精度、损耗速度和寿命的差距。这也对操作人员的 技术提出了高要求，需要其能根据各种条件的变化，及时调成，保证成品率。
滚珠丝杠的制造工艺主要是两种：轧制和磨制，其中轧制属于批量制造，能达到的 精度较低，但生产效率高，设备门槛高于磨制。我国磨制丝杠发展比较早，非标要 求高，规格产品也算齐全，从一开始的只能满足部分非标需求发展到现在基本满足 所有使用场合，在低噪音，低摩擦，重载低速，高速，还有某些如注塑机的重载专 用丝杠，基本已经完全国产化了。而轧制丝杠起步较晚，直到近年才形成整个体系 产业链，并且已经实现对低端的中国台湾品牌替换。并且有部分细分产品如小导程， 特殊材料，机电集成化丝杠已经基本形成成体系的产业链。
关键设备依赖进口：热处理、磨齿机、三坐标等检测设备
磨齿机、高精度三坐标检测设备、齿轮检测设备是提升减速器齿轮精度的关键设备。 谐波减速器加工过程需要用到齿轮加工机床、三坐标测量机、加工中心、磨床、车 床、热处理设备等。RV 减速器加工设备包括齿轮加工机床、加工中心、车床、磨床、 硬拉床、三坐标测量机、热处理设备等，实际工况中 RV 减速器需要反复精确定位， 对加工设备精度要求高，否则会造成产品的磨损。 a. 加工设备：核心零部件（例如偏心轴、摆线轮、针齿壳、行星架等）的末道精加 工设备依赖进口， 对核心关键设备仅限于使用层面，在面对工艺上有新的需求或需 要不断优化的时候，国产厂商就无法快速反应。 b.专用工装：设备供应商一般不会提供一整套高精度的工装设备，因此自主设计制 作的工装是加工出高精度零部件又一关键因素； c. 检测设备：高精度三坐标检测设备和齿轮检测设备，及相关的材料检测设备，确 保齿确保齿轮质量和尺寸控制准确无误，是高精度 RV 减速器的关键。
热处理设备
国内中高端热处理设备依赖进口。减速器热处理产线通常为定制化，部分企业委外 加工，国内热处理行业发展水平较低，中高档热处理设备长期依赖进口，2017-2021年中国热处理设备制造行业进口额在 2000 万美元左右波动，2019-2021 年中国热 处理设备制造行业进口金额逐年上升，2021 年实现进口金额 23391.03 万美元，同 比上升 16.10%。2017~2021 年进口数量年增长率始终保持在 80%以上，21 年达 到 51404 台，同比增长 83.36%。
国产热处理设备在设备稳定性、信息化程度、产线集成能力等方面还存在差距，部 分厂家部分设备技术水平已经接近国外中高端产品水平。海外领先的热处理设备及 服务公司包括：爱协林、应达、易普森、易孚迪、日本高周波、德国 ALD 等。国内 感应热处理装备制造商综合实力较强的公司为：上海恒精机电设备有限公司，天津 天丰淬火设备有限公司，洛阳升华感应加热股份有限公司，十堰恒进科技有限公司， 十堰天舒机电科技有限公司。其中，上海恒精机电设备有限公司，洛阳升华股份有 限公司，十堰恒进科技有限公司的一些设备技术水平已经接近国外中高端产品水平， 逐渐替代进口产品。
高精度磨床
高精度磨床长期依赖进口，秦川机床、重庆机床、南二齿是磨齿机国产替代龙头。 按照齿轮加工工艺分，齿轮机床可分为滚齿机、插齿机、铣齿机、剃齿机、珩齿机、 磨齿机等系列，齿轮加工工序复杂，不同工序对精度要求不同。一般来说，决定减 速器齿轮精度的工序为热处理后的精加工阶段，以磨齿机为主（未经过磨齿的齿轮 最高只能达到 6 级精度，而磨齿机加工过的齿轮最高可达 2 级精度），设备长期依 赖进口，如莱斯豪尔、格里森、卡帕耐尔斯、日本电产等。秦川机床是国内磨齿机 龙头，有望实现高端设备的国产替代，其 YKS7225 双工位高效磨齿机精度可达国标 GB/T10095-2008 的 4 级；重庆机床、南二齿也具备磨齿机生产能力，其中重庆机 床 YS7232/YS7232G 高精密数控蜗杆砂轮磨齿机批量加工精度可达 4-5 级。
高精度三坐标、高精度齿轮检测设备
高精度三坐标国内与国外产品的差距主要体现在三个方面：1）从精度等级上看，进 口精密计量型测量机能达到 0.5 微米以内的检测精度，而国产设备最高仅能达到 0.8 微米，且测量行程低于进口机型。2）进口机型从结构设计到材料呈现多方向发展状 态，而国内多家厂商的产品在结构和材料上几乎完全相同，缺少创新能力；3）进口 机型的控制系统、测头及测量软件等一般都具有自主知识产权，掌握全部或大部分 核心技术；而大多数国产机型除机械本体外，关键组成部分采用国外品牌，自主研 发能力较弱，缺少核心技术。国际比较著名的测量机生产厂家主要有瑞典海克斯康、 德国蔡司、德国温泽以及日本三丰等，其中计量型测量机市场主要被蔡司、海克斯 康垄断。我国三坐标测量机的主要生产厂商有 303 所、西安爱德华、青岛雷顿、集 萃华科等。
产品 SKU 丰富度与客户粘性
国内减速器厂商在产品矩阵的丰富度（SKU）上不及海外厂商，需要时间和技术积 累。哈默纳科、纳博均已成立超过半个世纪，在减速器品类上有深厚积累，其中哈 默纳科谐波减速器产品覆盖 15 个系列共 49 款谐波减速器，包括空心轴减速机、微 型减速机等众多样式；相比之下，绿的谐波产品包括 6 个系列共 19 款产品。纳博 特斯克产品覆盖 3 个系列共 25 款 RV 加速器，双环传动旗下包括 2 个系列共 12 款 RV 减速器。无论是 RV 还是谐波，国产厂商在品类丰富度上均有所差距，且并非能 短期弥补，需要技术、专利、时间的积累。
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