人形机器人行业专题报告：Tesla bot孕育新革命

（报告出品：国泰君安证券）

1. 结论及投资分析

以特斯拉为代表的汽车厂商积极投入人形机器人产业，汽车零部件有望 发挥研发、制造、资金等优势，借助汽车客户优势，切入机器人新赛道。特斯拉机器人的设计、开发、供应链借鉴了汽车的丰富经验，相关汽车 零部件有望率先参与特斯拉机器人产业，打造第二成长曲线。我们认为 在汽车零部件寻找机器人相关投资机会选择的标准有两个：一是特斯拉 车链供应商，二是具有机器人相关业务或者原有业务有向机器人延伸可 能的公司。机器人关节的执行总成、减速器、丝杠等环节弹性大，部分 汽车零部件供应商原有业务与机器人关键部件有协同性，有望向机器人 业务延展。

2. Tesla bot 不断迭代，孕育下一轮科技革命

2.1. 特斯拉引领，人形机器人即将爆发

特斯拉强势进军人形机器人市场，引领下一轮科技革命。2021 年 8 月 19 日，特斯拉在首个 AI 日上发布人形机器人概念图及视频，宣布特斯 拉通用机器人计划。2022 年 9 月 30 日的 AI 日特斯拉 Optimus 原型机首 次现身，特斯拉人形机器人加速推进。特斯拉计划将 Optimus 系列机器人与 Model系列电动车作为同样重要的 产品线，打通工业、商用、家用场景限制，填补劳动力缺口，用机器代 替人类执行危险、无聊、重复和人们不愿意做的工作，整合各类应用场 景，成为继 PC、手机、智能电动汽车后下一代的超级智能终端。

特斯拉人形机器人不断迭代，商业化落地持续加速。2022 年 9 月特斯拉 原型机只能缓慢张手、抬手，发布会现场由工人人员搬运出场，发布会 展示的视频中只能做下蹲、拿/搬运箱子、抓取物体、浇花等简单动作。2023 年 5 月特斯拉发布的演示视频中可以集体步行、灵活抓取放下物体 等更复杂的动作。2023 年 9 月，特斯拉再度发布新视频，特斯拉机器人 可以依靠视觉对物体分类、找准身体平衡感，能做出单腿直立等动作。特斯拉人形机器人以每 3-6 个月的时间间隔加速迭代，细节方案越来越 向商业落地靠近。

1.1. 人形机器人有望成为下一个新能源汽车

回顾新能源车的发展，人形机器人处在商业化的前夜。在特斯拉出现之 前，新能源车也面临过成本与需求不清晰的混沌期，主要是短期技术的 限制造成的。尽管电动汽车 19 世纪就诞生，早于汽油车，但当时电池 密度低、寿命端，无法与快速进步的内燃机汽车竞争，在过去百年之中 市场先选择了汽油车。随着 2005年后电池技术的多轮迭代，续航、充 电、寿命等性能都取得突破，在特斯拉的引领下，成本与需求的瓶颈被 打破，新能源汽车市场最终迎来了爆发。人形机器人目前尚未大规模量产，但随着控制方法、人工智能、深度学 习等计算机、通信技术的不断突破，人形机器人快速迭代，以最新一代 的波士顿动力双足机器人 Atlas 为例，仅 6 年左右的时间，Atlas 从蹒跚 学步进展到了流畅跑酷。在劳动力不足的大背景下，技术进步叠加资本 进入，产业也亟待更多人形机器人的市场化落地。

特斯拉有望成为人形机器人行业的破局者，特斯拉人形机器人 Optimus 是新能源车中的 Model 系列。特斯拉从 Roaster 到 Model S/X ，再到 Model 3/Y，加速了全球电动化，尤其是特斯拉中国工厂，一方面实现了 更高效率、更低成本的大规模生产，另一方面拉动了消费者对电动车接 受度的提升。特斯拉人形机器人有望复制其在新能源汽车上的路径，发 挥其强大的工程能力以及人工智能上的优势，整合并创新现有技术，实 现低成本、高效率的大规模量产，推动人形机器人全球化的应用。另外， 中国供应链在特斯拉新能源汽车降本上发挥了重要作用，上海工厂扮演 了特斯拉产能释放的最重要的角色之一，我们认为在人形机器人市场， 中国供应商和供应链同样也会发挥类似的作用。

3. 人形机器人的关键部件

3.1. 采用电驱路线，执行器是人形机器人的最核心

特斯拉人形机器人采用电驱动的技术路线，即电机+减速器的执行器。根据 2022 年特斯拉 AI DAY 发布会，特斯拉人形机器人全身包括 28 个 运动关节（不含手部），采用集中式的布局，包括三种旋转执行器和三 种线性执行器。特斯拉的人形机器人手指有 6 个执行器和 11 个自由度， 搭载了能够驱动手指并进行感知的传感器。

机器人关节驱动器是双足仿人机器人关键部件，按动力来源可以分为液 压、气动、电机驱动等，特斯拉人形机器人采用电机驱动的方式。电机 驱动方案的驱动器一般由电机、减速器、编码器、控制板和控制软件等 组成，分为刚性驱动器、弹性驱动器和准直驱驱动器等类型。传统刚性 驱动器由电机、高传动比减速器、刚性力矩传感器、输出端组成，其中 刚性力矩传感器是可选择项；弹性驱动器在高传动比减速器与输出端之 间加了弹性体，用位置传感器检测弹性体的形变，可以推断出力矩的大 小；准直驱驱动器是高力矩密度电机+低传动比减速器的组合，通过电 机的电流大小间接推断出输出力矩的大小。

刚性驱动器设计理论相对成熟，在传统的双足机器人、工业机器人、协 作机器人和工业精密转台等方面得到广泛应用，但由于电机和减速器功 率密度限制，限制其在双足仿人机器人上的应用。弹性驱动器由于弹性 体引入，给控制带来了难度，尤其在机器人腿部使用，因此弹性驱动器 需要在功率密度、能量效率、结构布局等指标间平衡，结合机器人整机 结构布局、运动步态控制算法做整合优化。准直驱驱动器目前主要应用 在四足机器人中，技术发展迅速，但需要在编码器技术创新和电机功率 密度上突破。

3.2. 精密减速器：旋转执行器的“肌腱”

特斯拉人形机器人的肩、髋等需要大角度旋转关节所采用的主要是旋转 执行器。根据特斯拉 2022 年 AI Day 发布会，特斯拉旋转关节分为 3 种 尺寸，由无框电机、双编码器、力矩传感器、谐波减速器组成。

精密减速器是旋转执行机构的核心部件之一。减速器是连接动力源和执 行机构的中间机构，具有匹配转速和传递转矩的作用，类似于工业机械 的“肌腱”。电机有高转低扭的特点，因此每台伺服电机都要搭配使用 一个减速器，实现降低转速、提升扭矩以满足不同的工况。按照控制精 度划分，减速器可分为一般传动减速器和精密减速器。一般传动减速器 控制精度低，可满足机械设备基本的动力传动需求。精密减速器回程间 隙小、精度较高、使用寿命长，更加可靠稳定，应用于机器人、数控机 床等高端领域。精密减速器种类较多，包括谐波减速器、 RV 减速器、 摆线针轮行星减速器、精密行星减速器等。

谐波齿轮减速器是一种靠波发生器使柔轮产生可控的弹性变形波，通过 其与刚轮的相互作用，实现运动和动力传递的传动装置，其构造主要由 带有内齿圈的刚性齿轮（刚轮）、带有外齿圈的柔性齿轮（柔轮）、波发 生器三个基本构件组成。谐波传动有回差小、运动精度高、传动比大、 体积小、重量轻等优点。

谐波传动的工作原理采用波发生器主动、刚轮固定、柔轮输出形式，当 波发生器装入柔轮内圆时，迫使柔轮产生弹性变形而呈椭圆状，使其长 轴处柔轮齿轮插入刚轮的轮齿槽内，成为完全啮合状态；而其短轴处两 轮轮齿完全不接触，处于脱开状态，当波发生器连续转动时，迫使柔轮 不断产生变形并产生了错齿运动，从而实现波发生器与柔轮的运动传递。柔轮是谐波减速器关键部件，在谐波减速器运动中不断变形，容易发生 疲劳断裂，因此提升柔轮精度、保持寿命是柔轮设计和热处理工艺最为 关键的目标，其原材料、齿轮齿形设计以及热处理工艺都会对其性能产 生影响。

RV 减速器是在传统摆线针轮、行星齿轮传动装置的基础上发展起来的 传动机构。RV 减速机由一个行星齿轮减速机的前级和一个摆线针轮减 速机的后级组成，主要零件包括正齿轮（行星轮）、RV 齿轮、曲柄轴、 销（针齿销）、外壳（针轮）、输出轴等。

RV 减速机通过正齿轮变速、差动齿轮变速进行变速。正齿轮变速通过 行星轮和太阳轮实现的齿轮变速。差动齿轮变速是行星轮带动曲轴旋转， 曲轴带动 RV 齿轮摆动。在第一减速部中，输入轴的旋转从输入齿轮传 递到直齿轮，按齿数比进行减速；在第二减速部中，有一个曲柄轴与直 齿轮相连接，在曲柄轴的偏心部分，通过滚动轴承安装 RV 齿轮，曲柄 轴会带动 RV 减速机做偏心运动，当曲柄轴转动一周，RV 齿轮就会沿与 曲柄轴相反的方向转动一个齿，从而达到减速效果。RV 减速机具有高精度、大速比、高刚性、高过负载及长寿命特点，且 具有振动小，噪音低，能耗低等优点。RV 减速器与谐波减速器一样， 具有精度高、单机传动比大等特点，但相较于谐波减速器，RV 减速器 组成更加复杂，导致体积和重量较大，由于不存在变形运动，因此具有 更高的刚性和扭矩承载能力，主导重负载精密减速器领域。

行星减速机包含一个中央太阳齿轮，由几个行星齿轮包围，由行星架固 定，并封闭在齿圈内。当入力侧动力驱动太阳齿时，可带动行星齿轮自 转，并依循著内齿环之轨迹沿著中心公转，行星之旋转带动连结于托盘 之出力轴输出动力，利用齿轮的速度转换器，将电机（马达）的回转数 减速到所要的回转数，并得到较大转矩。行星减速机有重量轻、体积小、传动比范围大、效率高、运转平稳、噪 声低适应性强等特点，采用直齿与斜齿两种齿轮类型，通常减速比 10 以下为一级减速，当一个齿轮传动无法满足比较大的齿轮传动比时，必 须 2 套或 3 套来满足大减速比的需求，但容积会增大，因此行星减速机 主要运用于直角坐标系智能机器人。

不同减速原理的减速机构各有特点，需要根据机器人的设计侧重不同对 减速器选型。一般采用大减速比的机构使用谐波减速器或者摆线针轮减 速器，小减速比的机构选择行星减速器、皮带/链条传动、简单齿轮传动 等。减速器的选型取决于机器人的功能、空间布局和设计等多方面因素， 各类减速器的性能没有绝对的优劣之分。其中，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。在输出力矩相同时，谐波减速器相比一般减速器 的体积可减少 2/3，重量可减轻 1/2，因此谐波减速器在机器人小臂、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，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。谐波减速器容许力矩负载在 1,500N·m 以内， RV 减速器容许力矩负载可达 8,000N·m，因此谐波减速器在大 负载工况下有局限，RV 减速器在轻量化工况下有不足。此外，RV 减速 器零部件数量多，制造和装配难度大，大规模生产难度更高。

全球谐波减速器和 RV 减速器市场格局集中度高，长期被日本厂商主导， 但国产厂商不断追赶，国产化率逐步提升。精密行星减速器市场格局较 分散，众多国产厂商均有参与。谐波减速器市场上，日本厂商哈默纳科长期占据主导地位，2021 年哈默 纳科占据全球谐波减速器市场的 82%，绿的谐波占比 7%，其他厂商占 比 11%。中国谐波减速器市场上，2021 年哈默纳科与绿的谐波分别以 36%、25%的市场份额处于领先地位，来福、新宝、大族、德福分别占 据 8%、7%、5%、4%的市场份额。

根据高工机器人统计，2022 年国内 RV 减速器市场国产替代趋势显著， 纳博特斯克虽然以 51%市占率稳居首位，但同比持续下降，国产品牌环 动科技、珠海飞马、秦川、中大力德、南通振康市场份额逐步攀升，市 占率分别达 14%、8%、4%、4%、3%。在全球范围内，德国、日本等国家的精密行星减速器产品在材料、设计 水平、质量控制、精度、可靠性和使用寿命等方面处于行业领先地位。精密行星减速器国产厂家有科峰智能、纽氏达特、中大力德等，国外精 密行星减速器主要厂家为日本新宝、纽卡特、威腾斯坦等。2022 年国内 精密行星减速器市场，日本新宝市场份额约 20.4%，处于领先地位。

目前仿生机器人的关节减速器方案以谐波为主，不同类型的机器人减速 器选型各有特点，随着关节方案的推陈出新，相应的减速器设计有望不 断创新。仿生机器人代表厂商中优必选 WalkerX 每条腿使用了 6 个谐波 减速器，美国敏捷机器人 Digit 每条腿会使用 4 个谐波减速器，美国 OSU （俄勒冈州立大学）的 Cassie 双足机器人采用的是 1 级或 2 级行星减速 器。Tesla Bot 采用的是高减速比的谐波减速器，Honda Asimo 采用的也 是类似的设计。

人形机器人的关节数量远高于工业机器人（每台使用 2-6 个），因此人形 机器人的爆发将大幅扩大精密减速器的使用量。

3.3. 丝杠：化旋转为直线运动，线性执行器的关键

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