报告出品方：国海证券

以下为报告原文节选

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人形机器人飞速迭代进化

智能机器人发展日益蓬勃

智能机器人，即具有主动性的第一人称智能，本质上是可以与环境交互感知，能自主规划、决策、行动，具有执行能力的机器人。智能机器人的核心目标是能够听到人类语言，然后分解任务，规划子任务，在移动中识别物体，与环境交互，最终完成相应任务。自1968年美国斯坦福研究所公布第一代智能机器人Shakey以来，智能机器人发展日益蓬勃、方兴未艾。

全球机器人市场规模庞大

● 机器人市场规模庞大。根据中国电子学会《中国机器人产业发展报告 （2022年）》指引，预计2022年全球机器人市场规模将达到513亿美元，其中工业机器人市场规模将达到195亿美元，服务机器人达到217亿美元，特种机器人达到101亿美元。

● 全球人形机器人未来市场空间巨大。根据KBV Research数据，2022年全球人形机器人市场规模为14亿美元，到2030年该市场规模预计达到396亿美元，CAGR高达51.86%。

具身通用智能机器人是机器人未来发展方向

● 具身智能被视作人工智能的最终形态。具身智能是指一种基于物理身体进行感知和行动的智能系统，其通过智能体与环境的交互获取信息、理解问题、做出决策并实现行动，从而产生智能行为和适应性。

● 相比一般机器人，人形机器人具有更加复杂的结构、传感、驱动和控制系统。人形机器人是指外观和功能与人相似的智能机器人，比一般机器人具有更加复杂的结构、传感、驱动和控制系统。

● 人形机器人是具身通用人工智能最理想的身体形式。未来的机器人需要真正做到和人一样，通过实现规划决策（大脑）、运动控制（小脑）、主控系统、主干结构及零部件的组合（类似于人的一系列关节和肌肉）达成基于感知到的任务和环境进行自主规划-决策-行动-执行等一系列行为的目标。

Te sl a Bot

● Tesla Bot横空出世，人形机器人快速更新。2021年8月19日，在特斯拉首届AI Day活动中，马斯克亲自发布了概念机 Tesla Bot。按照马斯克的设想，Tesla Bot将由分布在机器人手臂、颈部、躯干、手掌、腿部的合计40个电机驱动，使用轻质材料构成主体，并拥有如人类一般灵活的双手。马斯克认为，Tesla Bot将会从处理无聊、重复和危险的事情开始，逐步去实现其他更复杂任务。

Optimus

● Optimus迭代进化，有望量产且大幅降低成本。2022年9月30日，特斯拉在Tesla AI Day展示了人形机器人Optimus（擎天柱）的原型机版本，并在展示文档中分享了大量技术细节。马斯克认为Optimus有望在3-5年内实现量产，最终降本至2万美金一台，从而普通家庭亦可购买。

● Optimus具有极高自由度。Optimus全身共有40个关节，其中Optimus 的四肢以及躯干部分合计有28个执行器关节，包括14个旋转执行器关节以及14个线性执行器关节。而Optimus 的一双灵巧手则有12个执行器关节，每只手具备11个自由度，可以进行自适应抓取，且具备反向锁止功能。

● Optimus力度控制能力，感知能力显著提升。2023年5月，特斯拉在其股东大会上发布了擎天柱Optimus 的演示视频，机器人的力度控制更加精准，可以接触但不击碎鸡蛋。机器人的感知能力亦显著提升，可以识别并记忆不同的路况。此外，Optimus 可以由人类输入动作范例，进行端到端的学习。

● 马斯克预计，Optimus的远期需求或达到100亿台。

Optimus Gen 2

● Optimus Gen2智能机器人来袭，手部关节全新升级，力度控制进一步增强。2023年12月，特斯拉发布Optimus Gen2的最新视频。视频显示，Optimus Gen2拥有 AI 大模型的加持，体重比一代减少10kg，步行速度加快30%，身体控制能力增强；手部关节全新升级，活动更加自然。手指部分均搭载触觉传感器，能更精准地抓握细小易碎物品。同时，Optimus Gen2还可以做多个深蹲动作，显示出其平衡能力有所增强。

Optimus结构及原材料拆解

人形机器人包含四大核心技术模块

● 人形机器人主要包含四大核心技术模块：环境感知模块、智能AI芯片模块、运动控制模块、操作系统模块，其中前三大技术模块与硬件有关。

Optimus全身具有50个自由度

● Optimus全身有50个自由度，分布在各个身体部位。人形机器人的自由度需要执行结构达成，组成Optimus的14个旋转执行器、14个线性执行器、灵巧手的多个空心杯关节为其带来了50个自由度，使其不同身体部位能够前摆(Pitch)、扭转(Yaw)、侧摆(Roll)运动，同时每只灵巧手的11个自由度让其能够执行更复杂的操作。

Optimus独特的执行器设计与分布

Optimus结构拆解

Optimus成本拆分

● 在Optimus整机的BOM中，FSD芯片及套件、六维力矩传感器、行星滚柱丝杠、谐波减速器、无框电机价值量位列前五，分别占整机价值的比重为27.68%、19.77%、14.30%、11.53%、9.23%。

六维力矩传感器

● 六维力矩传感器是性能最优、力觉信息最全面的力矩传感器，能够同时测量三个轴向力和三个轴向力矩，将力矩的物理变化转换成精确的电信号，满足任何方向上力的检测。

● 六维力矩传感器技术壁垒较高，需解决维间扰乱、矢量解耦算法、动静态标定、对所测力分量敏感的单调性和统一性等问题。

● 六维力矩传感器应用于每个线性执行器和旋转执行器上，使Optimus结构更为简洁，对力的感知和控制效果更好。

六维力矩传感器的核心是硅应变片

● 六维力矩传感器属于应变片式传感器，其主要组成部分包括弹性体(Elastomer)、硅应变片、PCB板等。弹性体材料包括铝合金、不锈钢等；PCB板的核心是覆铜板，是将电子玻纤布或其它增强材料浸以树脂，一面或双面覆以铜箔并经热压而制成的一种板状材料；这些部分价值较为便宜。

● 硅应变片是传感器的核心，也是其价值的主要组成部分。

硅应变片是将单晶硅切片、研磨、腐蚀压焊引线，最后粘贴在聚酰亚胺的衬底上制成的，其关键是通过测量硅的体积变化带来电阻的变化，采集并计算以后得到力的大小。

● 硅应变片材料成本较低，但导致其价格高昂的原因是对应变精准测量采集的技术和加工工艺。截止2024年2月27日，硅应变片龙头KYOWA 的 KFWB 型号应变片的价格为445.2元/片，而标准130μm的N型单晶硅片仅需2.55元/片。

行星滚柱丝杠

● 行星滚柱丝杠将电机的旋转运动转换为丝杠或螺母的直线运动。行星滚柱丝杠的核心部件包括主丝杠，螺纹滚柱丝杠和螺母。主丝杠的周围，行星环绕般布置了6-12个螺纹滚柱丝杠，使行星滚柱丝杠具有运行速度高、承载能力强、使用寿命长等特性，作为液压系统的替代品更加适用于人形机器人。

● 行星滚柱丝杠具有高技术壁垒，售价高昂。行星滚柱丝杠加工精度要求高，制作工艺繁琐复杂，可以为客户定制产品，选用高材质的钢材能为行星滚柱丝杠的加工精度提供保证，减小摩擦阻力，因此行星滚柱丝杠售价较为昂贵。

行星滚柱丝杠的主要材料是合金钢和轴承钢

● 行星滚柱丝杠的材料中，主丝杠选用的材料为50CrMo4或42CrMo4合金钢，螺母和滚柱选用的材料为GCr15轴承钢。50CrMo4合金钢具有高强度、高硬度和良好的抗疲劳性能，适用于制造需要承受高载荷的零部件；GCr15轴承钢耐磨性、抗接触疲劳强度高，热加工性好，适用于制造高耐磨性、高弹性极限和高接触疲劳强度的机械零件。

谐波减速器

谐波减速器● 谐波减速器是旋转执行器的核心部件。谐波减速器由波发生器、柔轮、刚轮组成，其工作原理是利用波发生器使柔轮产生可控弹性变形，并与刚轮相啮合来传递运动和动力的齿轮传动。

● 谐波减速器具有单极传动比大、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，使其在机器人小臂、腕部、手部等部位具有较大优势，代表性厂商为日本哈默纳科、国内绿的谐波。

谐波减速器结构拆解

● 谐波减速器的核心技术在于谐波齿形的设计、柔轮的设计和成型工艺、波发生器的加工工艺。这些设计工艺技术难点大，均属于企业的核心机密，而实现柔轮、刚轮、波发生器的优异性能还离不开对材料和材质的高要求，通过选择合适的材料能有效提高各零部件的抗疲劳性能，延长其使用寿命。

● 谐波减速器主要由钢材制成。柔轮材料基本为40Cr合金钢，国外提纯技术较高。刚轮材料国内厂家一般使用工具钢或铸钢，而日本哈默纳科则采用球墨铸铁。波发生器由柔性轴承和凸轮组成，其材质采用工具钢或碳钢。

谐波减速器是人形机器人减速器的优选方案

● 谐波减速器体积小，传动比高，精密度高，适用于负载较轻的精密减速器领域，是人形机器人减速器的优选方案。资料显示，Optimus旋转执行器均采用谐波减速器，应用于肩关节、腕部、腰部、髋部等部位。

● 2025年全球机器人用谐波减速器市场预计达到48.9亿元。近年来，全球机器人产业发展迅速，其产量持续增加；除工业机器人外，人形机器人也逐步进入谐波减速器的下游应用行业。据华经情报网数据，2020年全球机器人用谐波减速器市场规模21亿元，预计2025年市场扩容翻倍，达到48.9亿元。

无框电机：驱动执行器工作的动力来源

● 伺服电机可以控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转对应的角度，从而实现位移，能够很精确的控制电机的转动，实现精确的定位。

● 无框电机属于伺服电机的一种，是驱动人形机器人执行器工作的动力来源。无框电机消除了传统电机的铁芯，结构紧凑小巧，可实现更高的功率密度，具有低能耗和低摩擦的特点。

无框电机仅由定子和转子组成

● 无框电机仅由一组定子和转子组成。转子由带永磁体的旋转钢圆环组件构成，直接安装在机器轴上；定子包含有高磁导率磁芯，外面包裹着能产生电磁力的铜绕组，紧凑地安装在机器外壳的主体内。据观研报告网，在上述材料中永磁材料价值量最高，占整体的35%。

● 根据尼得科为机器人关节设计的无框电机产品参数，其转子重量在0.027kg-0.336kg之间，我们估计中等型号的转子中使用钕铁硼永磁材料的量为0.1kg。

空心杯电机：小巧、灵敏、高效

● 空心杯电机属于直流永磁的伺服电机，是一种微特电机（尺寸不超过40mm）。空心杯电动机体积小、高效、低噪音，具有突出的节能特性、灵敏方便的控制特性和稳定的运行特性，技术先进性十分明显。

● 无刷空心杯电机通过驱动器实现电子换向，相比于有刷空心杯电机，因其转速更高、寿命更长适合应用在人形机器人手部。Optimus每只灵巧手上均有6个空心杯电机驱动的空心杯关节，给予灵巧手11个自由度，从而实现更加灵活、精密的操作。

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