当前位置： 直线机 >> 直线机发展 >> 人形机器人深度具身智能浪潮将至,重视国内
（报告出品方：方正证券）
人形机器人开启新纪元年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TeslaBot。
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。年9月0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。
年5月16日，特斯拉在股东大会上发布了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亿台。1.1Optimus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，包含个系列的直线/线性执行器，和个系列旋转执行器。
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。
）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0%，手部占到14%，其他部分占比16%。
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。
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TeslaAIDay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。
人形机器人核心硬件拆解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。
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5%。
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。
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TeslaBot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TeslaBot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。
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。
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（G?ppingen）的HydrostatikSch?nfeld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。
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。
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，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，年我国滚珠丝杆市场规模为25亿元，预计年市场规模达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，年中国滚珠丝杆（滚珠丝杆副）产量达到98万套，需求量为万套。
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0.万美元，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0%，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0%，即为总价值量的9%，为0.18万美元，约1.万元人民币。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。
（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）
精选报告来源公众：幻影视界。
