热头条丨华泰证券：人形机器人迭代下供应链的新机遇
①经测算，目前特斯拉机器人关节的总成本为41万元左右；
(相关资料图)
②从高到低价值量占比前四的零部件分别为：力矩传感器、滚柱丝杠、无框电机、谐波减速器；
③2022年全球/中国滚珠丝杠市场约为130/28亿元；
④2022年中国谐波减速器市场规模为27亿元，国产替代趋势明显。
2021年特斯拉在AI Day上首次提出其人形机器人Optimus的渲染图；2022年AI Day上，特斯拉推出原型机，在没有外接线缆的情况下实现了缓慢行走与挥手；2023年5月股东大会上，特斯拉人形机器人已经可以实现流畅的行走与抓取物品，灵活度较原型机大大提高。经过我们的测算，目前特斯拉机器人关节的总成本为41万元左右，从高到低价值量占比前四的零部件分别为：力矩传感器、滚柱丝杠、无框电机、谐波减速器。
核心观点
通用机器人迎来曙光，已具备协作安全性
我们认为人形双足机器人为通用机器人的最优解，因为人类社会的种种事物都按照人类的生理结构进行设计的，为了适应种类多样的任务，达到通用的目的，贴近人类形态的双足机器人其隐形成本最小。2023年5月，特斯拉机器人腿部的末端关节能够在落地的同时不打碎鸡蛋，也能够轻松地抓取物品，证明其末端肢体关节的力矩控制能力有了显著的提高，增强了与人协同时的安全性。通过共用特斯拉汽车上的FSD自动驾驶系统，特斯拉机器人已经可以利用视觉自主识别、记忆周围环境，构建地图。工程师也可以通过AI对其进行肢体的模拟训练，大大降低了其开发成本。
力矩传感器/滚柱丝杠/无框电机/谐波减速器为高价值量环节
旋转执行器、线性执行器、灵巧手共同构建擎天柱全身40个关节。旋转执行器由角接触轴承、谐波减速器、交叉滚子轴承、编码器、无框电机、力矩传感器构成。特斯拉线性执行器由深沟球轴承、无框电机、力矩传感器、编码器、反式滚柱和四点接触球轴承构成。灵巧手主要由空心杯电机、螺纹丝杠、行星精密齿轮箱和编码器构成。根据我们的测算，目前特斯拉机器人关节BOM表成本为41万元左右，其中力矩传感器、滚柱丝杠、无框电机、谐波减速器价值量占比较高。
力矩传感器/滚柱丝杠/空心杯电机技术壁垒较高
六维力矩传感器除了要解决对所测力分量敏感的单调性和一致性问题外，还要解决因结构加工、工艺误差引起的维间（轴间）干扰问题和电路实现，技术难度大。对于滚柱丝杠来说，企业为了实现高速或精密的加工，除在机床设备的结构刚性进行加强设计外，必须同时具备高速主轴系统和高速进给系统，才能达到材料切削过程的高速化，这对于企业的制造能力和设计能力都有较高的要求。空心杯电机核心技术难点在于大批量生产和精密齿轮箱减速器。国内众多厂商采用手工绕线的方式生产，在生产效率、产品寿命、精度方面存在劣势。
风险提示：特斯拉机器人方案变更；成本测算具有一定局限性；特斯拉机器人产业化不及预期。
正文
产业链相关公司与BOM表成本一览
特斯拉机器人快速迭代，通用机器人迎来曙光
通用机器人迎来曙光，已具备协作安全性
快速迭代下特斯拉机器人已能实现行走/抓取等动作，通用机器人迎来曙光。2021年特斯拉在AI Day上首次提出其人形机器人Optimus的渲染图；2022年AI Day上，特斯拉推出原型机，在没有外接线缆的情况下实现了缓慢行走与挥手；2023年5月股东大会上，特斯拉人形机器人已经可以实现流畅的行走与抓取物品，灵活度较原型机大大提高。我们认为人形双足机器人为通用机器人的最优解，因为人类社会的种种事物都按照人类的生理结构进行设计的，为了适应种类多样的任务，达到通用的目的，贴近人类形态的双足机器人其隐形成本最小。
特斯拉机器人力矩控制能力提高，增强协作安全性。2023年5月，特斯拉机器人腿部的末端关节能够在落地的同时不打碎鸡蛋，也能够轻松地抓取物品，证明其末端肢体关节的力矩控制能力有了显著的提高，增强了与人协同时的安全性。
共用汽车FSD系统，特斯拉机器人已能够识别、记忆周围环境。通过共用特斯拉汽车上的FSD自动驾驶系统，特斯拉机器人已经可以利用视觉自主识别、记忆周围环境，构建地图。工程师也可以通过AI对其进行肢体的模拟训练，大大降低了其开发成本。
旋转执行器、线性执行器、灵巧手共同构建全身40个关节
擎天柱躯干包含28个关节执行器，主要分为旋转与线性两大类。考虑到成本等问题，特斯拉设计了旋转和线性2大类执行器，每类包含3种执行器。擎天柱整体躯干共有28个关节执行器，其中线性执行器14个，旋转执行器14个。具体应用部位分别为肩部6个旋转执行器、肘部2个线性执行器和2个旋转执行器、腕部4个线性执行器、腰部2个旋转执行器、髋部4个旋转执行器、腿部8个线性执行器。
力矩传感器、谐波减速器、无框电机和编码器为旋转执行器重要零部件。特斯拉旋转执行器由角接触轴承、谐波减速器、交叉滚子轴承、编码器、无框电机、力矩传感器构成，其中编码器、无框电机、减速器和力矩传感器价值量高于其他零部件。
反式滚柱为特斯拉线性执行器中高价值量零部件。特斯拉人形机器人线性执行器由深沟球轴承、无框电机、力矩传感器、位置传感器（编码器）、反式滚柱和四点接触球轴承构成。
灵巧手采用6电机驱动，空心杯电机为核心部件。擎天柱灵巧手采取了较为经典的六电机布局，其中拇指采用双电机驱动弯曲和侧摆，其它4指各用1个电机带动，可实现11个自由度。灵巧手主要由空心杯电机、螺纹丝杠、行星精密齿轮箱和编码器构成，其中空心杯电机为核心部件。算上双手的12个执行器后，特斯拉机器人的全身执行器数量为40个。
力矩传感器：为机器人提供触觉，高性能产品价格昂贵
力矩传感器为机器人提供触觉，2022年全球市场空间为84亿美元。皮肤使得动物具有触觉，力矩传感器使得机器人具有触觉。力矩传感器是一种电子装置，用于监测、检测、记录施加在其上的线性力和旋转力，常用于打磨、抛光碰撞检测等领域。根据Market Insight，2022年全球力矩传感器市场空间为84亿美元，约600亿元。按照测量维度上分，力矩传感器可分为一维至六维传感器，其中六维传感器可测量X、Y、Z三轴力和力矩。
高性能进口力传感器价格昂贵，技术难度大。2022年，在接受高工机器人采访时，坤维科技创始人熊琳表示：“一台高性能的进口力传感器的价格顶得上国内一台协作机器人的价格，导致国内机器人行业用不起，加之标校能力和生产方式等多方面的约束，国内多数六维力传感器厂商无法满足产能需求，阻碍了第三代工业机器人的发展。”其技术难点主要在于，六维力传感器除了要解决对所测力分量敏感的单调性和一致性问题外，还要解决因结构加工和工艺误差引起的维间（轴间）干扰问题、动静态标定问题以及矢量运算中的解耦算法和电路实现。高性能六维传感器价格从几千到上万不等，价值量较高。
编码器：运动反馈核心部件，国内产品核心指标达到国际水平
编码器为运动参数反馈核心部件。伺服系统由伺服驱动器发出信号给伺服电机驱动其转动，同时编码器将伺服电机的运动参数反馈给伺服驱动器，伺服驱动器再对信号进行汇总、分析、修正。编码器按照其原理可分为光电编码器与磁电编码器，其中光电编码器使用较多。根据我们前期发布的报告《运动控制，机器人供应链关键环节》（2022年8月15日），编码器占电机成本的30%左右，结合伺服电机的市场规模，我们预计2022年全球编码器市场空间为115亿元，中国市场空间为54亿元。
高端编码器以欧美日企业为主，国内头部企业部分核心指标已达到国际水平。编码器分辨率决定了伺服电机旋转的角位移分辨率，技术难点就在于码盘的加工生产。码盘的刻度线越多，控制精度就越高，码盘体积越大。高端的编码器以海德汉、西克、欧姆龙等欧美日企业为主，根据我们前期发布的《运动控制，机器人供应链关键环节》（2022年8月15日），目前部分国内头部企业核心技术指标已达到国际水平，但稳定性和耐用性方面仍和国际领先水平仍有一定差距。
滚柱丝杠：性能强于滚珠丝杠，日欧占据70%市场
行星滚柱丝杠是将旋转运动转换为线性运动的机械装置，与滚珠丝杠的区别在于其载荷传递元件为螺纹滚柱。常见的行星滚柱丝杠在主螺纹丝杠的周围，行星布置了6-12个螺纹滚柱丝杠，这样将电机的旋转运动转换为丝杠的直线运动。它能够在极其艰苦的环境下承受重载上千个小时，这样就使得行星滚柱丝杠成为要求连续工作应用场合的理想选择。反式滚柱中，滚柱不沿丝杠进行轴向运动，其行程运动是在螺母的内螺纹。滚柱丝杠和滚珠丝杠的主要区别在于载荷传递元件，一个为螺纹滚柱，一个为滚珠。
滚柱丝杠性能强于滚珠丝杠，反式滚柱尺寸更小。行星滚柱丝杆能承受的静载为滚珠丝杠的3倍，寿命为滚珠丝杆的15倍；螺纹滚柱替代滚珠将使负载通过众多接触点迅速释放，从而有更高的抗冲击能力；行星滚柱丝杠能够提供更高的旋转速度和更高的加速度；行星滚柱丝杠的导程可以比滚珠丝杠制造的更小，而滚珠丝杠的导程受到滚珠的直径限制；众多接触点将大幅度提高刚度和抗冲击能力。反式滚柱较传统的行星滚柱丝杠尺寸更小，未来滚柱丝杠有望凭借其优异性能持续替代滚珠丝杠。
2022年全球/中国滚珠丝杠市场约为130/28亿元，日本和欧洲占据70%市场份额。根据华经产业研究院预测，2022年全球滚珠丝杠市场空间约为130亿元，中国滚珠丝杠市场空间约为28亿元。为了实现高速或精密的加工，除在机床设备的结构刚性进行加强设计外，必须同时具备高速主轴系统和高速进给系统，才能达到材料切削过程的高速化，这对于企业的制造能力和设计能力都有较高的要求。从市场竞争格局看，2021年全球主要的滚珠丝杆厂商有NSK、THK、SKF等，CR5市占率达到约46%，其中主要来自欧洲和日本，日本和欧洲滚珠丝杆企业占据了全球约70%的市场份额。国内做滚柱和滚珠丝杠的企业较少。
无框电机：体积小效率高，国内无框电机已达到国际水平
无框电机因其效率高、体积小、单位体积扭矩高适合用在旋转关节中，单个价值量在千元左右。无框电机多采用大尺寸中空直径和低重量高功率密度的设计，只有转子和定子两个部件，企业可以由此设计出自重轻，中空走线的关节。转子通常是内部部件，由带永磁体的旋转钢圆环组件构成，直接安装在机器轴上。定子是外部部件，齿轮外部环绕钢片和铜绕组，以产生紧密攀附在机器壳体内的电磁力。根据前瞻产业研究院测算，无框电机在1.5万元的单个协作机器人关节中成本占比约为7%，价值量约为千元。
国内企业无框电机已达到国际水平。无框力矩电机相较于标准伺服电机技术难度更高，因为无框力矩电机属于低压电机，但其要求输出的功率较大，同时又要求体积较小，便于安装和节约空间。无框力矩电机主要应用在协作机器人领域，对整体安装、固定的工艺及设计具有较高的要求。国外参与企业主要是科尔摩根、Moog、Maxon Motor等。
谐波减速器：高传动比/轻重量/小体积，国产替代趋势明显
谐波减速器可以通过降低转速而提高扭矩，因高传动比/轻重量/小体积更适合用在机器人关节中。谐波减速器构造主要包括刚轮（带有内齿圈的刚性齿轮）、柔轮（带有外齿圈的柔性齿轮）、以及波发生器，通常采用波发生器主动-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，此时长轴处柔轮齿轮插入刚轮的轮齿槽内，为完全啮合状态；而短轴处则为脱开状态，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。谐波减速器可以通过降低转速而提高扭矩，以传递较大的负荷，克服伺服电机功率有限导致输出的扭矩较小的缺陷。相较于行星减速器和RV减速器，其传动比高、重量轻、体积小，更适合用在关节中。
2022年中国谐波减速器市场规模为27亿元，国产替代趋势明显。参照我们发布的报告《运动控制，机器人供应链关键环节》（2022年8月15日）中的测算方式，按照单台工业机器人使用3台谐波减速器，每台谐波减速器为3000元，结合GGII披露的2022年中国工业机器人销量30.3万台，我们测算出2022年中国谐波减速器市场规模为27.3亿元。2021年绿的谐波市场占有率为26%，较2018年的20%显著提升，国产替代趋势明显。
国产谐波减速器核心参数已达到国际水平，精度、寿命与外资仍有一定差距。在效率、减速比、传动精度、扭矩刚度等关键指标参数上，国产谐波减速器已经基本达到了国际领先的水平，但是在使用寿命、故障率等方面仍有差距。一部分国产减速器长时间使用后仍有出现磨损、漏油、精度下降的情况，在产品稳定性和使用寿命上仍需提升。减速器对技术积累要求非常高，细小的工艺差距会影响减速器的精度、损耗速度和寿命。打破海外技术壁垒的关键为设备和制造工艺：1）除了绿的谐波等企业通过工艺、材料的改进解决设备卡脖子问题外，加速提高国产精密设备制造水平仍为关键。2）减速器属于薄壁零件，如果热处理技术不过关，会导致零件变形较大。
空心杯电机：灵巧手核心部件，大批量生产为难点
空心杯电机因其小体积，适合用于轻负载的灵巧手部位。空心杯电动机在结构上突破了传统电机的转子结构形式，采用的是无铁芯转子，也叫空心杯型转子。这种新颖的转子结构彻底消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗。同时其重量、体积和转动惯量大幅降低，从而减少了转子自身的机械能损耗。由于转子的结构变化而使电机的运转特性得到了较大改善，不但具有突出的节能特点，更为重要的是具备了铁芯电机所无法达到的控制和拖动特性。
空心杯电机应用领域广泛，大批量生产为难点。空心杯电机用途广泛，包括工业控制、军工、机器人、高端机床等。根据江苏雷利2023年3月1日披露的投资者调研纪要，德国Faulhaber和瑞士Maxon销售的空心杯电机+齿轮箱+编码器集成件年销售额约32亿欧元，产品主要面向军工和工业市场。空心杯电机核心技术难点在于大批量生产和精密齿轮箱减速器。国内众多厂商采用手工绕线的方式生产，在生产效率、产品寿命、精度方面存在劣势。
风险提示
特斯拉机器人方案变更：目前特斯拉机器人最终零部件方案仍在迭代中，未来存在变化可能性，从而导致潜在供应链公司发生变化。
成本测算具有一定局限性：我们通过公开数据测算出的特斯拉机器人BOM表成本并不一定能代表其真实成本。
特斯拉机器人产业化不及预期：目前我们测算出特斯拉机器人成本较为昂贵，若未来其产业化降本速度不及预期，可能会影响供应链构成速度。
（文章来源：财联社）
