人形机器人行业研究：具身智能，迈向广阔蓝海市场
（报告出品方/作者：中泰证券，王可、张晨飞）
人形机器人：从专用到通用，打开机器人市场空间
人形机器人：外形类人，技术集成度更高
根据应用领域，机器人可分为工业、服务和特种机器人。（1）工业机器人：面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人，在工业生产加工过程中通过自动控制来代替人类执行某些单调、频繁和重复的长时间作业；（2）服务机器人：在非结构环境下为人类提供必要服务的多种高技术集成的先进机器人，其应用范围更加广泛，可从事运输、清洗、安保、监护等工作；（3）特种机器人：替代人类从事高危环境和特殊工况的机器人，主要包括军事应用机器人、极限作业机器人和应急救援机器人。
人形机器人指外形类人的机器人，能胜任多种应用场景。人形机器人指具备人类的外形特征和行动能力的智能机器人，可以采用双腿行走的方式，通过手臂和身体的协调完成一些功能，以及通过语音和人类进行交互。从应用看，人形机器人与服务机器人更加类似，但人形机器人通用性更强，能胜任多种场景。
人形机器人打开应用场景，远期空间广阔
机器人市场持续成长。根据中国电子学会数据，2012-2021年全球机器人市场规模由107亿美元增长至429亿美元，CAGR约16.7%，行业持续成长。2021年全球工业、服务、特种机器人市场规模分别为175亿美元、172亿美元、82亿美元，占比分别为40.8%、40.1%、19.1%。2012-2021年，服务机器人占机器人市场规模的比例由12.1%提高至40.1%，表现出更好的成长性。
人形机器人是机器人从专用到通用场景的升级。传统机器人一般为专用场景。传统机器人的应用一般集中于某一领域，例如协作机器人、搬运机器人、手术机器人、送餐机器人、扫地机器人、物流机器人等，一般提前预设指令和规则，机器人运作时时根据场景和预设规则执行相应动作。人形机器人是机器人行业从专用到通用场景的升级。人形机器人基于通用型算法，通过生成式AI，具备语义理解、人机交互、自主决策等能力，可适用于多个场景，因此人形机器人式机器人行业从专用到通用的一次重要升级。在特斯拉、优必选等企业发布的视频里，人形机器人开始出现在工厂，它们能够探索环境，复刻人类工作，自主操控物品等等，让人们看到了人形机器人在家庭陪伴、咨询等领域以外的更多可能性。
产业链:上游核心零部件，终端应用场景多样
上游为核心零部件和软件系统：核心零部件有减速器（减速器占比最大）、伺服电机、控制器、传感器，对比传统机器人还增加了体现算力水平的半导体芯片、用于人机交互的面板玻璃等。软件部分包括机器视觉、人机交互、机器学习、系统控制等。机器人感知、决策、控制、交互能力的升级使得软件系统与配套技术支持在产业链中占比加大。中游为本体制造：国内产商包括优必选、北京钢铁科技等；国外包括波士顿动力、美国敏捷机器人、日本丰田、本田、特斯拉等。终端应用领域：目前还未有成熟的商业应用，可能的应用场景包括迎宾接待、展厅引导、高校科研、医疗协助、娱乐休闲、安防巡检等。
AI助力+商业巨头入局，产业进展加速
发展历程：诞生多年，近年发展加速
人形机器人发展历程：诞生于1973年，持续发展进步，目前特斯拉、波士顿动力、小米、优必选、OpenAI、华为等多家商业巨头布局人形机器人产业。
人形机器人产品梳理。除特斯拉Optimus外，历史上较有名的人形机器人产品包括波动顿动力的Atlas、优必选的walker等。人形机器人产品分为两类。一类是侧重于运动控制的机器人，例如波士顿动力的Atlas，另一类为侧重于人机交互的机器人，例如索菲亚机器人。
行业催化事件密集，产业进展加速。特斯拉、小米、英伟达、华为等巨头纷纷看好或布局人形机器人产业，行业进展加速。
行业为何近年发展加速？
AI发展为人形机器人奠定技术基础。人形机器人需要通用型算法。传统机器人应用于特定领域，专门针对某个应用场景开发算法。人形机器人在应用场景上具备通用性，通用型算法没有限制固定领域，需要对更大的数据集建模，并且需要对语言和指令有更强大的理解力。在实际运转过程中，机器人需要针对人的指令无缝生成相关代码，再利用代码指挥机器人行动。通用大模型发展，人形机器人产业进展加速。ChatGPT引爆新一轮人工智能热潮，其能胜任高情商对话、生成代码、构思剧本和小说等多个场景，将人机对话推向新的高度。ChatGPT代表了人工智能通用大模型的最新进展，显示了大模型的影响力。大模型是指容量较大、用于深度学习任务的模型，通常具有海量的参数和复杂的架构，具有涌现性、扩展性、复合性的特征）大算力、大数据、大网络结构等技术特点，具有更丰富的通用知识、更强的学习与推理能力，可更好地降低人工智能应用成本、缩短研发周期、提升识别准确率。通用型AI发展，人形机器人产业进展有望加速。
人形机器人技术梳理及其难点
人形机器人关键技术模块有三个：运动模块、传感模块和人工智能模块。对于传统机器人，其技术往往侧重于其中一个，例如工业机器人侧重于运动控制技术、扫地/送餐机器人侧重于导航技术。而人形机器人技术的集成度更高，是现有应用的延伸和演变。运动模块（肌肉骨骼）：电机、伺服、减速器等动力和传动装置使机器人具备运动能力，其作用类似于人类的肌肉和骨骼；传感模块（神经/知觉）：包括各种传感器（触摸/力反馈/加速度/视觉/语音传感器）、3D/深度摄像头、激光雷达等，传感模块的作用是收集内部和外部数据，供机器人进行任务处理分析，其作用类似于人类的神经系统；人工智能（大脑）：主要为软件，包括导航技术（解决运动路线和避障问题）、智能决策（语意理解并对人类的命令进行回应）等，其作用类似于人类的大脑。
感知模块是机器人感知内外部环境的基础。传感器是机器人具有类人直觉与反应能力的基础，起到内部反馈控制，感知并于外部环境产生交互的作用。根据检测对象，传感器可分为内部传感器和外部传感器，内部传感器用于测量智能机器人自身状态，外部传感器用于测量与机器人作业相关的外部因素。根据检测要素，传感器可分为力觉传感器、拉压力传感器、摄像头、激光雷达等。多传感器融合是发展方向。为了获取完整可靠的信息，通常采用多传感器融合来提高机器人识别的准确度。在机器人系统上配置不同功能的传感器，可构建融合视觉、听觉、触觉等感知能力的综合系统，便于人形机器人在执行工作中精准获取内外部信息。
关注上游核心零部件投资机会
硬件拆解：由四大结构组成，零部件成本占比高
人形机器人零部件价值量占比预计超过50%：机器人核心零部件包括减速器、伺服、控制器等。根据ofweek数据，减速器、伺服、控制器占工业机器人成本的比例分别为35%、20%、15%。人形机器人关节和自由度更多。以特斯拉机器人为例，共有6类关节，搭载28个执行器，并且在灵巧手等部位配备大量传感器。考虑到人形机器人关节和自由度更多，预计零部件占比更高。
旋转执行器：由谐波减速器、交叉滚子轴承、绝对值编码器、无框电机、力矩传感器等组成。Optimus的旋转执行器共14个：两个肩部共6个、肘部2个、腰部2个、髋部4个；线性执行器：由行星滚柱丝杠、无框电机、力矩传感器、绝对值编码器、深沟球轴承等组成。Optimus的线性执行器共14个：肘部2个、腕部4个、腿部8个；灵巧手：主要由空心杯电机、丝杠、行星精密齿轮箱、力矩传感器、绝对值编码器组成。灵巧手共2个，每个灵巧手由6个电机驱动。
谐波减速器：需求大幅增长，国产替代推进
减速器具有匹配转速和增加扭矩的作用。减速器是连接动力源和执行机构的中间机构，机器人通过减速器将转速降到各关节所需速度并增加扭矩，以满足对动力输出的要求。优质的减速器能够提供稳定的传动和高精度的定位，从而保证机器人的运动稳定性和精度。谐波减速器在人形机器人中应用广泛。谐波减速器体积小、精度高、传动比高、传动平稳、可以向密闭空间传递运动等多个优点，但谐波减速器的刚度不高，在负载较大的情况下容易出现跳齿、脱齿现象，一般只能用于中轻型器械中。在工业机器人中谐波减速器主要用于小臂、腕部、手部等轻负载部位，人形机器人的负载较轻，因此谐波减速器的应用更加广泛。
空心杯电机：用于手部关节，国内多个企业布局
定义：空心杯电动机属于直流永磁的伺服、控制电动机，也可以将其归类为微特电机。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。空心杯电机结构和分类：空心杯电机主要由后盖、接线端子、电刷端盖、电刷、换向器、杯形绕组（转子）、转轴、垫圈、滑动轴承、外壳、磁铁（定子）、法兰、定位环组成。定子由永磁体、壳体、法兰组成。外壳提供了恒定的磁场，使电机无铁损耗。空心杯电机包括有刷和无刷两种，有刷空心杯电机转子无铁芯，无刷空心杯电机定子无铁芯。
海外品牌占据高端市场，国内产品性价比优势明显。空心杯电机作为电机的新的发展方向，国外厂商也纷纷加强产品布局，如Maxon（瑞士）、Faulhaber（德国）等著名微电机厂商都已经大量申请空心杯电机相关的专利技术。目前，国内企业不断加速国产替代，主要布局企业有鸣志电器、鼎智科技、伟创电气等。
滚珠丝杠：应用于直线关节，国内企业处于布局早期
下游应用：滚珠丝杠广泛应用于各种工业设备和精密仪器，下游包括机床、机器人、注塑机等。滚珠丝杠分类：滚珠丝杆包括自润式滚珠丝杠、静音式滚珠丝杠、高速化滚珠丝杠以及重负荷型滚珠丝杠等，而从循环方式看，滚珠丝杆包括内循环和外循环两种，其中内循环是指滚珠在循环过程中始终与丝杠保持接触，外循环是指滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触。滚珠丝杠应用于人形机器人直线关节。滚珠丝杠具有摩擦损失小、传动效率高、精度高、高速给进和微进给可能、轴向刚度高、不能自锁、具有传动的可逆性等优点，用于人形机器人的直线关节。
传感器：机器人感知的基础，国产化持续发力
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。传感器种类多样。按照外界输入的信号变换为电信号采用的效应，可将传感器分为物理量传感器、化学量传感器和生物型传感器三大类，按照“工作原理+应用领域”的分类依据具体展开，可分为压力传感器、惯性传感器、磁传感器、光学传感器等。
报告节选：
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精选报告来源：【未来智库】。