人形機器人行業專題研究1、人形機器人：蓬勃發展，空間廣闊1.1、發展歷程：從樸素想象到產業化加速落地人形機器人產業已步入發展快車道。人形機器人指具有人的形態和功能的機器人，具有擬人的肢體、運動與作業技能，以及感知、學習和認知能力。最早的人形機器人概念來自于15世紀達·芬奇的設想。20世紀后半葉，科學界與產業界開始了對人形機器人正式的深入探索，以WABOT-1的問世為標志，人形機器人進入了全尺寸初級行走階段；此后ASIMO的推出，標志著已經可以制造系統高度集成的人形機器人。進入21世紀之后，以波士頓動力為代表的公司持續推出運動能力更強的機器人版本，2022年10月，特斯拉展示了Optimus機器人工程機，代表著人形機器人進入加速產業化階段。1.2、產品特點：方向一致，各有新意各家機構對于人形機器人的研究方式是一致的：致力于對其感知、決策和執行能力的提升。在2020年以前，各家機構在人形機器人上的研究重點主要在“執行能力”和“感知能力”，努力通過硬件設計的創新和優化使得人形機器人具有更強的運動能力，包括感知障礙、靈活行走、搬運重物等能力，這其中的翹楚是波士頓動力推出的Atlas。近年來，隨著人工智能技術的加速發展，人形機器人在“決策能力”上同樣取得了快速的進步，人形機器人的智能化發展迅速。1.3、空間展望：場景多樣，星辰大海人形機器人潛在的應用領域多種多樣。“類人”意味著其符合人類交互習慣，也能快速適應現存的人類社會基礎設施，這也意味著人形機器人可以應用于人類生活的方方面面。在經濟發展領域，制造業、建筑業、能源業均有大量的可由人形機器人代為工作的崗位，如裝配、安裝、焊接、巡檢等；在社會民生領域，人形機器人的應用場景同樣廣闊，在商業社區、醫療健康、養老服務等方面，都有廣闊的發揮空間。機器人整個大行業的市場規模在持續增長。根據中國電子學會組織編寫的《中國機器人產業發展報告（2022年）》：預計到2024年全球機器人市場規模將有望突破650億美元，同比增長12%；其中2024年工業機器人市場達230億美元，同比增長10%；服務機器人市場達290億美元，同比增長16%；特種機器人市場達140億美元，同比增長16.7%。國內機器人行業的市場規模增速快于全球。預計到2024年中國機器人市場規模將有望突破251億美元，同比增長19.5%；其中2024年工業機器人市場達115億美元，同比增長16.2%；服務機器人市場達102億美元，同比增長23%；特種機器人市場達34億美元，同比增長21.7%。預計人形機器人的增速將大幅快于機器人行業的整體增速。根據StratisticsMRC的數據，2021年全球人形機器人的市場規模為15億美元，預計到2028年將達到264億美元，2021-2028年的CAGR達50.5%；其中，分領域來看，StratisticsMRC預計教育和娛樂領域的人形機器人復合增速最快，醫療保健領域占據最大的市場份額；分地區來看，StratisticsMRC預計亞太地區的復合增速最快，北美地區的份額最高。就下游應用場景來看，人形機器人兼具工業品和消費品的屬性，放量的核心在于價格和性能。如果把人形機器人看做消費品，前期影響其銷售的核心因素是性能，性能當中最核心的為“智能化”水平。也就是說，隨著人形機器人智能化水平的持續提升，會有不斷的增量消費者選擇體驗，此時發展路徑類似于特斯拉汽車從Roadster到ModelS的階段；中后期影響其銷售的核心因素是成本，此時逐漸變為大眾消費品，類似于特斯拉Model3的階段。如果把人形機器人看做工業品，其通用化的屬性，與專用化降本的趨勢是有所沖突的。所以只有在某些特定領域上，人形機器人的性價比高于人工且高于工業機器人的時候，其才會有比較好的放量。但是從產業鏈上來看，人形機器人和工業機器人在很多零部件上是相通的，人形機器人的發展和工業機器人的發展是互相帶動、互相促進的。由人力資源短缺、人口老齡化等帶來的工業專用機器人的需求，同樣會促進整個機器人產業鏈的技術進步和降本，進而利好人形機器人的發展。1.4、行業復盤：特斯拉引領，下一步關注量產節奏復盤人形機器人板塊的走勢，明顯可以看出催化的核心主線是技術進步：2022年底人工智能技術大幅進步，使得市場意識到“智能化”的人形機器人或許很快可以真正落地，人形機器人行業迎來一波大的行情。2023年5月，特斯拉宣布打通了FSD和人形機器人的底層模塊；2023年12月，特斯拉發布了第二代Optimus產品，身體平衡與操控能力大幅提升：算法層面、硬件層面的大進步，也都帶動了人形機器人板塊的上漲。下一階段將步入雙主線階段：技術進步和量產節奏。一方面，技術進步仍然會持續地給人形機器人帶來催化。另一方面，2023年，各家企業陸陸續續地發布原型機，特斯拉的第二代Optimus產品表現出來的性能已經非常吸引目標人群。下一步市場關注的重點就是從原型機到量產的節奏。2、產業鏈總覽：橫跨軟硬件，包羅機械電氣人形機器人是硬件和軟件的高度結合體，是機械、電氣、人工智能等多領域交叉打造的明珠。人形機器人包括感知、決策、執行三大系統，由視覺傳感器、觸覺傳感器，芯片、算法，動力單元、旋轉關節、線性關節、手部關節等共同組成。當人形機器人銷量達到百萬臺級別時，機器人總成市場空間將超過千億元。（注：全文中如無特殊注明，貨幣單位均為人民幣）。我們以特斯拉Optimus的零部件構成進行測算，當人形機器人銷量達到百萬臺級別時，機器人總成的市場空間將超過千億元。線性關節總成、旋轉關節總成的市場空間會超過500億元。無框力矩電機、力矩傳感器、行星滾柱絲杠、諧波減速器等的市場空間將超過百億。整個機器人產業鏈都將迎來巨大的發展空間。3、核心零部件充分受益，國產替代波瀾壯闊3.1、電機：核心的驅動機構電機是人形機器人中動力的產生機構，可以類比做人的肌肉。機器人的驅動方式可以分為電動驅動、液壓驅動、氣動驅動，其中，電動驅動由于效率高、精確度高、成本低等優勢，得以廣泛應用。人形機器人中使用最多的為空心杯電機和力矩電機。電機按照控制方式分類，可以分為伺服電機、步進電機。電機按照驅動方式分類，可以分為直流電機和交流電機。直流電機中，按照線圈類型分類，可以分為有鐵芯的電機和空心杯電機；按照換向方式分類，可以分為有刷電機和無刷電機。特斯拉Optimus機器人中，包含了28個無框力矩電機和12個空心杯電機，電機占整體價值量的比例高達28%。3.1.1、空心杯電機：高度適配靈巧手空心杯電機是一種微型伺服電動機，與靈巧手關節高度適配。它可以利用永磁鐵產生磁場，從而實現直流供電。與傳統電機的不同之處在于，空心杯電機采用的是無鐵芯轉子。無鐵芯轉子的結構使得空心杯電機具有以下優點：（1）重量大幅降低，從而降低了電機的轉動慣量；（2）消除了由于鐵芯形成渦流造成的電能損耗；（3）降低了轉子自身的機械能損耗。空心杯電機當前全球市場規模在50億元人民幣左右。根據GII數據，2022年全球空心杯電機市場規模為7.48億美元，預計2028年達11.86億美元，2022-2028年的CAGR為7.98%。其中，根據GII數據，2021年有刷空心杯電機占比為67%，無刷空心杯電機占比為33%。外國企業占據大部分份額，國產替代空間廣闊。根據QYResearch數據，按照市場規模計，2022年全球空心杯電機CR5為67%，前五名企業包括Faulhaber、Portescap、AlliedMotionTechnologies、MaxonMotor及NidecCopalCorporation。空心杯電機的壁壘主要體現在專利、繞線機、以及正向設計能力上。空心杯生產上的難點在于線圈沒有鐵芯支撐，繞線工藝比較復雜：（1）MaxonMotor、FAULHABERGroup等龍頭企業由于先發優勢，申請了一系列的專利，構筑了一定的專利壁壘；（2）空心杯電機對繞線機的性能、效率要求很高。此外，頭部企業擁有很強的正向設計能力，可以根據客戶的需求，設計出性能滿足客戶要求的、可靠穩定的產品。3.1.2、無框力矩電機：高度適配機器人關節無框力矩電機，是一種以輸出扭矩為衡量指標的無框架式永磁電機。無框力矩電機的原理與傳統的永磁電機相同，不同點主要在于結構上：無框力矩電機沒有機殼，只有轉子和定子2個部件。無框力矩電機非常適配于機器人關節。無框力矩電機的結構設計擺脫了傳統的機殼約束，利用機器的自身軸承支撐轉子，將電機無縫內置于機器設計中。無框力矩電機體積小、扭矩高、穩定性高的特點與機器人關節的要求非常適配。力矩電機、無框電機當前的全球市場規模均在50億元人民幣左右。根據technavio的數據，2022年，全球力矩電機銷售規模為6.1億美元，預計2027年全球力矩電機銷售規模達9億美元，2022-2027年CAGR為8%。根據QYResearch的數據，2022年，全球無框電機銷售規模為6.7億美元，預計2029年全球無框電機銷售規模達11.7億美元，2022-2029年CAGR為9%。從競爭格局來看，海外企業仍處于領先地位。從事無框力矩電機行業的主要制造商包括威騰斯坦（德國）、科爾摩根（美國）、尼得科（日本）、派克漢尼汾（美國）等企業。國內企業中，步科股份、昊志機電等也推出了相關產品。3.1.3、相關標的鳴志電器，空心杯電機國內領先企業。公司專注于運動控制領域核心技術及系統級解決方案的研發和經營，通過合資設立安浦鳴志自動化，收購美國AMP及瑞士TMotion兩家國際知名的、專業的電機驅動控制產品及運動控制核心技術開發的企業，整合并形成了全球領先的電機驅動控制產品研發、制造平臺，公司的步進電機、直流無刷電機、空心杯電機、電機+絲杠模組、電機+減速機模組等產品被國內外客戶廣泛使用。偉創電氣，積極拓展機器人電機業務。公司于2022年成立機器人行業部，切入機器人產業鏈，目前主要是以機器人大配套為主，主要面向移動類、協作類、服務類的機器人領域，提供低壓伺服、空心杯電機、特種無框力矩電機等核心部件。2023年，公司發布空心杯電機產品ECH13系列、無框電機FO1系列。3.2、減速器：核心的動力傳達機構減速器是人形機器人中核心的動力傳達機構，可以類比做人的關節。減速器在原動機和執行機構之間起到匹配轉速和傳遞轉矩的作用，主要有精密行星減速器、諧波減速器、RV減速器等類別。特斯拉Optimus機器人中，包含了14個諧波減速器和12個行星減速器，電機占整體價值量的比例高達17%。3.2.1、諧波減速器：體積小、精度高諧波減速器具有體積小、精度高的優勢。諧波減速器是一種靠波發生器使柔輪產生可控的彈性變形波，通過其與剛輪的相互作用，實現運動和動力傳遞的傳動裝置，其構造主要由帶有內齒圈的剛性齒輪（剛輪）、帶有外齒圈的柔性齒輪（柔輪）、波發生器三個基本構件組成。諧波傳動技術突破了機械傳動采用剛性構件的模式，使用了一個柔性構件來實現機械傳動，具有傳動精度高、體積小的優點，非常適合應用于人形機器人的線性關節等部位。諧波減速器當前的中國市場規模在25億元。根據頭豹研究院預測，2022年，中國市場諧波減速器銷售規模為25億元，受益于機器人、精密加工設備、航天航空、雷達設備、醫療設備等領域的快速發展，預計2025年市場空間將達到41億元。哈默納科一家獨大，國內企業奮力追趕。根據華經產業研究院數據，2021年，哈默納科占據了全球諧波減速器82%的市場。但是在中國市場，哈默納科的市占率僅為35%，大幅低于其全球市占率，綠的諧波市占率為25%，來福諧波市占率為8%。國內企業的產品在性能、壽命等指標上已經基本達到與哈默納科相同的水平，但是哈默納科在諧波減速器行業中深耕多年，與頭部機器人企業建立了良好穩固的合作關系，所以當前的國內企業更多的在國內市場上開啟對哈默納科的替代。3.2.2、行星減速器：效率高、成本低行星減速器是傳動效率最高的齒輪傳動結構。行星齒輪傳動機構主要由行星齒輪、行星架和太陽輪構成的行星齒輪傳動機構。精密行星減速器工作時，通常是伺服電機等原動機驅動太陽輪旋轉，太陽輪與行星輪的嚙合驅動行星輪產生自轉；同時，由于行星輪另外一側與減速器殼體內壁上的環形內齒圈嚙合，最終行星輪在自轉驅動下將沿著與太陽輪旋轉相同方向在環形內齒圈上滾動，形成圍繞太陽輪旋轉的“公轉”運動。太陽輪和齒圈存在齒數差，從而達到減速目的。行星減速器當前的全球市場規模在90億元人民幣左右。根據QYResearch的數據，2022年，全球市場行星減速器銷售規模為12億美元，中國市場行星減速器銷售規模為5億美元，預計2029年全球行星減速器銷售規模達22.31億美元，2022-2029年CAGR為9%；中國市場規模達11.49億美元，2022-2029年CAGR為13%。競爭格局相對分散，海外企業占據領先地位。在全球范圍內，德國、日本等國家的精密行星減速器產品在材料、設計水平、質量控制、精度、可靠性和使用壽命等方面處于行業領先地位。國產品牌陣營以科峰智能、紐氏達特、中大力德為主要代表，國外精密行星減速器主要廠家為日本新寶、紐卡特、威騰斯坦等。根據QYResearch統計的銷售金額數據，2022年全球CR5為47%，日本新寶、紐卡特、威騰斯坦占據前三位。3.2.3、相關標的綠的諧波：國內諧波減速器龍頭。公司是國內少數可以自主研發并實現規模化生產的諧波減速器的廠商，產品廣泛應用于工業機器人、服務機器人、數控機床、醫療器械、半導體生產設備、新能源裝備等高端制造領域。公司通過自主創新、自主研發，發展完善了新一代諧波嚙合“P齒形”設計理論體系、新一代三次諧波技術；公司已通過ISO9001及ISO14001國際質量體系認證，并且為我國多項精密減速器領域國家標準主要起草單位。科峰智能（未上市）：國內精密行星減速器龍頭。公司依托于高精密齒輪加工模塊化產品設計與制造、熱處理等領域的技術積累，形成了精密行星減速器、工程機械用行星減速器、諧波減速器、精密零部件及其他的四大系列化產品。根據QYResearch數據，以銷售金額口徑計，公司2022年在中國精密行星減速器市場中市占率為12%，僅次于日本新寶。3.3、傳感器：核心的感知部件傳感器是人形機器人中核心的感知部件，可以類比做人的感覺器官。傳感器是能夠感應各種非電量（如物理量、化學量、生物量），且按照一定的規律轉換成便于傳輸和處理的另一種物理量（一般為電量）的測量裝置或器件。傳感器通常由敏感元件和轉換元件組成，其中敏感元件是指傳感器中直接感應被測量的部分，轉換元件是指傳感器能將敏感元件的輸出轉換為適于傳輸和處理的電信號部分。人形機器人中應用最多的為力矩傳感器。根據傳感器的作用，一般將傳感器分為內部傳感器和外部傳感器。內部傳感器（體內傳感器）主要測量機器人內部系統狀態；外部傳感器（檢測外部環境傳感器）安裝在機械手或移動機器人上，主要測量機器人外界周圍環境。按照檢測方法分類，可以將傳感器分為光學、機械、超聲波、電阻、半導體、電容、氣壓等的傳感器。特斯拉Optimus機器人中，包含了40個力矩傳感器和3個視覺傳感器，傳感器占整體價值量的比例高達19%。3.3.1、力/力矩傳感器：精細感知的重要依靠力/力矩傳感器是一種能感知力、力矩并轉換成可用輸出信號的傳感器。主要包括本體單元和應變/形變檢測系統兩部分。力/力矩傳感器的核心原理是將力作用下的形變轉換成電信號。當有力/力矩作用時，力/力矩施加于傳感器本體單元上，并引起本體單元的應變或形變，檢測系統可感知本體的應變或形變，通過電路將其轉化為相應電壓，通過測量電壓值來表征力/力矩大小，并轉換成可用輸出信號，實現力/力矩的測量。按照測量原理，力/力矩傳感器可以分為光電式、應變式、電容式、壓電式等多種類型。這其中，應變式力/力矩傳感器是當前技術最為成熟、應用最廣泛的傳感器類型，具有結構簡單、制作容易、價格低廉等優點。按照測量維度，力/力矩傳感器可以分為一至六維力/力矩傳感器。一般傳感器能測幾個維度，就是幾維傳感器。一維、三維和六維力/力矩傳感器最常見。對于六維力/力矩傳感器而言，空間中任意方向的力F，其作用點P不與傳感器標定參考點重合且隨機變化，這種情況下就需要選用六維力/力矩傳感器來完成測量任務，同時測量Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz六個分量。六維力/力矩傳感器的內部算法，會解耦各方向力和力矩間的干擾，使力的測量更為精準。這類傳感器更適用于參考點的距離較遠，且隨機變化情景，測量精度要求較高。力矩傳感器當前的全球市場規模超過500億元。根據ResearchandMarkets的數據，2022年，全球市場力矩傳感器銷售規模為75億美元，預計2023年全球市場力矩傳感器銷售規模為80.6億美元，2030年將達到134億美元，2023-2030年的CAGR為7.5%。六維力/力矩傳感器步入加速增長期。根據GGII數據，2022年中國市場六維力/力矩傳感器銷量8360套，同比增長58%，其中機器人行業銷量4840套，同比增長63%。GGII預計，到2027年中國市場六維力/力矩傳感器銷量有望突破8.4萬套，2022-2027年的CAGR超過60%，其中機器人行業銷量有望突破4.2萬套。根據GGII數據，2022年中國六維力/力矩傳感器市場規模2.39億元，同比增長52%，其中機器人行業六維力/力矩傳感器市場規模1.56億元，同比增長54%。GGII預計，2027年中國六維力/力矩傳感器市場規模將超過15億元，2022-2027年的CAGR超過45%。國外企業具有先發優勢，中國公司加速追趕。受益于機器人市場需求催化，中國六維力/力矩傳感器市場近年來入局者逐年增加，坤維科技、鑫精誠、宇立儀器、藍點觸控等國內企業先后進入該領域，并在機器人、汽車、3C等應用領域上占據了一席之地。ATI、SCHUNK等海外企業作為全球龍頭，積累多年，仍舊有明顯的領先優勢。3.3.2、視覺傳感器：進一步加強感知能力機器視覺可以進一步強化人形機器人的感知能力。目前2D視覺正在向3D視覺進行延伸。隨著智能制造的不斷深入，面對復雜的物件辨識和尺寸量度任務，以及人機互動所需要的復雜互動，2D視覺在精度和距離測量方面均出現部分技術局限，市場對3D視覺的需求開始與日俱增。在人形機器人應用領域，3D視覺傳感器可以幫助機器人高效完成人臉識別、距離感知、避障、導航等功能，使其更加智能化。機器視覺當前的全球市場規模在800億元左右。GGII數據顯示，2021年全球機器視覺市場規模約為804億元，同比增長12%，GGII預計至2025年該市場規模將超過1200億元。2022-2025年CAGR約為12%。GGII數據顯示，2021年中國機器視覺市場規模138億元（該數據未包含自動化集成設備規模），同比增長47%。其中，2D視覺市場規模約為127億元，3D視覺市場約為12億元。根據GGII預測，到2025年我國機器視覺市場規模將達到469億元，其中2D視覺市場規模將超過360億元，3D視覺市場規模將超過100億元。從國內機器視覺整體市場來看，內外資品牌的競爭已開始呈現分庭抗禮的局面。甚至在某些產業鏈環節，國產的份額已絕對領先于外資。如鏡頭、光源領域，國產代表廠商OPT、東莞RESS、長步道等；相機領域，國產代表廠商海康機器人、華睿科技、大恒圖像等。從內外資品牌份額來看，根據GGII數據顯示，2021年國產品牌機器視覺市場份額占比58%，進口替代進程開始提速。3.3.3、相關標的柯力傳感：應變式傳感器龍頭，積極拓展機器人傳感器業務。公司在目前已有的微型、扭矩、多維力等高端力學傳感器品類基礎上，加快自主研發，積極尋求與各大機器人廠商的商務合作。根據客戶的不同需求，公司已經進行了多款扭矩傳感器、多維力傳感器等產品的送樣和試制。漢威科