人形机器人成长空间广阔未来可期

来源：雷竞技官网官方网站入口    发布时间：2024-02-06 23:33:02

  AI助力“机器人+”时代来临，机器人产业链有望迎来繁荣发展期。随着人工智能技术的发展，尤其是ChatGPT作为AIGC领域顶尖的模型，有望加速AI在各行业渗透，颠覆现有的生产力形式。我们大家都认为，特斯拉有望凭借其在智能汽车领域的制造技术，加快人形机器人产业技术革新以及产业链降本，未来人形机器人在家庭和工业领域的应用前景广阔。

  短期看，疫情过后，各行各业劳动力短缺叠加制造业复苏，工业机器人、服务机器人、特种机器人的需求恢复性增长。我们复盘了工业机器人、叉车、金属切削机床、交流电机等典型通用机械产品的历史周期表现。根据时间跨度，我们判断中国工业机器人行业2023年会开启新一轮上升周期。

  长期看，人口老龄化加剧、劳动力供给不断减少以及劳动力成本的逐步的提升给社会持续健康发展及企业用工等均带来严峻挑战，从而推动机器替代人力及服务人类的需求加速。

  政策上，春节前工信部等17个部门印发了《“机器人+”应用行动实施方案》；主要是提出开拓机器人的10个应用重点领域，到2025年制造业机器人密度比2020年翻一倍，服务机器人、特种机器人的应用场景大幅拓宽。

  我国有望引领“机器人+”时代。1、市场是硬道理。我国是全球最大的机器人消费市场。2、我国已具备成熟的技术。智能手机及智能汽车产业的发展，实质上也为现阶段智能机器人产业爆发奠定了大量技术基础。3、我国拥有全世界最适合机器人产业高质量发展的土壤，例如低成本敏捷供应链、低成本清洁能源供给、工程师红利、广大数据收集场景。

  风险提示：下游需求没有到达预期；新兴行业推广没有到达预期；竞争加剧的风险；原材料价格持续上涨的风险。

  运动控制器+执行器（驱动电机）+传感器构成运动控制管理系统，是数字控制机床、机器人等高端装备的核心基础部件。运动控制器为运动控制管理系统“大脑”，通用运动控制器大致上可以分为PLC、嵌入式、PC-Based三大类：运动控制器主要任务是根据运动控制的要求和传感器件的信号做必要的逻辑、数学运算，为电机或其它动力和执行装置提供正确的控制信号，性能直接决定了运动控制系统的性能水平。

  人形机器人在工业机器人基础上进一步强调“类人”属性，步态控制、手臂控制、轨迹规划要求均更高，难度预计将明显提升，有望带来市场需求增量。

  运动控制22年全球市场空间155亿美元，19年国内市场空间425亿元人民币，中高端运动控制市场以海外品牌为主，国内企业在各自领域已实现一定突破：根据MARKETS AND MARKETS数据，22年全球运动控制市场空间155亿美元，预计到27年达到200亿美元，CAGR5.2%。根据固高科技招股说明书数据，19年国内运动控制管理系统市场规模425亿元人民币，其中运动控制器、伺服系统市场规模分别为85/340亿元人民币。目前高性能运动控制及伺服系统市场参与者主要为海外厂商如欧姆龙、倍福、ACS、Aerotech等，国内企业分别在运动控制器、伺服驱动器等领域也实现了一定突破，根据雷赛智能招股说明书数据，通用运动控制器中的PC-Based控制卡市场，固高科技、雷赛智能、成都乐创、众为兴为代表的国内品牌占据了70%以上的市场占有率；根据睿工业数据，21年汇川技术、禾川科技伺服市场占有率分别达到了16.3%/2.8%实现突破，但仍有较大国产替代空间。

  机器人想要实现与外界交互的柔顺控制，需要引入力控。根据南京机器人的柔顺控制可大致分为主动柔顺控制、被动柔顺控制，其中主动柔顺控制又可大致分为间接力控、直接力控、混合位置/力控。依照我们复盘历史上各类机器人的柔顺力控方式来看，主动柔顺控制具有力控精度高、与外界交互效果好等多个优势，更有望成为未来人形机器人的可行力控方案。

  从目前主流柔顺力控方式来看，多数的力控方式需使用力传感器收集力反馈的信号，因此力/力矩传感器有望成为人形机器人力控最核心的部件。

  ①从力传感器的检测的新方法来看，电阻应变式传感器综合性能更优，有望成为主流应用种类。

  ②从力传感器的感知维度来看，我们判断机器人关节需使用关节扭矩传感器，末端执行器（手部、脚部）需用六维力矩传感器。

  壁垒：多维力矩传感器对于应变片的性能要求高、安装难度大、且产品定制化研发壁垒高。

  成本：目前海外进口应变片的成本相比来说较高，且产品加工难度大，我们大家都认为多维力矩传感器的主要成本来自于应变片成本及人工加工成本。

  格局：海外厂商性能优异，国内尚未出现多维力矩传感器龙头。六维力矩传感器海外龙头为ATI厂商，根据zoominfo数据，22年ATI收入达到8820万美元，而国内多数厂商尚未形成大规模收入，但宇立仪器、坤维科技等非上市公司六维力矩传感器的部分指标基本对标ATI的产品。

  风险提示：人形机器人商业化落地没有到达预期、国内力矩传感器进展没有到达预期、人形机器人力控模式出现重大技术改变、国内应变片技术进展没有到达预期、国产力矩传感器规模化后降价不及预期。

  ①机床：滚珠丝杠、滚珠导轨为传动系统核心部件，直接影响机床性能，依照我们测算22年机床行业滚动功能部件市场空间184.36亿元人民币。从全球机床厂供应链看，主轴、摆头、转台等功能部件机床厂考虑定制化/差异化倾向于自制，但滚动功能部件基本全部外采，伴随机床产业升级滚动功能部件需求持续增长的确定性较强。

  ②机器人：滚珠丝杠可用于机器人传动装置，通过滚珠丝杠组成单轴机器人/电动缸等完成线性驱动，根据特斯拉AI Day2022信息，特斯拉人形机器人“Optimus”下肢腿部将采用无框电机与行星滚柱丝杠的线性执行器，有望打开行星滚柱丝杠应用空间，目前行星滚柱丝杠国内整体研发、生产仍处于较早期阶段，企业成长空间较大。

  ③汽车：滚珠丝杠在新能源汽车转向机构、电助力转向系统、电子驻车系统、刹车系统具有应用前景，在新能源汽车销量高增长同时追求全电控、智能化发展背景下需求有望高速增长。

  滚珠丝杠技术壁垒极高，海外企业具有先发优势，国产品牌市占率较低。“04专项”推动下国产品牌加速追赶，未来在政策进一步扶持下差距有望进一步缩小，加速国产替代进程。

  汽车智能化渗透率提升，促进滚珠丝杠应用，未来车端市场空间有望超百亿元。车中滚珠丝杠应用主要为：1）转向；2）驻车制动；3）行车制动；4）其他：在座椅、移门、高端减震系统也有望使用。整体看，未来汽车用滚珠丝杠单车价值量有望达1000元，车端滚珠丝杠市场有望超百亿元。若考虑座椅、移门、悬挂等领域的使用+为了安全冗余，备用部件也使用滚珠丝杠，那么滚珠丝杠的单车价值量将会更高。

  人形机器人打开滚珠/柱丝杠发展空间，未来空间或超800亿元。与滚珠丝杠相比，滚柱丝杠在承载能力、传动精度、轴向刚度、速度及加速度等方面具备优势。人形机器人使用的反向式行星滚柱丝杠，因为其螺母更长，可以用更小的扭矩实现更大的负载，且占用体积更小。根据特斯拉AIDay2022信息，特斯拉人形机器人下肢腿部将采用无框电机与行星滚柱丝杠的线性执行器。

  目前市场基本被外资企业占据，汽车用滚珠丝杠领域已开启国产替代，快于机器人领域。丝杠精度等级要求从高到底排序为：机床、机器人、汽车。

  汽车领域：五洲新春、新剑传动、宁波慈兴、长盛轴承等已具备车用丝杠的量产能力，其中前两家公司已开始批量销售，长盛轴承预计今年内拿到主机厂定点；

  机器人领域：秦川机床、新剑传动、恒立液压、贝斯特、鼎智科技等正在布局，其中秦川机床、新剑传动已实现批量销售，其他三家在研，未来有望突破技术壁垒，实现国产替代。

  风险提示：人形机器人落地没有到达预期；人形机器人销量没有到达预期；行业竞争格局恶化；国内企业技术突破进度没有到达预期；技术方案存在不确定性。

  新能源渗透率提升导致齿轮市场萎缩，人形机器人带来庞大市场增量，有望带领行业步入蓝海。经测算，当每万人保有的人形机器人达到45台时，全球机器人用谐波/行星减速器市场空间分别为4495/719亿元，相较万人保有量0.07台（对应总量6万台）时，分别增长540倍/552倍。

  机器人用减速器需求提升，标准化齿轮量产由齿轮公司接力。车端差速器结构件为标准件，叠加齿轮行业较高的资金和技术壁垒，主机厂的成本压力较大。因此主机厂将成熟的量产齿轮外协给齿轮厂商以分担资产压力。我们大家都认为从经济性和轻资产方面出发，人形机器人量产后减速器公司也将复刻主机厂的做法，经检验后，将标准化齿轮的批量生产交给专业的齿轮公司。目前行星减速器的结构件外购已成行业惯例，凸显标准化齿轮外购趋势。

  风险提示：人形机器人落地没有到达预期风险，人形机器人需求没有到达预期风险，减速器生产转向第三方齿轮厂没有到达预期风险。

  综合机器人学和运动学理论，我们大家都认为灵巧手是指数不少于3，自由度不低于9的末端执行器。

  根据驱动器位置分为驱动器内置、外置和混合置灵巧手，内置微型驱动器有望成发展趋势。（1）驱动器外置具有外观设计拟人化、驱动器选型自由、能够使用更大的驱动电机等优势，但存在驱动器与手本体距离远，须借助腱绳连接、可维护性差等缺点。（2）驱动器内置利于传感器直接测量、利于更换维护，但通信和控制难度大，灵巧手尺寸偏大，关节灵活度下降。（3）驱动器混合置能大大的提升手指输出力矩、控制体积大小，但仍需借助腱绳传动。

  根据驱动器类型分为电机驱动、气压驱动、液压驱动和形状记忆合金驱动，电机驱动是主流。（1）电机驱动具有标准化、稳定可靠、精度高、响应快、驱控一体等优势，是灵巧手主要驱动方式，缺点在于质量体积大、成本高。（2）气压/液压驱动灵巧手具有输出功率密度大、易于实现远距离控制以及输出力大等优点，但由于气压/液压的控制相对较难导致灵巧手运动过程不平稳，没有办法进行手指位置的精确控制。（3）形状记忆合金具有驱动速度快、负载能力强等优势，但存在疲劳和寿命问题。

  根据传动方式分为腱传动、连杆传动、齿轮/蜗轮蜗杆传动。（1）腱传动对手指关节远距离驱动，能减小手指的尺寸，具有结构紧密相连、研制灵活等优势，缺点在于控制精度不高、抓取力不大，腱绳易磨损。（2）连杆传动易于实现强力抓取、迟滞性较低，传动精确，但传动机构复杂，对零部件的制造精度要求高且拟人性不足。（3）齿轮/蜗轮蜗杆传动较为精密、传递效率高、稳定性高，但存在结构较为复杂，使灵巧手的惯性增大、自重增大的缺点。

  方向1：内置微型驱动器：能够尽可能的防止因腱绳连接带来的设计难度大的缺点，同时利于传感器直接测量，方便维修。

  方向2：多感知能力融合：利于提高灵巧手精细抓取能力和智能化水平，是未来灵巧手发展的另一重要方向。

  方向3：多自由度：自由度是灵巧手灵巧性的决定因素，提升自由度是未来灵巧手的又一发展方向。

  电机按应用领域分为动力电机和控制电机。动力电机输出功率大，驱动性能好，常应用于汽车、家电等领域。控制电机控制精度高、响应速度快，常在控制管理系统中承担执行、检测和解算功能。

  ①步进电机结构相对比较简单但效率和精度较低，多用于办公自动化、通信设施、印刷设备等领域。

  ②伺服电机增加了编码器与反馈机制，控制精度高，适用于半导体、工业自动化、机器人等领域。空心杯电机属于特殊的伺服电机。

  ③力矩电机以扭矩为控制方向，在电动机低速时仍能持续运转，并提供稳定的力矩给负载，具有低转速、大扭矩、过载能力强、响应快等优点，分为有框力矩电机和无框力矩电机。

  为什么机器人关节要用无框力矩电机：机器人关节要求电机体积小、扭矩大、响应快。而无框力矩电机仅由转子和定子组成，体积小，同时具有较高的功率，低转速情况下能够输出更大扭矩，更符合人形机器人的需求。

  （1）壁垒：磁路和工艺设计。海外厂商起步早，工艺技术拥有先发优势，例如科尔摩根采用分布式的分数槽及碳纤维绑扎技术，TQ Robodrive采用模块化定子和环氧塑封灌胶技术。国内企业起步晚，工艺水平和国外相比存在差距。

  （2）格局：全球龙头为科尔摩根，国内外厂商产品性能仍有差距。科尔摩根是全球无框力矩电机龙头，其电机性能在全球处于第一梯队。国内目前进展较快的公司包括步科股份、航天电器。相比海外龙头，国产无框力矩电机输出扭矩较小，在产品性能方面仍有差距。

  为什么机器人灵巧手要用空心杯电机：灵巧手空间狭小，需要配备小型化且控制精度高的电机。空心杯电机属于特殊的伺服电机，采用无铁芯转子结构，消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗，具有体积小、控制精度高、寿命长、转速快、能效高、单位体积内的包含的能量大等优势，完美契合了灵巧手对驱动电机的轻量化和高精度要求。

  壁垒1：线圈绕组设计。①线圈成型方式分为卷绕生产和一次成型生产，后者工艺简单、效率高。国内厂商多采用卷绕式生产，生产效率低，废品率高，线圈直径小。②线圈绕法分为直绕形、马鞍形和斜绕形，其中斜绕形和马鞍形工艺简单，具有输出力矩大、转动惯量小、时间常数小等优势，国外厂商工艺更加纯熟。

  壁垒2：绕线设备。国内设备自动化程度低，尤其是面对较大功率电机的粗线径线圈，在可靠性和绕制精度方面与海外厂商仍有很大的差距。格局：海外厂商技术领先，国产替代空间广阔。空心杯电机全球头部企业包括瑞士Maxon、瑞士Portescap和德国Faulhaber三家。国内企业中，鸣志电器技术水平位居全球前列，拓邦股份空心杯电机已实现批量应用；江苏雷利处于小批量验证阶段；伟创电气处于产品内部测试阶段，其余企业技术相对薄弱，国产替代空间广阔。

  轴承主要分布于人形机器人的减速器和关节连接处。关节连接：一般两头会分别采取了一个轴承，如线性关节两头分别使用深沟球轴承和四点接触轴承，旋转关节采用交叉滚子轴承。减速器：相比而言，减速器上所需轴承则更复杂。其中（1）谐波减速器：交叉滚子轴承（150元/个）*1+柔性轴承（60元/个）*1，单减速器价值量约210元。（2）行星减速器：球轴承（国产3-5元/个，进口十几元/个）*2+满针滚针轴承（1-2元/个）*3。（3）RV减速器：滚针轴承（十几元/个）*6+圆锥轴承（国产十几元/个，进口几十元/个）*6+角接触轴承（几十元/个）*2。

  市场空间：ASP超4000元，远期增量市场空间1.2万亿。假设单台机器人使用14个深沟球轴承+28个角接触轴承+14个四点接触轴承+14个交叉滚子轴承+14个柔性轴承，ASP约4000元。在机器人年销3亿台假设下，增量市场空间1.2万亿，根据Precedence Research数据，2022年全球轴承市场约9000亿元，增量市场空间大于现有市场。

  竞争格局：海外企业占据全球轴承行业主导，国内市场较为分散。据中国轴承工业协会数据，世界八大轴承企业年均营收超过500亿元，全球第一大轴承供应商斯凯孚市占率为7.6%。中国前十大轴承企业平均产值约60亿，行业参与者众多，但头部企业体量偏小。据观研天下数据，2021年中国轴承企业仅有人本集团和万向钱潮产值超过100亿，分别占据中国轴承市场的9.2%和5.9%。国内轴承与海外轴承的差距体现在：振动和寿命等差异较大。主要因为波纹度的控制、材料技术等有差距。

  产业链弹性：轴承有突出贡献的公司以及具备国产替代能力的磨床供应商有望受益。对于轴承企业而言，随着人形机器人快速起量，轴承将逐步标准化，大量减速器和电机供应商将开始外采轴承，利好轴承行业。同时，目前国内有部分磨床供应商正在加速磨床的国产化研究，其中日发精机、宇环数控和秦川机床等企业有望成为磨床国产替代的领头羊。

  风险提示：人形机器人落地没有到达预期风险，人形机器人需求没有到达预期风险，竞争格局恶化风险。

  轴承为机械设备核心部件，市场空间巨大：轴承为机械传动轴提供支承，为装备性能、功能与效率提供保证，是工业领域重大装备核心部件之一，在航空航天、轨交、高端机床、工程机械等高端制造领域扮演重要角色。根据precedence research数据22年全球市场空间1302亿美元，根据中国轴承工业协会数据22年国内市场空间预计突破2500亿元人民币，市场空间巨大。根据《中国机械工业年鉴2021》数据，21年国内轴承前三大下游应用汽车、家电、电机占比分别为39%/20%/18%。

  滚动轴承在机器人减速器、电机、丝杠均有应用前景，未来移动机器人的发展有望显著拉动轴承市场需求：

  ①减速器：预计与工业机器人旋转关节采用的RV减速器/谐波减速器轴承类似，以交叉滚子轴承、等截面薄壁轴承、柔性轴承等为主。单个减速器预计使用：1）谐波减速器：用一个交叉滚子轴承和一个柔性轴承；2）行星减速器：输入和输出端使用球轴承，另外需要用滚针轴承；3）RV减速器：用3*2个滚针轴承、3*2个圆锥轴承和1个角接触轴承。

  ②电机：根据电机配置不同，以深沟球轴承、圆柱滚子轴承、角接触轴承、调心滚子轴承等为主，单个电机采用两个轴承进行组合使用（例如双深沟球轴承、一柱一球轴承等），假设采用简单轴承结构，单个电机使用2个深沟球轴承。

  ③丝杠：预计以深沟球轴承+四点接触轴承为主进行配套使用，单个丝杠采用1个深沟球轴承和1个四点接触轴承。

  八大家垄断全球市场，国内企业逐步突围取得一定份额，但仍有较大成长空间：根据人本股份招股说明书数据，2020年全球八大家斯凯孚、舍弗勒、NSK企业占据全球市场占有率超过70%。国内头部企业例如人本股份已取得一定规模，21年轴承产量突破17.56亿套，收入体量达到91.21亿元。但整体国产化率依旧较低，且国内企业份额较为分散，TOP 3的人本股份、万向钱潮、洛阳轴承2020年市场占有率分别为10.4%、4%、2.2%，未来仍有较大成长空间。