人形机器人：供应链迭代下的新机遇

SOURCE FROM: HUATAI SECURITIES

ANALYST: 倪正洋、黄菁伦、史俊奇

【摘要】

✓ 经过测算，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

✓ 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

-2022 年全球力矩传感器市场空间为 84 亿美元，约 600 亿元

-2022 年全球编码器市场空间为 115 亿元，中国市场空间为54 亿

-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

一、产业链相关公司与BOM表成本

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

产业链相关公司一览

1）快速迭代下特斯拉机器人已能实现行走/抓取等动作，具备协作安全性，通用机器人迎来曙光。

2）特斯拉机器人力矩控制能力提高，增强协作安全性。

3）共用汽车FSD 系统，特斯拉机器人已能够识别、记忆周围环境。

工程师可以通过AI 对机器人进行肢体模拟训练

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。

擎天柱原型机躯干包含28 个关节执行器

特斯拉旋转执行器

特斯拉线性执行器中的力传感器、位置传感器（编码器）和无框电机

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。

擎天柱灵巧手

1）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。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。国内参与者主要是昊志机电、宇立仪器（安川电机、KUKA、ABB 的力传感器合作商）、坤维科技（供货给节卡、遨博、睿尔曼、越疆、思灵、大族等国内协作机器人厂商）。

2）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，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，目前国内头部企业如汇川技术、禹衡光学分辨率等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。

3）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。

行星滚柱丝杠载荷传递元件为螺纹滚柱

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，主要参与者有鼎智科技、秦川机床、新剑传动、恒力液压。

4）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。

无框电机多采用大尺寸中空设计

5）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。

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。

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。

6）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。

无刷空心杯电机结构图