人形機器人，產業趨勢還是曇花一現？

　　1.1 特斯拉發布 Bot，掀起人形機器人熱潮 在 2021 年的 Tesla AI Day 上，馬斯克公布了人形機器人 Tesla Bot（Optimus）的概念。近期，馬斯克又將原計劃 8 月 19 日舉辦的特斯拉 AI 日，改為 9 月 30 日舉辦，因為屆時將發 布 Optimus（“擎天柱”）原型機。據官方描述，特斯拉 Optimus 機器人身高約 172CM、體重約 56KG，能夠硬拉 68KG 左右，它的誕生是為了消除危險、重復和無聊的任務，以便人類可以專注于更加愉快的工作。長期以來，馬斯克對人工智能發展的危險性和缺乏監管的狀態直言不諱，但他向外界保證 Optimus 是友好無害的，特斯拉機器人的速度被特意設計得很慢，最高時速約為 2 米/秒，并 且比人類更弱。

　　據稱，該款人形機器人結合了特斯拉的 AI 技術，即基于視覺神經網絡神經系統預測能力的 自動駕駛技術，具有極強算力的 DOJO D1 超級計算機芯片，Dojo 架構擁有一個大規模計算 平面，極高寬帶和低延遲。作為 Dojo 架構的重要組成部分，D1 芯片采用 7 納米制造工藝， 處理能力為每秒 1024 億次。由于每個 D1 芯片之間都是無縫連接在一起，相鄰芯片之間的延 遲極低，訓練模塊最大程度上實現了帶寬的保留，配合特斯拉自創的高帶寬、低延遲的連接器， 算力高達 9PFLOPs（9000 萬億次）。

　　1.2 人形機器人，各項用途的最大公約數 中國電子工業學會將機器人劃分為工業機器人、服務機器人、特種機器人三類。其中，1）工業機器人指面向工業領域的多關節機械手或多自由度機器人，在工業生產加工 過程中通過自動控制來代替人類執行某些單調、頻繁和重復長時間作業；2）服務機器人是指在 非結構環境下為人類提供必要服務的多種高技術集成的先進機器人；3）特種機器人指代替人類 從事高危環境和特殊工況的機器人。目前，全球機器人發展已有超過半個世紀，但據 IFR 數據，2019 年全球工業機器人保有量 僅 272 萬臺，按照世界人口網數據 2019 年全球 230 個國家 75 億人口計算，工業機器人的人 均保有量僅為 3.63 臺/萬人。2019 年，工業機器人受全球貿易摩擦升級影響，新安裝量出現下 滑，據 IFR 預計，到 2022-2023 年才可能恢復至疫情前水平。相比之下，服務機器人、特種機器人因疫情催化“非接觸”使用場景增加，發展勢頭迅猛。

　　回顧過去幾十年發展歷史，工業機器人發展速度遲緩，除了受宏觀經濟影響外，還與其初 級的智能水平、難以遷移的應用環境有關。傳統工業機器人主要是解決傳統制造業的效率問題， 在靜態、結構化、確定性的無人環境中完成重復性作業，其工作特點在于空間相對隔離、與人 非接觸、預編程或示教再現控制、需要外部安全保障。伴隨制造業本身的升級和轉型，小批量、 多品種、短周期、個性化將成為新興制造業的顯著特點，因此工業機器人的趨勢也將是可融入 人類生產與生活環境、與人優勢互補、合作互助，進而成為具備可變作業能力的人類助手型機 器人。

　　機器人最終需要在人類所處的現實環境中工作。開發人形機器人比修改整個環境顯得更經 濟合理。現代社會的環境是為人類自身設計的，例如，走廊的寬度、階梯的高度、扶手的位置 和門把的位置等數不勝數的事物都要適合人的尺寸和運動，這些是社會建造過程中的沉沒成本。因此，當機器人具有人的形狀并能像人一樣活動時，就不需要為機器人而改變人的環境。常見 的輪式機器人使用條件苛刻，需要在一個非常平的地面上來使用，沒有任何的越障能力，這種 理想的工作環境其實是非常少的。如果要想滿足它豐富功能的話，還是要做成一個有自主越障 能力，所以人形是一個好的選擇。

　　1.3 下一代的商業入口

　　人形機器人較其他服務機器人更容易被人們接受。參照“恐怖谷效應”，在中等程度偏上的 逼真性以前，無論是靜態仿真物還是動態仿真物，人們對它的好感程度是隨逼真性的提高而增 加。也就是說，中等偏上程度的仿真時最受人們歡迎的，最能夠贏得受眾。而隨著逼真性向較 高程度增強，人們的好感度會陡然下降。在“恐怖谷理論“第一段曲線上升部分，人類與人形 機器人更容易產生情感上的交流。人形機器人在外形和行為設計上模仿人類，具有手部、足部、 頭部和軀干等，容易獲得人類好感、親近感并能滿足情感認同。并且它們與人類接近程度越高， 被接受和認可的程度就越高，具有人的外形是機器人成為人類伙伴并為人們帶來樂趣的非常重 要的因數。人形機器人有望成為繼手機、汽車后的又一入口，商業價值巨大。手機入口整合了通話、 地圖、工作、娛樂等眾多功能，是各功能依托的總入口。而人形機器人功能更加全面，與人互 動場景多元更加多元，有望成為新的商業入口。根據艾媒網、Statista 數據，2021 年我國人均 花費在手機上的時間達到 3.3 小時/天。此外，2021 年移動應用的用戶支出達到 1700 億美元 （約合 1.08 萬億人民幣），與去年相比增長了 19%。下載量以同比 5% 的速度繼續增長，達 到 2300 億次。

　　展望人形機器人的未來發展速度，我們認為可以參考特斯拉電動車的放量節奏。回溯歷史， Model-S 在 2012 年推出，2013 年特斯拉電動車銷量達到 2.2 萬輛，2014 年達到 3.2 萬輛， 2015 年實現 5.1 萬輛。隨著 2017 年推出 Model-3 達到大規模生產，銷量快速增長，從 2017 年的 10 萬輛快速增長到 2021 年的近 100 萬輛。我們認為，特斯拉汽車銷量的絕對額增長是 從 Model-3 的推出開始加速，起初走的是高端概念型路線，往往是忠實粉絲開始應用，同時搜 集各種數據進行改進，然后逐步起量。我們認為人形機器人的發展過程可能也與此有相似之處。

　　不同的是，對于人形機器人，其他科技企業會更快地跟進，國內與國外科技企業都紛紛注 意到這個賽道，在做前瞻布局。一些領先企業在做準備，明年也將推出，因而真正放量時不僅 要考慮特斯拉，其他國內外企業也會放量。如果人形機器人的放量節奏類似于特斯拉汽車，那 么 2023-2024 年人形機器人可以大致對應特斯拉 2013-2014 年的銷量，隨著其他廠商原型機 推出后也逐步起量，2025 年開始人形機器人對標 2015 年全球純電動車銷量。但對于 9 月 30 日發布的機器人，我們認為不應抱有過高的預期，原因在于人形機器人對 智能化水平、通信、執行、傳感等方向的要求非常高，最終較為理想的人形機器人一定是經過 多次迭代，不斷打磨后的產品。而特斯拉 bot 的到來，其最重要的意義在于開啟了整個產業的 快速發展過程，未來一段時間，預計很多科技企業都會向人形機器人的方向努力，爭奪賽道， 產業趨勢可能會加速來到我們面前。

　　Optimus 的前輩們

　　Tesla Bot 并非首款人形機器人，從 21 世紀初本田發布首款人形機器人 AISMO 原型機開 始，全球多家科技公司及高校先后發布人形機器人。從設計初衷來看，人形機器人定位多用于 生活服務，與人類交互，以及專門用于科研領域。其中，較為知名的不乏有波士頓動力的 Atlas 機器人、歐洲 iCUB、軟銀的 Pepper、Alderbran 公司的 Nao 機器人，以及優必選 Walker 系 列。研究他們的設計思路，對 Optimus 也會有所借鑒。

　　人形機器人的可能解決方案有哪些？

　　3.1 人形機器人的成本構成與工業機器人有哪些區別？

　　從外形上看，人形機器人采用的是 L 型結構，每個關節緊密連接，其集成度要比傳統的工 業機器人更加緊湊，也更加靈活。而從成本上構成上看，二者也有一定的差異。傳統的工業機器人產業鏈，包括上游零部件供應商、中游本體供應商、下游系統集成和服 務提供商，以及終端應用市場。其中有減速器、控制器、伺服系統分別占 31%、10%、20%。本體占比在 24%，系統集成約占比 14%。相比之下，根據我們的產業鏈調研，人形機器人的本體在成本中占比要低于工業機器人。由于工業機器人對負載的要求更高，通常需要用到鑄鐵、高強度鋼等金屬材料制作，而人形機 器人通常采用密度更小的金屬材料，或者復合材料制作，其本體在整個生產中的占比通常在 15% 左右，而工業機器人本體在生產成本中占比通常在 20%以上。在傳感方面，人形機器人全身需 要多處傳感器，因此在生產成本中也占有較高的比重。

　　3.2 驅動和執行：諧波減速器+空心杯型伺服電機

　　3.2.1 減速器：諧波減速器或為主要解決方案，數量或在 45-50 個 從外形上看，人形機器人采用的是 L 型結構，每個關節緊密連接，其集成度要比傳統的工 業機器人更加緊湊，也更加靈活。而從成本上構成上看，二者也有一定的差異 減速器是常用作原動件與工作件之間的減速傳動裝置，在二者之間起到匹配轉速、傳遞扭 矩的作用。其原理在于，把高速運轉的動力通過減速機輸入軸上齒數少的齒輪嚙合輸出軸上的 大齒輪，以此來達到減速的目的，原因在于絕大多數工作件負載大、轉速低，不適宜用原動機 直接驅動，需通過減速機來降低轉速、增加扭矩。常見的減速器有行星齒輪減速機、RV 減速機、 諧波減速機等。

　　工業機器人大多使用 RV 減速器，主要原因在于 RV 減速器具有疲勞強度大、剛度大，同時 可以保持高精度等特點，但其缺點是重量大、體積大。另外，部分末端會用到諧波減速器，諧 波減速器的負載能力略低于 RV 減速器，在力矩輸出要求不是特別高的末端可以滿足要求，其 優點是體積小、重量輕。人形機器人關節處的減速器需要具有傳動鏈短、體積小、功率大、質量輕、易于控制等特 點。根據我們的產業鏈調研，一般的諧波減速器 減速比在 85-160 之間，更大一些的可以達到 200，而減速比直接決定了輸出力的大小，減速 比越高，電機相同轉數下輸出力越大。體積方面，手指部分可以使用直徑 20mm 的減速器，放 置于手掌中，肘部可以使用 30-40mm 減速器，肩部可以使用 50-60mm 減速器。目前，國內 諧波減速器基本可以滿足要求。 事實上，在機器人移動一個物體的過程中，真正需要輸出力較大的地方主要在于肩部、肘 部、腕部等關節，手指等末端關節對力的要求有限，因此部分末端可以使用行星齒輪減速器替 代。根據我們的產業鏈調研，行星齒輪減速器的轉速比通常在 15-20 之間，如果要實現更大的 力，只能將齒輪縮小，但齒輪過小時很容易損壞。因此，在體積很小的機器人中，通常可以使 用行星齒輪減速器，但要做到消費級機器人，僅可以在末端使用行星齒輪減速器替代諧波減速 器。體積方面，諧波減速器由于其結構通常是由三個行星齒輪，以及中間的一個太陽輪組成， 因此最小的也只能達到 30-40mm。對消費級機器人而言，其負載通常不會過大。因為負載較高的情況下，其肩關節、肘關節 需要做到很大。另外，機器人本身也需要保持平衡，機器配重不足的情況下很容易傾倒，考慮 到其在運動過程中還要加上力和慣性，所以一般要保證機器人靜態下的負重是動態負重的 2 倍 左右。另外，在精度方面，消費級機器人的精度不會像工業機器人那么高，在加入編碼器的情況 下可以達到 0.01mm，只要執行到位即可，相比之下，工業機器人，比如加工機床精度需要達 到 0.002-0.005mm。 3.2.2 伺服系統：電機驅動是主流解決方案 機器人自由度的運動，可能依靠舵機，電機，推桿，氣或者液壓的伸縮桿，控制器可以對 這些部件進行控制。從過往人形機器人的伺服解決方案可以看出，Atlas 采用了液壓驅動，其優點在于可以承 受高負載。例如在 Atlas 完成后空翻動作時，落地時沖擊力會非常大，如果采用電機方案，可 能會導致爆炸，而液壓結構更加穩定，除了油壓自身的可壓縮性，如果使用蓄能器，還能起到 減震作用，使肌體更有彈性。但液壓肢體結構的問題在于可能會漏油。此外，Poppy 機器人則 選擇了舵機驅動，實際上，舵機也相當于一個完整的伺服系統，里面包含了電機、傳感器、伺 服控制器等部件，其優點是價格低廉、結構緊湊，但缺點是精度很低，位置鎮定能力較差，只 能滿足一些機器人的初級功能需求。因此除此之外，歷史上對于負載沒有過高要求的人形機器 人，大部分都采用了電機驅動方式。

　　機器人的伺服系統，包括伺服電機、伺服驅動器、指令機構三大部分。其中，伺服電機 （server motor）是執行機構，指在伺服系統中，控制機械元件運轉的發動機，是一種補助馬 達間接變速裝置。伺服電機可使控制速度，位置精度非常準可以將電壓信號轉化為轉矩和轉速 以驅動控制對象。伺服驅動器（server drives），又稱為“伺服控制器”、“伺服放大器”，是用來 控制伺服電機的控制器，其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達，伺服驅動器主要用于高精 度的定位系統，一般通過位置、速度、力矩三種方式對伺服電機進行控制，屬于傳動技術的高 端產品。指令機構是發脈沖或者給速度用于配合驅動器正常工作的。 伺服驅動器向電機線圈供應電壓、電流，然后通過監控反饋來閉環伺服環路，為伺服電機 供電。多數情況下，伺服驅動器含有三個嵌入式伺服環路：電流環（扭矩環、內部換）、速度環、 位置環，三個環路相互作用，實現精準的運動控制。

　　人形機器人的伺服系統解決方案是怎樣的？從外觀上看，工業機器人的伺服系統體積較大，有部分機器人伺服系統外置，因此其集成 度不比人形機器人。另外，工業機器人通常使用交流伺服電機，對精度要求更高、體積更大， 而人形使用的是直流無框力矩電機，可以在較小體積下輸出較大的力，而且沒有外框，只有一 個轉子、定子。從組成上看，人形機器人的伺服電機、驅動器、編碼器、減速器等集成在一起，整體組成 一個“空心杯”形狀的集合，整個杯形的集合體有輸入端、輸出端，通過一根總線、一根電源 線，跟控制器聯系在一起。由于人的手臂、軀干都是圓形，因此做成杯形更利于本體的安裝。一般，人形機器人每個關節都要一個杯形的集合體，一個手指上面需要一個電機，手指上各關 節可以通過拉線的方式，利用杠桿原理實現彎曲。此外，人形機器人各伺服系統之間是采用串 聯方式，工業機器人一般采用并聯方式。

　　伺服系統的設計一般根據機器人應用場景而定，例如機器人的身高、體重、負載等。由于驅 動器是圍繞關節設計，因此需要根據機器人的需要的力反過來進行推算。另外，電力系統的功 率輸出最后決定了力的輸出，因此執行電機的電流也要據此進行設計。根據我們的產業鏈調研，一般驅動器和后端輸出的力的比值應在 1.2-1.5 倍，之所以保證一 定的余量，主要是防止機器人的某個部位被卡住時，電機繼續執行，電流達到最大可能會對電 機、驅動器造成的傷害。一般解決的方式可以采用逆反饋、電流的反饋，加入一些智能算法， 反饋給控制器，保證機器人某個部位被卡住是不會燒壞電機和驅動器。伺服系統的難點主要在于，從驅動器上看，其上端需要對接控制器，下端需要對應電機，由 于各廠家控制器參數不同，且后端驅動功率、應用范疇、便長城、執行選項等參數較多，如何 能夠實現通用性、兼容性，并通過讓客戶能夠快速選項是一個挑戰。另外，人性格機器人由于 對集成度的要求較高，剎車、編碼器等都在電機中，是通過總成的形式插入到減速器中，進而 連接成一個本體。因此，數量龐大的部件中任何一個出現問題，或者母線出現問題，執行機構 就無法正常運轉，進而影響整機的性能。 總體上看，采用微型電機進行控制精度更高，一般額定轉速能達到 2000-3000mm 轉，及時 性更好，加減速都較快，普遍在幾十毫秒以下，且可承受三倍余額定轉矩的負載，但電機沒有 防油防水功能，無法在高適度和油侵嚴重環境下使用，相比之下，電缸的耐腐蝕性比較好，但 其精度不如電機。

　　3.3 控制系統：獨立控制器位于頭部或軀干，開源系統或為 多場景應用解決方案 運動控制器的作用，是對來自伺服回路的各種反饋信息進行處理，并據此對電機進行換向。運動控制器與伺服驅動器是經常被混淆的兩個概念，實際二者在自動化領域有著微妙的差異。簡言之，運動控制器相當于人的“大腦”，伺服驅動器相當于“神經”，而伺服電機相當于人的 “手”執行由大腦、神經傳遞過來的命令。作為基于微處理器的設備，運動控制器具有生成脈沖寬度調制（PMW） 波形的復雜算法。而伺服驅動器內的功率晶體管，通過傳輸電流和電壓波形，來為伺服電機供電。因此，二者之 間的配合原理是，控制器是將特定命令應用于驅動器中位置、速度或電流環等元件，伺服驅動 器再根據控制器的命令向電機提供電壓和電流。 此外，控制器通常具有編程的功能，可以存儲和運行程序員提供的代碼，其中有大量安全 元件，可用于組件發生故障時防止過載，或停止運動控制。相比之下，驅動器往往專注于接收 控制器輸入的命令，并負責功率晶體管的開關，使產生的電流、電壓滿足命令的要求。工業機器人的驅控一體在人形機器人中很難實現。原因在于人形機器人的伺服驅動器數量 高達數十個，因此，如果所有驅動器都配有一個控制器，整個機器人的體積將會非常大，很難 實現。因此，人形機器人一般有一個單獨的控制器（獨立于伺服電機、伺服控制器），也被稱作 “上位”。通常人形機器人的控制器會被放在頭部，如果視覺、激光雷達、聽覺傳感器等占用空 間過大，控制器也可能被放置在軀干中，因為軀干中除了電池之外，還有很大空間可以利用。

　　對于人形機器人的控制器而言，其關鍵主要在于了解客戶的應用場景，以及對相關工藝的 要求。由于終端對精度要求，每向上一級疊加都需要留出一定的余量，因此驅動器對于最終精 度的實現有至關重要的作用。此外，工業機器人一般只有一個固定底座，只有末端有一些視覺 識別過程，相比之下，人形機器人的傳感器眾多，數據來源有多個口徑，需要處理的數據也很 龐大和復雜，難度較大。另外，由于機器人對每個場景的學習和訓練過程也需要一定時間，因 此，單獨一家廠商還很難將人形機器人做到各個場景的通用。一種可能的解決方案是，廠商主要負責生產本體，將控制部分做成開源系統，讓不同的人 對應用場景進行二次開發，這樣特斯拉人形機器人就有可能成為一個標準版的本體，在其能力 范圍內，由后端的多樣化算法來支持多個客戶應用場景，例如 Poppy 機器人、Pepper 機器人。

　　3.4 本體+視覺控制等外圍：本體材料輕量化，傳感技術或 仍以視覺為主

　　3.4.1 本體：輕量化的復合材料、金屬材料為首選，對觸感要求高的 部位或采用硅膠 本體在整個機器人中屬于輔助部分，主要起到支撐、連接各個關節的作用，在整個機器人 成本占比中也是最低的，原因在于相比內部的核心部件，外部的損傷是較易于修復的。人形機器人本體在成本中比重要低于工業機器人。由于負載的要求，工業機器人的本體一 般需要由鑄鐵、高強度鋼制成。相比之下，人形機器人的本體一般采用密度更小的復合材料， 或密度更小的金屬材料，如鋁硅、鋁鎂等，其密度比合金鋼更小，但強度、支撐能力也能夠滿 足負載的要求，關鍵是材質相對更軟，可塑性更好。除此之外，有些機器人的本體也會采用碳 纖維，在保證橫端拉力的情況下，質量也較輕。而在手指等末端、對質感和觸感要求較高的部位也會采用硅膠作為材料。

　　此外，一些機器人的關鍵零部件，可能會采用工業級 3D 打印技術。如歷史上法國 INRIA Flowers 研發的 Poppy 機器人就是一種 3D 打印機器人，3D 打印可以降低機器人本體重量， 并減輕伺服電機等關鍵部件的壓力，從而降低成本，并實現快速制作。另外，像波士頓動力的 Atlas 機器人關鍵結構件也是使用工業級 3D 打印制作，驅動器和液壓管路是被嵌入結構當中， 所有的動態平衡、傳感、過濾、排污閥、動力裝置所需的一切零件，都集成在一個 3D 打印部 件中而非由單獨的組件制成。

　　3.4.2 傳感：仍以視覺傳感為主，或引入工業級雙目/多目相機 與人相同的是，人形機器人也需要很多傳感器。根據檢測對象的不同，可以分為內部傳感 器、外部傳感器。內部傳感器一般用來檢測機器人本身狀態，多為檢測位置和角度的傳感器。外部傳感器一般用來檢測機器人搜出環境裝款，如物體識別傳感器、物體探傷傳感器、接 近覺傳感器、距離傳感器、力覺傳感器、聽覺傳感器等。

　　從已經發布的幾款人形機器人來看，視覺、語音、觸覺、力覺、測距、姿態等需要基本都 需要配備相應的傳感器，傳感器的數量少則十數個，多則上百個（如 Nao 機器人）。一般視覺 傳感多采用雙目或多目的高清攝像頭、立體攝像機，姿態傳感器采用陀螺儀，探測器包括激光 雷達、聲納、超音波感應器等，語音識別多以麥克風形式。

　　由于人形機器人不僅需避障、路徑規劃，還需要準確識別目標，因此若要完成類似人手的 精密操作，機器人視覺系統定位精度需達毫米級，需引入工業級雙目/多目相機，單機價值量相 對普通服務機器人較高。預計人形機器人的 3D 傳感器成本將遠高于普通的服務機器人，但要 略低于工業機器人。此外，激光雷達通常會作為視覺傳感的輔助，因為在機器人工作過程中， 很多物體都是“眼見為虛”的，需要借用激光雷達對景深進行驗證。除視覺之外，人形機器人還需要加入力傳感器，例如對于一個玻璃制成的物體輸出的力， 不能等同于對一個氣球輸出的力，而力的大小最終由電流決定，因此加入力學傳感和反饋也是 必要的。相同的，還有對溫度、位置的感知。

　　3.5 散熱：風冷、散熱器散熱、導熱材料+新興散熱解決方 案 由于要面對大量信息，大量的動作，人形機器人運算量非常大，其所有的元件都在發熱， 因此，散熱也是研制人形機器人需要解決的最重要問題之一。在設計機器人時，通常需要通過各種軟件的模擬來實現，盡可能讓其少發熱，或發熱相對 更集中、更易于散熱，這就需要用到一些工程軟件。此外，在散熱方面，一般有風冷、液冷、 散熱器、導熱材料等方式。以風冷為例，機器人的散熱結構呆滯包括，表面的機器外殼、內部排氣扇，外殼下部設置 有進氣孔，外殼的上部設置有排氣孔，排氣扇用于使空氣由進氣孔進入外殼內部，并由排氣孔 排出。由于進氣孔接近散熱結構的最低處，排氣孔位于散熱結構的最高處，熱空氣由排氣孔排 至散熱結構外。在此情況下，散熱結構內形成低壓，外部的空氣經進氣孔進入散熱結構內。冷 空氣接觸設置于外殼內部的電路板組件，達到散熱效果。

　　除了傳統的散熱方式之外，目前也有科研機構在不斷探索更加類人的散熱機制，比如“排 汗”。康奈爾大學的謝菲德研究團隊開發了一種更利于柔性機器人的散熱方式。由于柔性機器人 很多部件都是由復合材料制成，其散熱性能不如金屬，而風扇燈內部散熱技術占空間較大，重 量也較大，因此，謝菲德發明了機器人的“排汗系統”。研究團隊通過多材料立體光刻技術，發明機器人“排汗”所必須的納米聚合物材料，該技 術可以通過光將樹脂類材料固化為設計好的形狀。研究團隊利用兩種水凝膠材料開發制造了手 指形狀的驅動器，這種水凝膠具有蓄水功能，而且可以根據溫度來調節水分，相當于一個“智 能海綿”。當溫度達到 30 攝氏度以上時，由水凝膠制成的驅動器底層會隨著溫度上升而收縮， 從而將水擠壓到頂層，頂層由聚丙烯酰胺支撐，密布著微米級的小孔，與地層相同，當溫度高 于 30 攝氏度時，為空會自動打開，開始“排汗”。該研究團隊表示，該排汗系統可讓驅動器表 面在 30 秒之內下降 21 度，散熱效率畢人體排汗系統高三倍，若由風扇燈外置風冷設備，其散 熱效率還可提升六倍。但該機器人也有一定的缺陷，即移動性較差，而且補水也是一個問題。

　　3.6 電池：三元鋰電池或為主要解決方案

　　機器人的電池主要有鎳氫電池、鋰電池、鉛酸蓄電池三類。其中，鎳氫電池主要用于成本 控制嚴格，不需要大容量和大電流放電、安全性要求較高的玩具機器人、掃地機器人等領域。鉛酸蓄電池技術較鋰電池更為成熟，但由于比較笨重，移動不方便，基本用于不需要移動的機 器人領域，由于污染較為嚴重，正在逐漸被鋰電池取代。鋰電池主要應用于智能服務機器人、娛樂經紀機器人、探險排爆等特種用途機器人領域。一般，對于成本不敏感的機器人，切要求電池較輕、可提供大電流放電、保障長使用壽命的機 器人一般會選擇聚合物鋰電池，如競技機器人、特種機器人。磷酸鐵鋰在不需要電池大電流放電、低溫性能的 AI 服務機器人、工業較大型機器人領域應 用較多。三元鋰電池相比聚合物電池成本更低，且能量密度較磷酸鐵鋰電池更大，在機器人領 域應用較為廣泛，尤其是 18650 鋰電池。

　　人形機器人電池的配重和續航市場如何？從發展歷史上看，幾款較為知名人形機器人主要經歷了外部供電、電池供電兩個發展階段。電池供電普遍采用鋰電池組，其安裝的位置最初普遍采用“背包”形式，后逐漸將電池內置。從 續航時間上看，大部分雙足的人形機器人的連續工作時間都在 2 小時以內。然而，根據我們的 產業鏈調研，目前機器人的價格主要停留在展示和實驗階段，若實現大規模商業化，其續航時 間應達到 3-10 個小時不等。

　　除了最基本的供電功能之外，人形機器人還要考慮到電池的配重問題，保證身體的平衡。以 48 千克的本田 ASIMO 機器人為例，其電池重量約為 6kg，約為體重的 1/8 左右，優必選 Walker X 機器人的電池重量約為 3.6kg，約為體重的 5.7%。但前文提到，目前的幾款知名人形機器人主要停留在展示和實驗階段，因此電池做到月清 涼越好。而根據我們的產業鏈調研，若要實現大規模商業化，其帶電量和續航可能有更高的要 求，相對應地，一般電池重量應占到人形機器人重量的 1/3 左右。根據 OFweek 鋰電網，目前 磷酸鐵鋰電池的能量密度一般為 150Wh/kg，三元電池的能密度約為 200Wh/kg。假設特斯拉 人形機器人體重 68kg，電池重量占比 1/3 計算，則其鋰電池重量約為 22.7 千克，若采用三元 鋰電池，則帶電量約為 4.54kWh，續航時長在 3.54-9.08 小時，若采用磷酸鐵鋰電池，帶電 量約為 3.41kWh，續航時間在 3.41-6.81 小時。

　　此外，由于目前所有的人形機器人都是直流驅動，用 48V、24V、12V 的總線 將電機、控制器串起來，通過電源分配器分配電流，因此，還要考慮電池的動態管 理問題。有些人形機器人由于沒有剎車，在電量耗盡的時候會倒下，因此當電量快 要耗盡的時候需要預留一些余電在其中，以供機器人回到原位。

　　人形機器人市場空間有多大？

　　對人形機器人銷量的假設：關于人形機器人市場規模，我們認為可以參考特斯拉電動車的 放量節奏。回溯歷史，Model-S 在 2012 年推出，2013 年特斯拉電動車銷量達到 2.2 萬輛， 2014 年達到 3.2 萬輛，2015 年實現 5.1 萬輛。隨著 2017 年推出 Model-3 達到大規模生產， 同時達到平價水平，銷量快速增長，從 2017 年的 10 萬輛快速增長到 2021 年的近 100 萬輛。我們認為，特斯拉汽車銷量的絕對額增長是從 Model-3 的推出開始加速，起初走的是高端概念 型路線，往往是忠實粉絲開始應用，同時搜集各種數據進行改進，然后逐步起量。我們認為人 形機器人的發展過程可能也與此有相似之處。不同的是，其他科技企業跟進地會更快，國內與國外科技企業都紛紛注意到這個賽道，在 做前瞻布局。一些領先企業在做準備，明年也將推出，因而真正放量時不僅要考慮特斯拉，其 他國內外企業也會放量。

　　這里，我們假設 2023-2024 年人形機器人對應特斯拉 2013-2014 年的銷量，隨著其他廠 商原型機推出后也逐步起量，2025 年開始人形機器人對標 2015 年全球純電動車銷量。由于 2015 年全球純電動車銷量數據的確實，這里我們假設 2025 人形機器人的銷量為 30 萬臺， 2026-2030 年對應 2016 年全球純電動車銷量。

　　對各個零部件市場規模的測算：按照前文提到的，減速器、伺服系統、控制器在人性機器 人中的占比計算，可以分別測算出三個對應的市場規模，預計到 2025 年人形機器人減速器、 伺服系統、控制器市場規模分別達到 126 億元、95 億元、63 億元，到 2030 年，市場空間分 別達到 744 億元、558 億元、372 億元。對人形機器人電池市場規模的測算：根據我們的產業鏈調研，一般 1kWh 對應鋰離子電池 成本約為 1800-2500 元，根據前文我們測算，預計在三元鋰電池解決方案下，特斯拉機器人的 帶電量約為 3.41kWh，假設以成本加成定價，起初毛利率在 100%，則預計 2023 年擎天柱對 應電池單價約為 1.47 萬元，假設此后每年價格下降 10%。預計到 2025 年，人形機器人電池 市場規模約為 36 億元，到 2030 年約為 153 億元。

　　重點公司分析

　　5.1 綠的諧波

　　公司是一家專業從精密傳動裝置研發、設計、生產和銷售的高新技術企業，產 品主要包括諧波減速器、機電一體化執行器及精密零部件。公司的產品廣泛用于工 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。經過多年持續研發投入，公司在國內率先實現了諧波減速器的工業化生產和 規模化應用，打破了國際品牌在國內機器人諧波減速器領域的壟斷。憑借多年來在 精密傳動領域的積累，公司在行業內已經建立了較強的品牌知名度，成為國內領軍 企業之一。我國諧波減速器行業處于成長期階段，市場成長迅速，雖然我國已成為 全球最大的工業機器人市場，但以精密諧波減速器產品為代表的核心零部件總體 供給量存在較大缺口，隨著行業內企業規模化生產的實現與下游工業機器人等產 業的快速發展，未來行業規模將持續擴大。

　　5.2 禾川科技

　　公司是一家技術驅動的工業自動化控制核心部件及整體解決方案提供商，主 要從事工業自動化產品的研發、生產、銷售及應用集成。一家技術驅動的工業自動 化控制核心部件及整體解決方案提供商，主要從事工業自動化產品的研發、生產、 銷售及應用集成。工業控制自動化新星，深耕 OEM 市場多年，多領域市占率領先。公司多年來 深耕 OEM 市場，服務廣大 OEM 客戶廠商，獲得了極佳的產品方案性能 口碑， 在光伏、3C、鋰電與機器人等行業具備極高的占有率，通過多年來的高速發展， 禾川科技已赫然進入國產自動化一線品牌方陣。

　　伺服系統頭部企業，國產替代領導者。伺服系統是當前禾川科技的核心產品， 產品包括伺服系統內的伺服驅動器、伺服電機和編碼器，廣泛應用于機器人及機械 手、3C、光伏、物流、包裝、紡織等多個行業。2021 年伺服系統營收共計 6.59 億 元，占禾川科技主營業務 89.72%。PLC 產品 2021 年營收 3996.28 萬元，占主營 業務收入 5.44%。

　　5.3 雙環傳動

　　公司專注于齒輪傳動產品制造，目前產品主要為為乘用車齒輪、商用車齒輪、 工程機械齒輪、減速器及其他產品。齒輪產品應用領域非常廣泛，其市場規模主要 取決于下游應用領域的市場需求。緊抓成長賽帶，優化業務結構。隨著新能源汽車滲透率的不斷提升，相關齒輪 的需求迎來了快速增長。公司提前戰略布局，產品已應用在下游多種新能源汽車中， 覆蓋了純電動汽車、混合動力汽車等。經過多年耕耘，公司已與全球領先電動車制 造企業、比亞迪、廣汽集團、蔚然動力、日電產、舍弗勒、匯川、博格華納等重點 新能源車企和電驅動制造廠商形成戰略合作并實現批量出貨。機器人產業保持增長態勢，中國芯引領國產替代。得益于久經市場檢驗、完善 的產品譜系、合理的市場策略以及及時的保障服務，公司子公司環動科技與國內主 流機器人企業保持穩定的戰略合作關系，機器人高精密減速機業務獲得高速發展。

　　環動科技密切地關注國內外重點新客戶、新領域所需產品的開發與導入，全方位加 速新產品的驗證速度。針對中大負載工業機器人所需，提前布局設備與產線以滿足 多方客戶所需，目前已逐步實現 6-1000KG 工業機器人所需精密減速器的全覆蓋， 產品譜系得到進一步完善，獲得了核心客戶的認可并持續批產增量，從而實現減速 機產銷連續兩年創歷史新高。

　　5.4 三花智控

　　公司是全球最大的制冷控制元器件和全球領先的汽車熱管理系統控制部件制 造商。目前主要產品包括四通換向閥、電子膨脹閥、電磁閥、微通道換熱器、Omega 泵、括熱力膨脹閥、電子膨脹閥、電子水泵等，廣泛應用于空調、冰箱、冷鏈物流、 新能源汽車等領域。立足熱管理產品，拓展業務邊界。公司堅持“專注領先、創新超越”的經營戰 略，以熱泵技術和熱管理系統產品的研究與應用為核心，專注于冷熱轉換、溫度智 能控制的環境熱管理解決方案開發。公司制冷電器零部件空調電子膨脹閥、四通換 向閥、電磁閥、微通道換熱器等產品市場占有率全球第一。近年來，新能源車的發 展已成為確定的趨勢，這對熱管理產品提出了更高更多更新的需求。公司定位于新 能源汽車熱管理系統領域，由零部件切入并逐漸向組件和子系統發展，已成為法雷 奧、大眾、奔馳、寶馬、沃爾沃、豐田、通用、吉利、比亞迪、上汽、蔚來等客戶 的合作伙伴。

　　人形機器人即將來臨，三花智控有望突破。特斯拉將于推出 9 月份推出人形 機器人，得益于公司在新能源汽車上同特斯拉的合作，公司有望突破人形機器人產 業。由于人形機器人需要大量重復的運動，因而其電機功率較高。而機器人工作電 壓在 20-40V 之間，需要更高的電流以實現功率的增加。隨著電流的增大，電機放 出的熱量將成指數級上漲，如果不能進行良好的熱管理，電池、電機、關節的壽命 都將受到極大的影響。公司三花汽零注入后，充分發揮與業務間協同效應，深耕汽 車新能源車熱管理系統部件研發，并積極布局熱管理組件和子系統在汽車領域更 深層次應用，車用電子膨脹閥、新能源車熱管理集成組件、Omega 泵等產品市場 占有率全球第一。未來公司有望在人形機器人領域復刻公司在新能源汽車業務中 的發展，成為全球知名的人形機器人熱管理系統供應商。

　　5.5 匯川技術

　　匯川技術是國內伺服電機的領軍企業。主要為設備自動化/產線自動化/工廠自動化提供變頻器、伺服系統、PLC/HMI、高性能電機、傳感器、機器視覺等工業自 動化核心部件及其工業機器人產品，為新能源汽車行業提供電驅&電源系統，為軌 道交通行業提供牽引與控制系統。公司產品可應用于工業領域各行各業。根據睿工 業數據統計，2021 年公司通用伺服系統在中國市場份額達到 16.3%，首次超越外 資品牌，獲得市場份額第一名（前四名廠商及市占率分別是：匯川，16.3%；安川， 10.5%；松下，9.6%；三菱，8.8%）。根據公司 2021 年年報，公司在工業機器人領域產品包括 SCARA 機器人、

　　六 關節機器人、視覺系統、高精密絲杠、控制系統等整機及零部件解決方案，下游行 業涵蓋 3C 制造、鋰電、硅晶、紡織等。SCARA 機器人是一種圓柱坐標型的特殊 類型的工業機器人，適用于平面定位、垂直方向裝配等作業。六關節機器人是一種 六個關節都可以轉動的機器人，適合用于諸多工業領域的自動裝配、噴漆、搬運、 焊接等作業。

　　公司在 SCARA 機器人領域的主要競爭對手為 EPSON、YAMAHA 等，在六 關節機器人領域的主要對手為安川、ABB 等。公司的工業機器人核心部件除減速 機外，電控系統、伺服系統、絲杠、本體均已實現自制，具有較好的成本控制和定 制化能力。憑借對下游行業工藝的深刻理解以及“核心部件+整機+工藝”解決方 案的競爭優勢，公司工業機器人產品在手機制造、鋰電、硅晶等行業已實現大批量 銷售，形成了較好的品牌影響力。根據睿工業統計數據，2021 年公司 SCARA 機 器人在中國市場的份額為 14%，排在第三名，且為內資品牌第一名。在機器替人 的大趨勢下，公司工業機器人業務有望充分受益，目前公司該項業務已實現盈利， 屬于成長型業務。

　　5.6 鳴志電器

　　公司專注于運動控制領域和 LED 智能照明控制領域核心技術及系統級解決 方案，生產產品主要包括傳感器、步進電機、直流電機、儀動傳感裝置等。深耕控制電機及驅動系統業務，布局新興高附加值應用領域。根據國外市場研 究機構 IMARC Services Private Limited 的調研報告，全球工業自動化服務 2021 年的市場規模為 1，816 億美元，預計 2027 年可達到 3，091 億美元，期 間的年復合成長率約為 9.09％。2021 年我國工業自動化行業市場規模約為 1，920 億元。公司的控制電機及其驅動控制系統在 3C 制造設備、半導體加工設 備、PCB/PCBA 制造設備、特種機床、工業機器人、激光設備及數字化制造等工 業自動化領域中運用廣泛。

　　公司移動機器人（商用及消費）類應用領域業務進一步快速增長，全年營業 收入較上年同期增長約 99%。近年來，全球及我國的服務機器人市場規模高速增 長。根據國外市場研究機構 Interact Analysis 的統計數據，2020 年全球 AGV 銷售額為 12.684 億美元，AMR 銷售額為 10.903 億美元。公司及子公司安浦 鳴志、美國 AMP、美國 LIN、瑞士 T Motion、鳴志派博思均深度布局于移動機器人行業，業務覆蓋商業移動機器人、AGV、AMR 等。發布首款運動控制器產品，進一步完善產品線。

　　公司通過增強對海外子公司的 一體化建設和賦能，發揮海外研發機構美國 AMP、瑞士 T Motion 的技術研發優 勢，強化產品的研發及技術迭代，進一步完善了步進系統、步進伺服系統、伺服系 統和通用無刷驅動系統等平臺化產品線。公司在 2021 年發布了公司的第一款運 動控制器產品，進一步拓展了公司在運動控制領域的產品平臺的外延和夯實了公 司運動控制解決方案級供應商的實力。 編輯：黃飛