一、為什么要發(fā)展人形機(jī)器人？

中國勞動力人口數(shù)量持續(xù)下滑，美、德、日等多國具有同樣趨勢。根據(jù)國家統(tǒng)計局發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2022 年我國人口從年齡構(gòu)成看，16~59 歲的勞動年齡人口8.76 億人，占全國人口的比重為 62.0%；60 歲及以上人口 2.8 億人，占全國人口的 19.8%，其中65 歲及以上人口2.1億人，占全國人口的 14.9%。勞動年齡人口在 2011 年前后已經(jīng)達(dá)到峰值9.4 億人，之后開始負(fù)增長。十多年間，勞動年齡人口減少超過 6000 萬。世界銀行發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，美國的勞動年齡人口自2010 年開始就加速減少，日本、德國和英法意擁有同樣的人口結(jié)構(gòu)變化趨勢。

中國 65 歲以上人口比例持續(xù)增加，全球 2050 年 65 歲以上人口比例將達(dá)16%。根據(jù)《中國發(fā)展報告 2020：中國人口老齡化的發(fā)展趨勢和政策》預(yù)測，2025 年“十四五”規(guī)劃完成時，中國 65 歲及以上的老年人將超過 2.1 億，占總?cè)丝跀?shù)的約15%；2035 年和2050年時，中國65 歲及以上的老年人將達(dá)到 3.1 億和接近 3.8 億，占總?cè)丝诒壤齽t分別達(dá)到22.3%和27.9%。聯(lián)合國數(shù)據(jù)顯示，2021 年全球 65 歲及以上人口為 7.61 億，到2050 年這一數(shù)字將增加到16億，80 歲及以上的人口增長速度更快。根據(jù)《世界人口展望 2022》的數(shù)據(jù)顯示，2022年65歲以上人口占總?cè)丝诒壤秊?10%，到 2050 年將升至 16%。

中國制造業(yè)勞動力總量下降，且年輕勞動力占比快速下降。根據(jù)國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)，2015-2020年，制造企業(yè)平均用工人數(shù)由 8711 萬人下滑至 6550 萬人，遠(yuǎn)高于同期營業(yè)收入3%水平的降幅。從年齡結(jié)構(gòu)看，2015 年制造業(yè)勞動力 30 歲以下占比 28.2%，30-45 歲占比45.7%，45歲以上占比 26.2%，到了 2019 年，制造業(yè)勞動力 30 歲以下占比 21.4%，30-45 歲占比46.1%，45歲以上占比 32.4%，制造業(yè)勞動力年齡老化速度過快。 美國制造業(yè)人數(shù)下降，比例已降至歷史最低水平。根據(jù)中央財經(jīng)大學(xué)國際金融研究中心客座研究員張啟迪《重新審視美國制造業(yè)的“衰落”》，自 1939 年以來美國制造業(yè)就業(yè)人數(shù)持續(xù)增長，至 1978 年達(dá)到頂峰（1933 萬人）。2022 年美國制造業(yè)就業(yè)人數(shù)為1298 萬人，占全部就業(yè)的比重僅為 8%，處于歷史最低水平。

人力成本持續(xù)上升，機(jī)器替代人是一大趨勢。根據(jù)中國政府網(wǎng)，從2022 年第三季度全國“最缺工”的 100 個職業(yè)排行看，其中有 39 個屬于生產(chǎn)制造及有關(guān)人員，有19 個屬于專業(yè)技術(shù)人員。從缺工崗位看，主要缺的是勞動密集型行業(yè)低技能一線員工和部分專業(yè)技術(shù)人員。“在勞動年齡人口下降、勞動力供給趨緊、人工成本上升的背景下，用機(jī)器替代流水線上的簡單重復(fù)勞動是一大趨勢。”中國人民大學(xué)中國就業(yè)研究所所長曾湘泉說。根據(jù)ReshoringInstitute報告，全球 13 個國家制造業(yè)基層員工薪資中，德、美、英人均年薪超過3 萬美元，中國在人力方面已不再是低成本國家。

中國是全球最大的機(jī)器人市場，21 年全球機(jī)器人增速創(chuàng)新高。根據(jù)國際機(jī)器人聯(lián)合會（IFR）發(fā)布的《2022 年全球機(jī)器人報告》，2021 年全球工廠新安裝51.7 萬臺機(jī)器人，同比增長31%，創(chuàng)下歷史新高。全球運行中的機(jī)器人存量約為 350 萬臺，亦創(chuàng)下了新的紀(jì)錄。作為全球第一大工業(yè)機(jī)器人市場，中國 2021 年安裝量增長 51%，新安裝 26.82 萬臺。運行存量突破100萬臺大關(guān)，增長 27%。

二、為什么要是“人形”？

原因一：“人形”是最適合人類社會所有場景的形態(tài)，無需改變場景來適應(yīng)機(jī)器，一旦技術(shù)成熟可直接用于所有社會場景。根據(jù)中新網(wǎng)，在 2019 年的特斯拉AI Day，馬斯克曾表示，“TeslaBot可以執(zhí)行一些危險、重復(fù)、枯燥的任務(wù)”。他希望今后人類不想干的事統(tǒng)統(tǒng)交給特斯拉機(jī)器人來干，并推測人們可能會發(fā)掘出連他都預(yù)料不到的用途。根據(jù)證券時報，2023 年特斯拉股東大會上馬斯克表示，“未來每個人都會擁有一個人形機(jī)器人，這個市場將會超過電動車的需求，可能是百億美元級別的。如果人形機(jī)器人和人的比例是 2 比 1 左右，那么人們對機(jī)器人的需求量可能是100億乃至200億個，會遠(yuǎn)超電動車的數(shù)量。” 根據(jù)高工機(jī)器人網(wǎng)，馬斯克的思路是第一批機(jī)器人主要在B 端應(yīng)用，服務(wù)于危險、無聊、重復(fù)的工作或人們不想做的工作；第二批大規(guī)模使用的機(jī)器人，讓機(jī)器人在現(xiàn)實世界中導(dǎo)航，無需指令也能做有用的事；第三批是預(yù)計不到 10 年后，人們可以在家里使用的機(jī)器人。

原因二：恐怖谷理論下，“人形”的好感度上限遠(yuǎn)高于非人形，一旦產(chǎn)生移情效應(yīng)將顛覆作為“物”的屬性，即便作為“工具人”性能欠缺也具備商業(yè)化價值。根據(jù)百度百科，“恐怖谷理論”是 1970 年被日本機(jī)器人專家森昌弘提出，森昌弘的假設(shè)指出：由于機(jī)器人與人類在外表、動作上相似，所以人類亦會對機(jī)器人產(chǎn)生正面的情感；而當(dāng)機(jī)器人與人類的相似程度達(dá)到一個特定程度的時候，人類對他們的反應(yīng)便會突然變得極其負(fù)面和反感，哪怕機(jī)器人與人類只有一點點的差別，都會顯得非常顯眼刺目，從而整個機(jī)器人有非常僵硬恐怖的感覺，猶如面對行尸走肉；當(dāng)機(jī)器人和人類的相似度繼續(xù)上升，相當(dāng)于普通人之間的相似度的時候，人類對他們的情感反應(yīng)會再度回到正面，產(chǎn)生人類與人類之間的移情作用。

人形機(jī)器人具備滿足馬斯洛前四級需求的可能，移情效應(yīng)下ToC 端“人形”將極大提高用戶粘性。根據(jù)維基百科，馬斯洛需求層次理論構(gòu)建了人類需求的五級模型，從層次結(jié)構(gòu)的底部向上，需求分別為：生理（食物和衣服），安全（工作保障），社交需要（友誼），尊重和自我實現(xiàn)。我們認(rèn)為人形機(jī)器人至少具備滿足前四級需求的可能，這是非人形機(jī)器人所無法突破的。人類會借助一些物品來滿足各層級需求，而非物品本身滿足人類需求，但人形機(jī)器人具備本身滿足其需求的可能性。一旦與人形機(jī)器人產(chǎn)生了移情作用，率先進(jìn)入 ToC 端的意義將不僅僅是產(chǎn)品力和品牌層面的先發(fā)優(yōu)勢，還有其特定的“形象”，這將大大提高用戶粘性。

ChatGPT 成熟技術(shù)加持下，只“說”不“做”也可滿足交流、尊重等需求。根據(jù)AI 技術(shù)聚合網(wǎng)，ChatGPT 的原理是基于自回歸語言模型，它是一種基于深度學(xué)習(xí)的自然語言處理技術(shù)，可以用來生成自然語言文本。根據(jù)世界首位機(jī)器人公民、聯(lián)合國創(chuàng)新大使機(jī)器人索菲亞官方賬號，英國 Engineered Arts 公司人形機(jī)器人 Ameca 在安裝了 GPT-3 后，Ameca 變成了一個“專家”，能夠與人們聊天說地，也能快速對答各種提問。在接入 GPT-4 后，Ameca 獲得了通過表情來表達(dá)含義的能力，已具備語言、表情、動作等能力。

原因三：73855 定律下視覺傳達(dá)信息作用大，“人形”的肢體語言最符合人類認(rèn)知。我們認(rèn)為“人形”的肢體語言、神態(tài)語言最符合人類思維方式和認(rèn)知，人類無需適應(yīng)機(jī)器人，便能輕松理解機(jī)器人的動作。根據(jù)百度百科，美國心理學(xué)家 Mehrabian 研究發(fā)現(xiàn)，55%的信息通過視覺傳達(dá)的，如手勢、表情、外表、妝扮、肢體語言，38%的信息通過聽覺傳達(dá)，如說話的語調(diào)、聲音的抑揚頓挫等，而語言本身只能傳遞出 7%的信息，因此“人形”在實現(xiàn)人機(jī)交互中意義重大。例如英國Engineered Arts 公司的人形機(jī)器人 Ameca，僅通過看其表情和肢體動作，就能理解其“表達(dá)”的意思。

三、什么是具身智能？

英偉達(dá)創(chuàng)始人黃仁勛在 ITF World 2023 半導(dǎo)體大會上表示，AI 下一個浪潮將是“具身智能”，其描述的“具身智能”是指能夠理解、推理并與物理世界互動的智能系統(tǒng)，包括機(jī)器人技術(shù)、自動駕駛汽車，甚至是聊天機(jī)器人，它們會更聰明，因為它們能了解物理世界。根據(jù)上海交大教授盧策吾在機(jī)器之心 AI 科技年會上，發(fā)表了主題演講——《具身智能》，具身智能是智能科學(xué)的一個基礎(chǔ)問題，是指具有身體體驗的智能。從認(rèn)知角度看，人類是第一人稱視角的智能，但給機(jī)器喂很多數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，屬于第三人稱的智能，比如給機(jī)器很多盒子，并且標(biāo)注這就是盒子，然后機(jī)器就會知道這種模式是盒子，但機(jī)器并不是通過體驗知道這是盒子的。

根據(jù)《具身智能》，主動貓是具身智能，旁觀貓是旁觀智能。1963 年的一個實驗?zāi)芤欢ǔ潭日故緝烧叩膮^(qū)別，一只貓被綁起來，只能看這個世界，與其連接的另一只貓則可以主動去走。被動的貓是一種旁觀的智能，而主動的貓是具身的智能，實驗的最后，主動體驗的貓學(xué)會了正常行走，但旁觀的貓并沒能獲得行走能力。

具身智能涉及多學(xué)科，是系統(tǒng)性工程。上海交通大學(xué)盧策吾教授在機(jī)器之心AI 科技年會上發(fā)表主題演講《具身智能》提到 1950 年圖靈在他的論文《Computing Machinery andIntelligence》中首次提出了具身智能的概念，概念提出了幾十年了直到近幾年才比較熱門，原因是它涉及到眾多的學(xué)科，當(dāng)時很多學(xué)科都不是很成熟。硬件、軟件還有各種觸覺傳感器也不夠成熟。而到了今天，各個學(xué)科都可以聚到一起來做這么一個宏大的系統(tǒng)。在這樣的情況下，我們才有可能推動這個方向進(jìn)一步發(fā)展。

根據(jù)《具身智能》，具身智能包括 3 個模塊：具身感知、具身想象和具身執(zhí)行，AI+機(jī)器人正是“具身智能”當(dāng)前的落點。工業(yè)機(jī)器人主要根據(jù)控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號控制機(jī)器人主體完成任務(wù)，主要依賴于機(jī)器人的執(zhí)行層。與工業(yè)機(jī)器人不同，具身智能機(jī)器人若能像人一樣與環(huán)境交互、感知、決策、完成任務(wù)，將不得不提升感知層和認(rèn)知層的能力。盧策吾教授提出PIE方案，認(rèn)為具身智能包括 3 個模塊：具身感知（Perception）、具身想象（Imagination）和具身執(zhí)行（Execution），有望加速推動具身智能落地。目前看來，AI+機(jī)器人或許正是“具身智能”當(dāng)前的落點。

四、什么是 Robot GPT？

ChatGPT 為人工智能提供了語言載體，人形機(jī)器人將提供物質(zhì)載體，實現(xiàn)人工智能從“想到”“說到”到“做到”的跨越。根據(jù)鈦媒體，全球首家 5G 云端智能機(jī)器人運營商達(dá)闥機(jī)器人公司即將推出首個機(jī)器人制造領(lǐng)域的多模態(tài)認(rèn)知大模型，名為 RobotGPT。其創(chuàng)始人、CEO黃曉慶表示，如果把谷歌 DeepMind 推出的“阿爾法狗”（AlphaGo）當(dāng)作人工智能的原子彈的話，ChatGPT是AI領(lǐng)域的氫彈，作為“兩彈一星”的星，云端智能機(jī)器人則是人工智能時代的運載火箭，人工智能的載體，將成為第四次工業(yè)革命的最重要標(biāo)志。

ChatGPT 本質(zhì)是文字接龍，基于 ChatGPT 模型思路可構(gòu)建RobotGPT框架。根據(jù)斯坦福大學(xué) 2023 年最新論文《RobotGPT: From ChatGPT to Robot Intelligence》，基于和ChatGPT類似的工作原理構(gòu)建了 RobotGPT 的框架。根據(jù) Open AI 官方對 ChatGPT 原理介紹，ChatGPT是在GPT （Generative Pre-training Transformer）模型的基礎(chǔ)上通過改進(jìn)優(yōu)化得到的。GPT是一種大型語言模型，能夠生成各種不同的文本類型。GPT 模型思路是讓AI 在通用的、海量的數(shù)據(jù)上學(xué)習(xí)文字接龍，即掌握基于前文內(nèi)容生成后續(xù)文本的能力。然后人類引導(dǎo)接龍方向即有監(jiān)督訓(xùn)練初始模型，對特定問題告訴 AI 人類認(rèn)可的答案。

Reward 模型進(jìn)行強化學(xué)習(xí)，進(jìn)一步優(yōu)化 ChatGPT 的輸出質(zhì)量。根據(jù)OpenAI 官方對ChatGPT 原理介紹，第二步訓(xùn)練 Reward 模型，人的時間精力有限，但AI 的精力是無限的，研究人員讓 GPT 對特定問題給出多個答案，由人類來對這些答案的好壞做排序，基于這些評價數(shù)據(jù)，研究人員訓(xùn)練了一個符合人類評價標(biāo)準(zhǔn)的 Reward 模型。第三步基于reward 模型使用PPO強化學(xué)習(xí)優(yōu)化 GPT 模型，即 AI 基于評分去調(diào)整參數(shù)以便在下次問答中獲得更高分。

RobotGPT 的原理可理解為由 ChatGPT 的文字-文字接龍，變?yōu)榱宋淖?語言/各類傳感器接收的信號-動作接龍。根據(jù)《RobotGPT: From ChatGPT to Robot Intelligence》，人的八大智能包括語言智能、數(shù)學(xué)邏輯智能、空間智能、人際智能、內(nèi)省智能、音樂智能、身體運動智能、自然認(rèn)知智能，機(jī)器人實現(xiàn)不同的智能需配備不同傳感器、自然語言處理能力和人工智能算法。在設(shè)計的RobotGPT 框架圖，思路類似于 ChatGPT，同樣是通過深度學(xué)習(xí)和強化學(xué)習(xí)構(gòu)建端對端AI 大模型。

目前 ChatGPT 是單模態(tài)，RobotGPT 需要多模態(tài)模型。達(dá)闥機(jī)器人公司 CEO 黃曉慶表示，ChatGPT 的出現(xiàn)，恰恰證明機(jī)器人需要一個云端大腦。因為ChatGPT是不可能裝在一個小小的計算機(jī)里的，它必須裝在一個云里面，變成個云服務(wù)。ChatGPT目前本身是單模態(tài)的，所以它無法支持機(jī)器人。而基于多模態(tài)的人工智能大模型要能夠支持多模態(tài)，文字、語言、視覺、運動都要支持，這就是我們在做的 RobotGPT。

五、表情最像人的 Ameca 是怎么做到的？

Ameca 機(jī)器人具備互動、感知等功能，表情豐富度高。Ameca被Engineered Arts 描述為“世界上最先進(jìn)的人形機(jī)器人”，于 2021 年12 月亮相，并于去年8月獲得了逼真的面部表情。Engineered Arts 使用了 ChatGPT-3 進(jìn)行對話和翻譯，使用DeepL進(jìn)行語言識別，并使用 Amazon Polly Neural voices 實現(xiàn)其說話功能。

Ameca 僅面部就有 45 個電機(jī)，底層技術(shù)是 Mesmer+ Tritium。Ameca重 49kg，臂展 1.8 米，高 1.87 米，身體共有 52 個模塊，支持 51 種關(guān)節(jié)運動。僅面部就有45個電機(jī)，其中眼睛就有 8 個電機(jī)對其進(jìn)行控制，眉毛有 4 個電機(jī)，嘴巴則有2 個電機(jī)。這樣它就能完成相當(dāng)復(fù)雜的面部表情。除此之外，它的眼睛和胸前都內(nèi)置攝像機(jī)，可以通過人臉識別辨認(rèn)出2米內(nèi)的人類。它還能通過耳朵聆聽人的聲音，與人互動。做出逼真的表情的關(guān)鍵就是Ameca結(jié)合了AI與AB（Artificial Body）技術(shù)，而這底層系統(tǒng)是機(jī)器人操作系統(tǒng) Tritium 和工程藝術(shù)系統(tǒng)Mesmer。

Mesmer 系統(tǒng)構(gòu)建表情模型，Tritium 系統(tǒng)驅(qū)動硬件。Mesmer 是一個用于建造仿真人形機(jī)器人的系統(tǒng)，通過 36 個攝像機(jī)對人體進(jìn)行 360 度的3D 掃描后，包括人類的骨骼結(jié)構(gòu)、皮膚紋理和表情，為 Ameca 提供大量的真人表情數(shù)據(jù)，最終通過立體光刻3D打印機(jī)制作精確模具。Tritium 機(jī)器人操作系統(tǒng)被稱為“為金屬注入生命的魔法”，該系統(tǒng)可以從硬件平臺運行硬件組件，因此 Ameca 的手臂、軀干和頭才能運動自如，也是實現(xiàn)表情管理的基礎(chǔ)，因為它連接了軟件，硬件和云端，可以驅(qū)動硬件的每一個組成部分。

六、人形機(jī)器人商業(yè)化前景幾何？

具有極強通用性的人形機(jī)器人將是機(jī)器人界的 iPhone，滲透率達(dá)到10%將進(jìn)入加速期。根據(jù)南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系教授、鵬城學(xué)者特聘教授張巍2022 年接受真故研究室采訪時表示，整個機(jī)器人發(fā)展的趨勢，本質(zhì)上是從專機(jī)到逐漸通用的過程。只是傳信息的話iPhone的性價比遠(yuǎn)不如 BB 機(jī)，但當(dāng)其可以支持多項功能之后，就會快速重塑整個行業(yè)。當(dāng)人形機(jī)器人能完成多項任務(wù)后，他的商業(yè)拐點會出現(xiàn)，最關(guān)鍵的是以后無論加多少 App 它的基本形態(tài)都不用變。美國著名分析師 Harry S. Dent, Jr 認(rèn)為一項新技術(shù)或者一個新興產(chǎn)業(yè)，滲透率達(dá)到10%之前被稱之為導(dǎo)入期，發(fā)展緩慢；超過 10%的閾值后，將步入高速成長期。

類比自動駕駛，通用機(jī)器人不需要完全通用才有商業(yè)價值，商業(yè)化可能未來兩三年實現(xiàn)。根據(jù)張巍教授采訪中表示，通用只是一個終極產(chǎn)品形態(tài)，只要不斷地在上面加功能。第一個功能不夠，它的性價比比不過專機(jī)，那就加第二個功能，逐漸地就比兩個專機(jī)要劃算。人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化并不需要足式機(jī)器人在實現(xiàn)超能之后才能開始，這個節(jié)點可能在未來兩三年就可以實現(xiàn)。類比自動駕駛，現(xiàn)在也還沒有真正地落地，但是自動駕駛的研究和商業(yè)探索已經(jīng)延展了很多，甚至開始顛覆整個汽車行業(yè)。手機(jī)是個人通訊娛樂的通用終端，智能汽車是未來人們在結(jié)構(gòu)化道路上的通用終端，人形機(jī)器人將會是面向各類非結(jié)構(gòu)化場景時連接數(shù)字世界與物理世界的通用終端。

美國最低時薪 7.25 美元，特斯拉機(jī)器人 2 萬美元價格可接受度高。根據(jù)美國聯(lián)邦法律的規(guī)定，目前美國境內(nèi)的最低時薪為每小時 7.25 美元。2021 年美國眾議院通過了《提高工資法案》將設(shè)定時薪 15 美元的最低標(biāo)準(zhǔn)，自 2021 年 1 月一直在國會等待審議。按最低的7.25 美元計算，特斯拉機(jī)器人只要實現(xiàn)替代最基礎(chǔ)的崗位，每天工作8 小時，按法定工作日一年工作 260 天，相當(dāng)于雇主節(jié)省了 1.5 萬美元人力成本。根據(jù)華爾街見聞，2022 年特斯拉AI DAY馬斯克表示，預(yù)計 Optimus 量產(chǎn)后價格在 2 萬美元以內(nèi)，若按 2 萬美元計算，Optimus 僅使用1.3年便可覆蓋成本。

麥肯錫指出到 2030 年保守估計 4 億人將被機(jī)器人取代。麥肯錫2017 年發(fā)布的《失業(yè)與就業(yè)：自動化時代的勞動力轉(zhuǎn)型》報告指出，全球最高達(dá) 50%的工作是可以被機(jī)器人取代的；有六成的工作崗位，其 30%的工作量可以由機(jī)器代勞。稱到 2030 年，全球?qū)⒂卸噙_(dá)8 億人的工作崗位可能被自動化的機(jī)器人取代，即使機(jī)器人的崛起速度不那么快，保守估計仍有4 億人工作被替代。根據(jù)高工機(jī)器人網(wǎng)，弗若斯特沙利文預(yù)測，到 2026 年全球人形機(jī)器人市場規(guī)模將達(dá)到80億美元；高盛預(yù)計到 2035 年，在藍(lán)海市場情景下，人形機(jī)器人市場能夠達(dá)到1540 億美元的規(guī)模。

工業(yè)、商業(yè)、家用三大場景，人形機(jī)器人將率先在工業(yè)和商業(yè)實現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用。我們認(rèn)為工廠物料裝配相對結(jié)構(gòu)化，在封閉環(huán)境下且任務(wù)單一。商用領(lǐng)域可實現(xiàn)體驗增強、數(shù)據(jù)收集以及流量轉(zhuǎn)化等功能。而家用場景對人機(jī)交互需求和價格敏感性都相對更高。2018年國內(nèi)優(yōu)必選的 2150 臺克魯澤（Cruzr）機(jī)器人在居然之家上崗。顧客可以詢問有關(guān)店鋪的所有問題，如品牌介紹、最新產(chǎn)品、促銷優(yōu)惠、會員權(quán)益等。根據(jù)億歐智庫，優(yōu)必選副總裁胡佳文對億歐表示，“克魯澤記得你的偏好，習(xí)慣，每一次來消費的情景等。”體驗增強、數(shù)據(jù)收集以及流量轉(zhuǎn)化三類，商業(yè)場景中的服務(wù)機(jī)器人恰好是能將這三種功能同時實現(xiàn)的載體。

“一老一小”市場將成剛需，機(jī)器人替換萬億家政市場場景明確。根據(jù)艾媒咨詢數(shù)據(jù)顯示，2021 年中國出生人口數(shù)量為 1062 萬人，65 歲及以上人口數(shù)量超過兩億，“一老一小”成為家政服務(wù)的主要對象。2015 年至 2020 年中國家政服務(wù)業(yè)市場規(guī)模逐年穩(wěn)步增長，2020年達(dá)到8782億元，同比增長約 26.0%。而 2021 年該數(shù)據(jù)已增至 1.0149 萬億元。國內(nèi)人形機(jī)器人公司優(yōu)必選健康事業(yè)部高級技術(shù)總監(jiān)張呈昆在接受界面新聞專訪時表示，公司目前主攻的兩大業(yè)務(wù)板塊是“一老一小”。“一老”指的是針對老年人的智慧康養(yǎng)行業(yè)，“一小”則主要指人工智能教育，研發(fā)了涵蓋學(xué)前、小學(xué)、初中、高中、高職校的貫通式人工智能教育解決方案。

中國發(fā)展人形機(jī)器人具備成本、場景和產(chǎn)業(yè)鏈三大優(yōu)勢。根據(jù)南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系教授、鵬城學(xué)者特聘教授張巍 2022 年接受真故研究室采訪，我們認(rèn)為中國人形機(jī)器人具備三大優(yōu)勢，第一是成本優(yōu)勢，由于成熟產(chǎn)業(yè)鏈與相對低的人工成本，足式機(jī)器人硬件成本上國內(nèi)有巨大的優(yōu)勢。第二是場景優(yōu)勢，機(jī)器人發(fā)展的整個產(chǎn)業(yè)鏈以及落地場景都能在中國找到。無論是ToC還是 ToB 的場景，國內(nèi)的豐富度都是國外的幾十上百倍。第三是產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢，“中國擁有世界上規(guī)模最大、門類最全、配套最完備的產(chǎn)業(yè)鏈體系，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)已基本形成了從零部件到整機(jī)再到集成應(yīng)用的全產(chǎn)業(yè)鏈體系，這種優(yōu)勢不僅沒有國家能夠替代，還會伴隨著產(chǎn)業(yè)更替日益完善。”優(yōu)必選科技首席技術(shù)官熊友軍表示。

七、人形機(jī)器人量產(chǎn)還有多遠(yuǎn)？

摩爾定律將線性增長變?yōu)橹笖?shù)級，2022 年已達(dá)到“棋盤的后一半”。根據(jù)科學(xué)網(wǎng)，在過去大多數(shù)時間里，科技和產(chǎn)品進(jìn)步是線性的，而第四次工業(yè)革命呈現(xiàn)出指數(shù)級而非線性的發(fā)展速度。人類長期習(xí)慣于線性的思維方式，而難以適應(yīng)“指數(shù)級”思維模式。21 年12 月中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、長三角科技戰(zhàn)略前沿研究中心主任陳曉劍表示，真正讓人類第一次認(rèn)識到科技是可以呈指數(shù)發(fā)展的是摩爾定律，它指出計算能力每兩年將增加一倍。古印度舍罕王故事中“棋盤的后一半”就是摩爾定律的比喻，指的是越到后面指數(shù)增長速度越快。如果從1958 年半導(dǎo)體的發(fā)明開始計算，那么 2022 年我們處在第 32 個格子上——正好到達(dá)“棋盤的后一半”，創(chuàng)新的加速和變革的規(guī)模將迎來新的拐點和引爆點，正是驚喜出現(xiàn)的好時機(jī)。22 年 11 月發(fā)布的Chat GPT，開啟了人工智能時代的起點。

當(dāng)前人形機(jī)器人處于技術(shù)成熟度曲線第一階段，但進(jìn)步速度將是指數(shù)級的。根據(jù)百度百科，技術(shù)成熟度曲線誕生于硅谷，又叫技術(shù)循環(huán)曲線、炒作周期，是指新技術(shù)、新概念在媒體上曝光度隨時間的變化曲線。美國 Gartner 公司將其分為 5 個階段：科技誕生的促動期、過高期望的峰值、泡沫化的底谷期、穩(wěn)步爬升的光明期、實質(zhì)生產(chǎn)的高峰期。

萊特定律下“具身”的制造成本能夠迅速下降。根據(jù)維科網(wǎng)，萊特定律是制造業(yè)的規(guī)模效應(yīng)的體現(xiàn)，意思是產(chǎn)量每擴(kuò)大一倍，成本就會降低 15%左右。美國的福特T 型車從1909年到1923年的產(chǎn)量和價格變化曲線就完美詮釋了萊特定律。產(chǎn)量從一到十的過程中，生產(chǎn)成本會有三次15%左右的降低，最終生產(chǎn)成本會降到原來的 60%左右。再加上零配件成本，也會因產(chǎn)量提升而降低，產(chǎn)業(yè)集群還可以進(jìn)一步降低成本。

國外多家科技公司下注人形機(jī)器人賽道，根據(jù)中國國家郵政局官網(wǎng)，亞馬遜投資物流機(jī)器人公司 Agility Robotics，機(jī)器人預(yù)計 24 年開始交付，25 年全面上市。22 年4 月物流倉儲機(jī)器人制造商 Agility Robotics 完成 1.5 億美元的 B 輪融資，由 DCVC 和“安卓之父”Andy Rubin創(chuàng)建的Playground Global 領(lǐng)投，亞馬遜產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新基金參投。DCVC 聯(lián)合管理合伙人Matt Ocko表示，勞動力短缺會導(dǎo)致供應(yīng)鏈遭到破壞，Agility 解決的是企業(yè)勞動力短缺的問題，將人們從重復(fù)或不愉快的工作中解放出來。Agility Robotics 研發(fā)的機(jī)器人 Digit 專門用于在倉庫和配送中心執(zhí)行任務(wù)。根據(jù)維科網(wǎng)，Agility 計劃在 2024 年初向其合作伙伴提供首先雙足運送機(jī)器人解決方案，并然后在次年全面上市。

OpenAI 領(lǐng)投 1X Technologies 公司，機(jī)器人已實現(xiàn)拿捏物品、輕松開門、自主導(dǎo)航和避障等功能。根據(jù)華爾街見聞，當(dāng)?shù)貢r間 3 月 23 日，挪威人形機(jī)器人公司1X Technologies（前稱為Halodi Robotics）宣布在 OpenAI 領(lǐng)投，老虎環(huán)球和挪威投資者財團(tuán)跟投的A2 輪融資中籌集了2350萬美元，1X 計劃用這筆資金來加大力度研發(fā)雙足機(jī)器人模型 NEO，以及在挪威和北美量產(chǎn)其首款商用機(jī)器人 EVE。根據(jù)澎湃科技，1X 近期 Technologies 發(fā)布了一段視頻，NEO機(jī)器人能夠伸出手指拿捏物品、輕松開門、自主導(dǎo)航和避障等。與其他需要減速才能正常運行的機(jī)器人不同，1XTechnologies 的機(jī)器人可以以 1 倍速度運行，即與人類的速度相當(dāng)。

AI 人形機(jī)器人初創(chuàng)公司完成 A 輪融資，正在推出“世界上第一個商業(yè)上可行的通用人形機(jī)器人”。AI 人形機(jī)器人初創(chuàng)公司 Figure 在5 月25 日宣布完成了7000萬美金的 A 輪融資，此前，F(xiàn)igure 稱正在推出“世界上第一個商業(yè)上可行的通用人形機(jī)器人”，名為“Figure01”。目前 Figure 正在設(shè)計一個完全機(jī)電化的人形機(jī)器人，擁有雙手。按照其模型規(guī)劃，最終的機(jī)器人將是全電動的，高 1.6 米，重 60 公斤，有效載荷為 20 公斤，充電后可運行5小時。

英偉達(dá)發(fā)布專為機(jī)器人開發(fā)打造的平臺 Isaac，大幅降低機(jī)器人開發(fā)難度。近日英偉達(dá)發(fā)布了專為機(jī)器人開發(fā)打造的平臺 Isaac，平臺包括軟件、硬件、一個虛擬世界的機(jī)器人模擬器。工業(yè)和商用機(jī)器人的開發(fā)過程相當(dāng)復(fù)雜，時間長，挑戰(zhàn)大，成本高。在許多用例和場景中，缺乏結(jié)構(gòu)化的環(huán)境也很普遍。NVIDIA Isaac 機(jī)器人開發(fā)平臺采用端到端解決方案，可幫助降低成本、簡化開發(fā)流程并加速產(chǎn)品上市。

今年以來，國內(nèi)密集發(fā)布人形機(jī)器人相關(guān)政策。2023 年1 月，工信部等17部門聯(lián)合印發(fā)《“機(jī)器人+”應(yīng)用行動實施方案》，提出到 2025 年，制造業(yè)機(jī)器人密度較2020 年實現(xiàn)翻番，服務(wù)機(jī)器人、特種機(jī)器人行業(yè)應(yīng)用深度和廣度顯著提升。根據(jù)北京、山東、深圳人民政府官網(wǎng)，4月20日，北京市提出加緊布局人形機(jī)器人整機(jī)，對標(biāo)緊跟國際領(lǐng)先機(jī)器人產(chǎn)品，按工程化思路布局北京人形機(jī)器人整機(jī)及相關(guān)核心產(chǎn)品。4 月 29 日，山東省提出加快布局人形機(jī)器人等多項前沿領(lǐng)域。5月 31 日，深圳市提出開展通用型具身智能機(jī)器人的研發(fā)和應(yīng)用，加快組建廣東省人形機(jī)器人制造業(yè)創(chuàng)新中心，發(fā)揮粵港澳大灣區(qū)制造業(yè)優(yōu)勢，開展人形機(jī)器人規(guī)模化應(yīng)用。

八、為什么特斯拉 Optimus 有望率先量產(chǎn)？

（一）特斯拉 Optimus 具備哪些優(yōu)勢？

我們總結(jié)了特斯拉人形機(jī)器人主要具備以下幾個優(yōu)勢：1）外形：根據(jù)特斯拉22年AI DAY展示，首先從外形上擎天柱身高 173cm，體重 73kg，符合“人形”。2）價格：根據(jù)華爾街見聞，2022年特斯拉 AI DAY 馬斯克表示，預(yù)計 Optimus 量產(chǎn)后價格在 2 萬美元以內(nèi)。我們認(rèn)為如果在部分環(huán)節(jié)完全替代人工，這個價格對于工業(yè)和商業(yè)場景具備吸引力。3）商業(yè)定位準(zhǔn)確：特斯拉的擎天柱從最初的定位就符合 PMF（Product / Market Fit）理論，這在成本端和設(shè)計理念已經(jīng)體現(xiàn)。4）生態(tài)：特斯拉生態(tài)下，沖壓機(jī)、FSD 自動駕駛系統(tǒng)、Dojo 計算機(jī)、D1 芯片，為機(jī)器人提供了有利條件。5）已有水平和發(fā)展速度：已具備的能力和發(fā)展速度優(yōu)勢，從 21 年概念圖到23 年5 月能夠完成復(fù)雜任務(wù)的完整機(jī)器人，僅一年半便完成了迭代。 相比之下，以當(dāng)前運動性能最優(yōu)的波士頓動力 Atlas 機(jī)器人為例，Atlas 售價大約在 200 萬美元，如此高昂的價格，注定無法在 C 端大面積鋪開，而B端用戶對于成本與價格的考量往往比 C 端用戶更加理性且嚴(yán)格。波士頓動力公司在Atlas 的整個開發(fā)過程中一直明確表示，其人形機(jī)器人純粹用于研發(fā)目的。

我們認(rèn)為，從特斯拉人工智能生態(tài)的角度來看待，汽車、機(jī)器人和自動駕駛、DOJO超級計算機(jī)可以形成閉環(huán)，DOJO 和自動駕駛系統(tǒng)充當(dāng)“大腦”，汽車和機(jī)器人則在物理空間中拓展認(rèn)知，再反過來訓(xùn)練“大腦”。 根據(jù)我們總結(jié)，特斯拉生態(tài)具備：1）特斯拉制造汽車時引進(jìn)了全球最大的壓鑄機(jī)，人形機(jī)器人有上千個零部件，未來也可能通過一體化的方式加快生產(chǎn)制造。2）純視覺方案，可直接嫁接FSD 系統(tǒng)。Optimus 采用了跟特斯拉電動車相同的感知與計算單元，其中包括自研的芯片，以及三個自動輔助駕駛攝像頭。3）Dojo 計算機(jī)訓(xùn)練 AI 模型。dojo 是特斯拉開發(fā)的一臺超級強大的訓(xùn)練計算機(jī)，目標(biāo)是接收大量圖像和視頻數(shù)據(jù)，并在無人監(jiān)督的情況下自行學(xué)習(xí)。4）D1是特斯拉自主研發(fā)的 AI 訓(xùn)練芯片，相比于業(yè)內(nèi)其他芯片，同成本下性能提升4 倍，同能耗下性能提高 1.3 倍，占用空間節(jié)省 5 倍。目前 dojo 已用上自研 D1 芯片。5）商業(yè)模式上可直接延續(xù)電動車的“硬+軟”收費模式。

21 年概念機(jī)到 22 年原型機(jī)再到 23 年 5 月完整機(jī)，Optimus 已經(jīng)可以“自己造自己”了。根據(jù)特斯拉 2022 年 AI DAY 和 2023 年股東大會直播顯示，22 年10 月Optimus 首次亮相無法自主行走需要人攙扶，23 年股東大會展示視頻中 Optimus 已經(jīng)可以在車間靈活行走、抓取物體，已經(jīng)擁有環(huán)境探索與記憶、電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制能力、基于人類跟蹤運動的 AI 訓(xùn)練以及物體操縱能力，且已打通了 FSD 底層模塊，實現(xiàn)了一定程度的算法復(fù)用。2022 年馬斯克接受采訪時說道,機(jī)器人“擎天柱”預(yù)計明年底開始交付,目標(biāo)量是 23 年 10 萬臺、24 年50 萬臺、25年100萬臺。2023 年 3 月馬斯克表示，特斯拉機(jī)器人已經(jīng)可以“自己造自己”了。

最新展示中 Optimus 電機(jī)可精準(zhǔn)控制不打破雞蛋，已經(jīng)可以完成物品分揀的復(fù)雜工作。根據(jù)特斯拉最新在 23 年股東大會上發(fā)布的視頻顯示，Optimus 完成了一系列復(fù)雜任務(wù)如電機(jī)扭矩控制，力度控制更精確、環(huán)境探測與記憶等。例如特斯拉展示了 Optimus 電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的能力，能做到精準(zhǔn)控制力道不打碎雞蛋。此外，Optimus 也展示了其基于端到端AI 學(xué)習(xí)人類行為的過程，對物體進(jìn)行分類擺放等，還展示了其從一個容器中拾取物體并將它放入第二個容器中。

（二）特斯拉 Optimus 硬件拆解

機(jī)器人四大核心組件：傳感系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)。根據(jù)優(yōu)必選研究院，機(jī)器人主要由機(jī)械部分、控制部分和傳感部分組成，其中機(jī)械部分是其它部分的重要基礎(chǔ)。機(jī)械部分按系統(tǒng)分包括驅(qū)動系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)。人形機(jī)器人有 4 大核心組件，分別是傳感系統(tǒng)（對應(yīng)五官）、控制系統(tǒng)（對應(yīng)大腦）、執(zhí)行機(jī)構(gòu)（對應(yīng)四肢）和驅(qū)動系統(tǒng)（對應(yīng)關(guān)節(jié)組織）。

根據(jù) 2023 年特斯拉股東大會直播顯示，Optimus 視覺方面采用攝像頭純視覺方案，能量方面采用 2.3KWh 電池，可待機(jī) 20 小時，支持工作全天。特斯拉最新亮相的機(jī)器人身高173cm左右，體重 73kg，采用了三個攝像頭，兩個常規(guī)的攝像頭分布在左右耳朵的位置，一個魚眼相機(jī)分布在最前方，延續(xù)了電動車的純視覺方案。大腦采用 Tesla SoC 可以進(jìn)行視覺信息處理，動作決策、以及語音交流。電池部分采用了一塊 2.3 kWh 的電池，電池包內(nèi)帶有充放電及電源管理芯片，可持續(xù)待機(jī) 20 小時，能支持機(jī)器人工作一整天。

特斯拉對機(jī)器人做了損害控制，保證位于胸腔的電池在機(jī)器人跌倒是不會爆炸。還對全身的結(jié)構(gòu)件都做了相應(yīng)的受力分析，出于成本考慮，為了適應(yīng)量產(chǎn)沒有選用重量輕、性能好的碳纖維復(fù)合材料，而是采用鋁合金。特斯拉在汽車上有成熟的高壓鑄造鋁合金的經(jīng)驗，在材料端對于機(jī)器人將來量產(chǎn)有較大幫助。

整機(jī)構(gòu)型是大型仿人機(jī)器人機(jī)械部分的關(guān)鍵點之一，它與關(guān)節(jié)的數(shù)量及布置方式緊密相關(guān)。根據(jù)優(yōu)必選研究院，人體有 206 塊骨頭，大的關(guān)節(jié)有 78 個，有六種類型關(guān)節(jié)。一般大型仿人機(jī)器人關(guān)節(jié)有 15-70 個，關(guān)節(jié)類型有三種，旋轉(zhuǎn)（水平方向旋轉(zhuǎn)）、偏移（垂直方向上下移動）、滑動（水平方向線性移動）。

特斯拉機(jī)器人軀干共有 28 個關(guān)節(jié)，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和直線關(guān)節(jié)各14 個，每個關(guān)節(jié)對應(yīng)一個執(zhí)行器，手部共 12 個執(zhí)行器。根據(jù) 2023 年特斯拉股東大會直播顯示，我們對28 個執(zhí)行器位置和數(shù)量進(jìn)行預(yù)計，28 個執(zhí)行器分別為肩關(guān)節(jié)（單側(cè)三自由度旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)）6 個，肘關(guān)節(jié)（單側(cè)直線關(guān)節(jié)）2個，腕部關(guān)節(jié)（單側(cè) 2 個直線+1 個旋轉(zhuǎn)）6 個，腰部（二自由度旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)）2 個，髖關(guān)節(jié)（單側(cè)1個直線+2 個旋轉(zhuǎn)）6 個，膝蓋（單側(cè) 1 直線關(guān)節(jié)）2 個，踝部（單側(cè)二自由度直線關(guān)節(jié)）4個。每個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)用到一個諧波減速器，手部單手有 6 個執(zhí)行器，11 個自由度，拇指方面由兩個電機(jī)驅(qū)動，驅(qū)動拇指的空心杯電機(jī)均橫置在手掌內(nèi)，其他手指各一個。能拿起約9 公斤重物體，可以使用工具，實現(xiàn)精準(zhǔn)抓取小部件。

通過仿真模擬，考慮成本和重量兩個因素，選出每個關(guān)節(jié)執(zhí)行器最優(yōu)解。根據(jù)2023年特斯拉股東大會直播顯示，在設(shè)計關(guān)節(jié)驅(qū)動器時，最重要的事情就是確定驅(qū)動器的工作范圍。首先對于機(jī)器人的工況做了假設(shè)，針對這些工況進(jìn)行了仿真，在仿真中模擬出了機(jī)器人在各種情景下關(guān)節(jié)的輸出力矩。之后將輸出力矩投影到了關(guān)節(jié)驅(qū)動器的效率圖中，采用的是市面上可以買的標(biāo)準(zhǔn)品電機(jī)+減速機(jī)，之后根據(jù)不同的電機(jī)和不同減速比減速器組合，最終組合出十幾萬種結(jié)果，紅色的曲線就是系統(tǒng)成本和重量的最優(yōu)曲線，再選出最合適的電機(jī)與減速比方案。之后將全身所有關(guān)節(jié)都做這樣的分析，可以得到全身關(guān)節(jié)的最優(yōu)組合。

從局部最優(yōu)進(jìn)一步到整體最優(yōu)，28 個軀干關(guān)節(jié)最終選出6 款執(zhí)行器。為了降低生產(chǎn)成本，對執(zhí)行器數(shù)量進(jìn)行了精簡，即從局部的成本與重量最優(yōu)，到全身的成本與重量最優(yōu)。最終特斯拉選擇出了三款旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，三款直線關(guān)節(jié)，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的扭矩為 20、110、180Nm，直線關(guān)節(jié)的推力為500、3900、8000N。

在高速端，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)采用內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)+角接觸軸承，并配有一個剎車裝置，直線關(guān)節(jié)部分采用了內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)和普通的球軸承。在低速端，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)采用了諧波減速機(jī)，并配有交叉滾子軸承，直線關(guān)節(jié)部分采用了行星滾柱絲桿，相比于傳統(tǒng)的滾珠絲桿，可以承受更大的負(fù)載。在傳感器方面，關(guān)節(jié)在高速端和低速端都配備了位置傳感器以及力和力矩傳感器。

伺服電機(jī)、減速機(jī)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動器與機(jī)器視覺等重要零部件占據(jù)人形機(jī)器人成本超過 70%。根據(jù)高工機(jī)器人網(wǎng)，人形機(jī)器人整體的自由度/關(guān)節(jié)數(shù)量通常為20個至 50 個，一個自由度對應(yīng)一臺伺服電機(jī)，國外電機(jī)價格通常為5000 至6000 元，甚至上萬元，國產(chǎn)電機(jī)價格也在 2000 元以上。

根據(jù)優(yōu)必選研究院，伺服驅(qū)動器工作原理：要實現(xiàn)機(jī)器人的精準(zhǔn)運動，每個關(guān)節(jié)需要能產(chǎn)生精確的輸出位置和力矩。每個舵機(jī)在接收到位置指令后，可以實時響應(yīng)命令，多個舵機(jī)協(xié)調(diào)運行，就可以產(chǎn)生猶如人類一般靈活的運動。大型伺服驅(qū)動器有三種類型，分別為常規(guī)伺服驅(qū)動器、SEA伺服驅(qū)動器、本體伺服驅(qū)動器。常規(guī)伺服驅(qū)動器主要由力矩電機(jī)、諧波減速器、電機(jī)編碼器、輸出編碼器、驅(qū)動板、制動器組成。

以特斯拉關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)來看，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和直線關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)類似，我們總結(jié)主要區(qū)別有三點：1）減速裝置：旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)用的是諧波減速器，直線關(guān)節(jié)為滾柱絲杠。2）低速端傳感器：旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)用的是角度編碼器，直線關(guān)節(jié)是位置編碼器。3）力傳感器：旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)輸出端由于是旋轉(zhuǎn)運動，用的是力矩傳感器，直線關(guān)節(jié)輸出端是直線運動，用的是力傳感器。

根據(jù)對人形機(jī)器人研究，我們認(rèn)為在關(guān)節(jié)構(gòu)成中，價值量最高、技術(shù)壁壘最高的兩個環(huán)節(jié)是諧波減速器和無框力矩電機(jī)。 諧波減速器具備高精度、輕量化、小型化等優(yōu)勢，人形機(jī)器人通常采用諧波減速器。根據(jù)優(yōu)必選研究院，減速器是一種動力傳達(dá)機(jī)構(gòu)，主要起著降低電機(jī)轉(zhuǎn)速、提升扭矩的作用。仿人機(jī)器人常用減速器有精密行星減速器、諧波減速器、擺線減速器三種，回差是仿人機(jī)器人用精密減速器的關(guān)鍵性能指標(biāo)之一，一般來說回差越小精度越高，諧波減速器滿足高精度、小型化、輕量化、大減速比等特性，人形機(jī)器人一般采用諧波減速器。

機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)核心指標(biāo)是功率密度，無框力矩電機(jī)由于體積小、重量輕，可滿足高功率密度要求。根據(jù)《一種無框力矩電機(jī)的制作方法》，無框力矩電機(jī)沒有外殼，可以提供更大的設(shè)備空間，中間是中空形式的，便于走線。在設(shè)計中，可以使整個機(jī)器體積更小，因此可以提供更大的功率密度比，同尺寸下可以提供更大的扭矩，可人形機(jī)器人輕量化和小型化的要求。功率密度=輸出功率/質(zhì)量，對于人形機(jī)器人關(guān)節(jié)來說，由于空間有限，功率密度是非常核心的指標(biāo)，因此無框力矩電機(jī)優(yōu)勢明顯。

機(jī)器人運動時膝關(guān)節(jié)受力最大，Optimus 使用了仿生四連桿結(jié)構(gòu)，可平滑電機(jī)輸出力保持效率最高區(qū)間。根據(jù) 2023 年特斯拉股東大會直播顯示，特斯拉對于機(jī)器人的各種動作進(jìn)行了模態(tài)分析并將其降入到控制系統(tǒng)中去來降低控制頻率節(jié)省算力以及能源。膝蓋是機(jī)器人運動時受力最大的關(guān)節(jié)，為了降低電機(jī)輸出的力，膝蓋處創(chuàng)新使用了仿生四連桿結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)相比于二連桿可平滑電機(jī)輸出力，可以讓電機(jī)的出力維持在一個恒定值上來讓電機(jī)在效率最高的區(qū)間工作。

機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈

（報告出品方/作者：國泰君安證券，肖群稀、鮑雁辛）

機(jī)器人運動控制的關(guān)鍵硬件——執(zhí)行器

執(zhí)行器——機(jī)器人的關(guān)節(jié)

機(jī)器人通常由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、和傳感系統(tǒng)四部分組成。機(jī)器人執(zhí) 行機(jī)構(gòu)是機(jī)器人賴以完成工作任務(wù)的實體，通常由一系列連桿、關(guān)節(jié)或其他形式的 運動副組成。工業(yè)機(jī)器人按臂部的運動形式分為四種：直角坐標(biāo)型的臂部可沿三個 直角坐標(biāo)移動；圓柱坐標(biāo)型的臂部可作升降、回轉(zhuǎn)和伸縮動作；球坐標(biāo)型的臂部能 回轉(zhuǎn)、俯仰和伸縮；關(guān)節(jié)型的臂部有多個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。這些運動都需要執(zhí)行器來完成。

執(zhí)行器可以根據(jù)運動分為兩類：旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器和線性執(zhí)行器。 1）旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器會將某物旋轉(zhuǎn)一定的角度，可以是有限的也可以是無限的。旋轉(zhuǎn)執(zhí)行 器的一個典型例子是電動機(jī)，它是一種將電信號轉(zhuǎn)換成其軸的旋轉(zhuǎn)運動的執(zhí)行器， 當(dāng)電流施加到基本電機(jī)時，電機(jī)旋轉(zhuǎn)。將電機(jī)直接連接到負(fù)載上，創(chuàng)建了一個直接 驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器，許多旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器與用作機(jī)械杠桿的機(jī)構(gòu)相結(jié)合(優(yōu)點)以降低旋 轉(zhuǎn)速度并增加扭矩，如果最終結(jié)果是旋轉(zhuǎn)，該組件的輸出仍然是旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器。 2）旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器還連接到將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成來回運動的機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)被稱為線性執(zhí)行 器。線性執(zhí)行器本質(zhì)上是沿著直線移動物體，通常是來回移動。這些機(jī)構(gòu)包括：滾 珠/滾柱絲杠、皮帶和滑輪、齒條和小齒輪。滾珠絲杠和滾柱絲杠通常用于將旋轉(zhuǎn)運 動轉(zhuǎn)換成精確的直線運動，例如在加工中心。齒條和小齒輪通常增加扭矩并降低旋 轉(zhuǎn)運動的速度，它們也可以與將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為線性運動的機(jī)構(gòu)結(jié)合使用。

旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器主要包括 RV 減速器和諧波減速器： 1）RV 減速器：RV 通常是用擺線針輪，用于轉(zhuǎn)矩大的機(jī)器人關(guān)節(jié)，主要用于 20 公 斤到幾百公斤負(fù)載的機(jī)器人，一二三軸都是用 RV。RV 長時間使用后的精度保持度 高于諧波。由于 RV 的零部件更為復(fù)雜，承載強度更高且制造難度比諧波大，因此 產(chǎn)線的資本開支更高； 2）諧波減速器：諧波過去式以漸開線齒形為主，現(xiàn)在有部分廠家使用了雙圓弧齒形。諧波可負(fù)載的轉(zhuǎn)矩小，通常用于 20 公斤以下的機(jī)械臂。諧波里的一種關(guān)鍵齒輪是柔 性的，它需要反復(fù)的高速變形，所以它比較脆弱，承載力和壽命弱于 RV。

絲杠是將旋轉(zhuǎn)運動變成直線運動的傳動副零件。根據(jù)摩擦特性可分為滑動絲杠、滾 動絲杠及靜壓絲杠，其中滾動絲杠根據(jù)載荷傳遞元件的區(qū)別，分為滾珠絲杠和行星 滾柱絲杠： 1）滾珠絲杠：是傳動機(jī)械中應(yīng)用最為普遍、精度最高的傳動裝置。具有摩擦阻力小、 傳動效率高、定位精度高、剛性高、微進(jìn)給、高速進(jìn)給、無側(cè)隙、使用壽命長等特 性。 2）滾柱絲杠：相比滾珠絲杠，滾柱絲杠具備高負(fù)載、高剛度和長壽命的優(yōu)勢。行星 滾柱絲杠成本高，集中在高端或特殊需求，應(yīng)用規(guī)模不大，主要是對液壓執(zhí)行器的 替代。 3）梯形絲杠：和滾珠絲杠的運動原理相同，不同之處在于，梯形絲杠里沒有滾珠， 螺母和絲杠軸之間的運動完全靠機(jī)械接觸產(chǎn)生滑動，是滑動摩擦，所以梯形絲杠也 叫滑動絲杠。滾珠絲杠是滾動摩擦，梯形絲杠是滑動摩擦，滾動摩擦的摩擦系數(shù)遠(yuǎn) 遠(yuǎn)低于滑動摩擦系數(shù)，大多數(shù)滾珠絲杠的傳動效率高達(dá) 90%，有的達(dá)到 95%以上， 大多數(shù)梯形絲杠的傳動效率低于 70%。

執(zhí)行器決定機(jī)器人的負(fù)荷和工作精度

機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)反映了機(jī)器人可勝任的工作、具有的最高操作性能等情況。主要 包括：自由度、額定負(fù)載、工作空間、工作精度。其他參數(shù)還有：工作速度、控制 方式、驅(qū)動方式、安裝方式、動力源容量、本體質(zhì)量、環(huán)境參數(shù)等。

1）自由度：工業(yè)機(jī)器人的自由度是根據(jù)其用途設(shè)計的。機(jī)器人的自由度反映機(jī)器人 動作的靈活性，自由度越多，機(jī)器人就越能接近人手的動作機(jī)能，通用性越好，可 用直線移動、擺動或者旋轉(zhuǎn)動作的數(shù)目來表示。自由度越多，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，對機(jī)器 人的整體要求越高。工業(yè)機(jī)器人把機(jī)械臂上每一個關(guān)節(jié)都當(dāng)作一個獨立的伺服機(jī)構(gòu)， 即每個軸對應(yīng)一個伺服器，每個伺服器通過總線控制，由控制器統(tǒng)一控制協(xié)調(diào)工作。

2）額定負(fù)載：也稱有效負(fù)荷，是指正常作業(yè)條件下，工業(yè)機(jī)器人在規(guī)定性能范圍內(nèi)， 手腕末端所能承受的最大載荷。工業(yè)機(jī)器人負(fù)載范圍較大，一般為 0.5～2300kg。 當(dāng)負(fù)載較大時，提高電機(jī)的功率不劃算，可以在適宜的速度范圍內(nèi)，通過減速器來 提高輸出扭矩。伺服電機(jī)在低頻轉(zhuǎn)速下容易出現(xiàn)發(fā)熱和低頻振動，對于長時間工作 的工業(yè)機(jī)器人不利于確保其精確可靠的運行。精密減速器使伺服電機(jī)在合適的速度 下運轉(zhuǎn)，并精確地將轉(zhuǎn)速降到工業(yè)機(jī)器人各部位需要的速度，提高機(jī)械剛性的同時， 輸出更大的力矩。

3）工作精度：重復(fù)定位精度取決于機(jī)器人關(guān)節(jié)減速機(jī)及傳動裝置的精度，絕對精度 取決于機(jī)器人控制算法、編碼器精度、減速及傳動裝置精度等的綜合表現(xiàn)。一般來 說，機(jī)器人的重復(fù)精度高于絕對精度。要提高機(jī)器人的絕對精度，需要進(jìn)行高精度 標(biāo)定。標(biāo)定可以分為三級：一級未驅(qū)動器與關(guān)節(jié)傳感器的標(biāo)定，即確定關(guān)節(jié)位移傳 感器產(chǎn)生的信號與實際關(guān)節(jié)位移之間的關(guān)系；二級在一級基礎(chǔ)上，加入機(jī)器人幾何 參數(shù)的標(biāo)定，針對各組成連桿的運動變量誤差和各連桿結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差引起的位姿誤 差；三級為非幾何標(biāo)定，針對由關(guān)節(jié)柔度、摩擦、間隙以及連桿柔度等因素引起的 誤差。在標(biāo)定過程中，測量是進(jìn)行參數(shù)辨識和補償之前的重要環(huán)節(jié)，包括關(guān)節(jié)位移 測量和機(jī)器位姿測量。位姿測量方法又包括接觸式和非接觸式，其中接觸式測量對 機(jī)器人位姿限制較大；非接觸式測量中，三坐標(biāo)測量機(jī)只能測量小型機(jī)器人，而激 光跟蹤儀對環(huán)境影響較為敏感，同時操作復(fù)雜，測量時間長。

4）工作空間：又稱工作范圍、工作行程，是指工業(yè)機(jī)器人作業(yè)時，手腕參考中心（即 手腕旋轉(zhuǎn)中心）所能到達(dá)的空間區(qū)域，不包括手部本身所能達(dá)到的區(qū)域，常用圖形 表示，P 點為手腕參考中心。工作空間的形狀和大小反映了機(jī)器人工作能力的大小， 它不僅與機(jī)器人各連桿的尺寸有關(guān)，還與機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)有關(guān)，工業(yè)機(jī)器人在作 業(yè)時可能會因存在手部不能到達(dá)的作業(yè)死區(qū)而不能完成規(guī)定任務(wù)。由于末端執(zhí)行器 的形狀和尺寸是多種多樣的，為真實反映機(jī)器人的特征參數(shù)，工作范圍一般是指不 安裝末端執(zhí)行器時，可以達(dá)到的區(qū)域。

綜上，執(zhí)行器是機(jī)器人的關(guān)鍵零部件，對機(jī)器人的負(fù)荷和精度有重大影響。減速器 是一種減速傳動裝置，可以通過降低轉(zhuǎn)速而提高扭矩，以傳遞較大的負(fù)荷，克服伺 服電機(jī)輸出的扭矩較小的缺陷。

Tesla Optimus 關(guān)節(jié)執(zhí)行器：結(jié)構(gòu)緊湊、高負(fù)載、低能耗

從特斯拉的發(fā)布會來看，我們預(yù)計特斯拉 Optimus 身體關(guān)節(jié)共有 28 個，包括三種 旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器（14 個）和三種線性執(zhí)行器（14 個）。

特斯拉 Optimus 旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器方案猜測：永磁無刷電機(jī)+諧波減速器+抱閘+雙編碼 器+力矩傳感器+軸承。 采用諧波傳感器的優(yōu)點：小體積，大速比，可達(dá) 160：1，扭矩密度比較高。軸向尺 寸小，執(zhí)行器關(guān)節(jié)軸向可以比較緊湊。在機(jī)器人行業(yè)，大多數(shù)關(guān)節(jié)都沒有集成扭矩 傳感器，這是從成本，集成難度，剛度損失等方面考慮的。集成扭矩傳感器的優(yōu)勢 在于關(guān)節(jié)更加安全，力控算法更簡單。

特斯拉 Optimus 直線執(zhí)行器方案猜測：永磁無刷電機(jī)+行星滾柱絲杠+位置編碼器 +力傳感器+軸承。 采用線性執(zhí)行器驅(qū)動器關(guān)節(jié)的優(yōu)勢：1）空間利用率高。相比傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器分布于 關(guān)節(jié)附近，線性執(zhí)行器可以縱向布局，最大限度利用腿部內(nèi)部空間，布置更大更長 的電機(jī)，提供更大的推動力。2）具備自鎖能力。線性執(zhí)行器的螺桿傳動機(jī)構(gòu)通過合 理設(shè)計可以具備自鎖能力，即下半身不動時可以自動鎖定姿態(tài)，不耗能，形成一個 低功耗且穩(wěn)定的底部支架。3）低能耗，高負(fù)載。上肢的肘關(guān)節(jié)屈伸采用線性執(zhí)行器 的理由和腿部原理一致，低耗能高推力。前臂的兩個線性執(zhí)行器構(gòu)成并聯(lián)關(guān)節(jié)主要 目的是降低腕關(guān)節(jié)的尺寸。纖細(xì)的腕關(guān)節(jié)有兩個好處：一是在抓握時降低關(guān)節(jié)與工 件的干涉，提高抓握路徑的靈活性；二是降低前臂對視覺構(gòu)建及視覺位置反饋的干 擾，提升控制精度。 采用行星滾柱絲杠，可以輸出高精度和高承載能力。行星絲杠的節(jié)距可以做的很小， 所以很容易通過小扭矩實現(xiàn)大推力，電機(jī)的功率和體積可以小一些。電機(jī)的轉(zhuǎn)子集 成到了螺母上，整體結(jié)構(gòu)更為緊湊。2.2Kg 的執(zhí)行器輸出可達(dá) 8000N，推力密度高。

人形機(jī)器人旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器：需求彈性及供給能力分析

減速器在工業(yè)機(jī)器人中成本構(gòu)成占比 35%，價值量最高，預(yù)計在人形機(jī)器人中價值 量依然會占到較高比重。工業(yè)機(jī)器人的控制過程是：控制器發(fā)指令給伺服驅(qū)動，驅(qū) 動伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)，通過減速機(jī)執(zhí)行動作，在工業(yè)機(jī)器人上游的三大部件中，減速器 成本占比最高 35%，伺服系統(tǒng)（伺服電機(jī)+伺服驅(qū)動器）、控制器，分別占比 25%、 10%。

人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化對諧波減速器需求的敏感性分析

2017～2021 年精密減速器（諧波+RV）銷量從 49 萬臺增長至 101 萬臺，復(fù)合增 速19.8%，工業(yè)機(jī)器人用精密減速器銷量從41萬臺增長至84萬臺，復(fù)合增速19.5%。 2021 年占比 82%。2018～2021 年精密減速器市場規(guī)模從 57.7 億元增至 59.5 億 元，復(fù)合增速 1%，這與國產(chǎn)替代速度加快，均價下行有關(guān)。 人形機(jī)器人運動執(zhí)行部件可能采用諧波減速器作為主要的執(zhí)行部件之一，我們假設(shè) 人形機(jī)器人不同年銷售規(guī)模，對諧波減速器的需求彈性進(jìn)行敏感性分析。核心假設(shè)： 1）本次測算假設(shè)人形機(jī)器人年銷量在 10~100 萬臺之間； 2）單臺人形機(jī)器人配置諧波減速器 14 個； 3）馬斯克在特斯拉的開放日上提出，特斯拉人形機(jī)器人最終售價將下降到 2 萬美金 以下，與目前產(chǎn)業(yè)鏈的成本來看，有很大降本空間。我們暫時無法對產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié) 成本下降的幅度和速度做出假設(shè)，我們認(rèn)為，技術(shù)成熟及產(chǎn)業(yè)鏈成本下降是產(chǎn)業(yè)化 的前提，規(guī)模化是技術(shù)成熟和成本下降后的必然。

從目前已知的信息來看，人形機(jī)器人采用 RV 減速器的概率相對比較小。因此我們 不對 RV 減速器進(jìn)行敏感性分析。預(yù)計 RV 減速器未來的主要應(yīng)用場景還將是在工 業(yè)機(jī)器人上。

諧波減速器供給格局：國產(chǎn)化提速

哈默納科是目前世界最大的諧波減速器生產(chǎn)商，全球市場份額超過 80%。諧波傳動 最初用于美國航天運動控制，谷川齒輪將其引入日本并量產(chǎn)，于 1970 年成立哈默 納科。經(jīng)過五十余年的技術(shù)迭代、海外版圖擴(kuò)張，哈默納科壟斷了全球諧波減速機(jī) 市場份額，產(chǎn)品矩陣愈加豐富，包括精密減速機(jī)（諧波減速器、減速器組件和行星 減速器）和機(jī)電一體化產(chǎn)品（執(zhí)行器、控制器）。2021 年哈默納科營業(yè)收入 570 億 日元，2000~2022 年均復(fù)合增速 8.3%，與全球工業(yè)機(jī)器人行業(yè)增速基本一致。毛 利率穩(wěn)定在 40%左右，凈利率維持在 20%以上。

國內(nèi)諧波減速器發(fā)展迅速，綠的諧波率先打破壟斷，同川、大族緊追其后，雙環(huán)、 中大力德、國茂股份開始入局。我國諧波減速器廠商起步較晚，受益于我國工業(yè)自 動化對工業(yè)機(jī)器人的旺盛需求，國產(chǎn)諧波得以快速發(fā)展，近年來國產(chǎn)替代腳步加快。 2021 年，哈默納科占中國諧波減速器 38%的市場份額，相較 2018 年 52%的市場 份額顯著下降。以綠的諧波為代表的國產(chǎn)諧波減速器份額提升明顯，隨著行業(yè)德蓬 勃發(fā)展，國內(nèi)入局新玩家增多，日本新寶、臺灣來福份額穩(wěn)定，同川、大族等企業(yè) 也占據(jù)了一定的市場份額，中大力德、國茂股份、光洋股份也加入競爭，國內(nèi)產(chǎn)能 建設(shè)提速。 國產(chǎn)諧波以價換量，高端產(chǎn)品技術(shù)突破成為關(guān)鍵。諧波減速器結(jié)構(gòu)簡單，在低壽命 的要求下門檻較低。疫情下外資廠商供貨周期長，國產(chǎn)品牌把握住市場窗口期快速 放量，但產(chǎn)品多集中在中低端市場。國內(nèi)企業(yè)依托本土優(yōu)勢可以提供低價諧波，2021 年均價 2000 元左右，哈默那科諧波進(jìn)口單價多在 8000 元及以上，國內(nèi)企業(yè)以一 定的價格優(yōu)勢在銷量上表現(xiàn)亮眼。根據(jù) MIR，2021 年綠的諧波、來福減速器銷量分 別為 17.8 萬、9.5 萬臺，遠(yuǎn)超過哈莫納科的 3.5 萬臺。

RV 減速器供給格局：國產(chǎn)品牌正在突圍

納博特斯克是世界上最大的 RV 減速器制造商，全球市場份額超過 60%。博特斯克 的前身是日本帝人制機(jī)和納博克株式會社，于 2003 年合并成為控股公司納博特斯 克的全資子公司。1980 年，日本帝人精機(jī)將 RV 減速器應(yīng)用于機(jī)器人行業(yè)，解決 了工業(yè)機(jī)器人存在容易受沖擊損壞、手臂振動等問題；1986 年開始被大規(guī)模化應(yīng) 用于工業(yè)機(jī)器人，趕上日本“機(jī)器換人”的浪潮，奠定了其行業(yè)領(lǐng)先地位。 納博特斯克營收逐年穩(wěn)健增長，2003~2022 年均復(fù)合增速為 4.9%。營收從 2003 年 1250 億日元增長至 2022 年 3080 億日元，2022 年毛利率為 5.9%，凈利率為 24.8%。

2021 年納博特斯克在中國的份額為 52%，國產(chǎn)品牌份額超過 30%，規(guī)模靠前的企 業(yè)有中大力德、秦川機(jī)床、南通振康、珠海飛馬、智同科技等。南通鎮(zhèn)康 2010 年研 制出第一臺 RV 減速器，雙環(huán)傳動、中大力德分別于 2013 年前后開始研發(fā)工業(yè)機(jī) 器人精密減速器。經(jīng)過十余年的技術(shù)積累和產(chǎn)品品類拓展，雙環(huán)傳動市場份額提升 明顯，從 2018 年的 7%提升至 2021 年的 15%，國內(nèi)規(guī)模靠前的企業(yè)有中大力德、 秦川機(jī)床、南通振康、珠海飛馬、智同科技等。

機(jī)器人用軸承供給格局：主要依靠進(jìn)口

工業(yè)機(jī)器人專用軸承主要有等截面薄壁軸承、薄壁交叉圓柱滾子軸承、RV 減速機(jī)軸 承及諧波減速器用柔性軸承等，它們大多采用非標(biāo)準(zhǔn)、多滾動體等設(shè)計原則。

國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人配套軸承大部分依靠進(jìn)口，國內(nèi)少數(shù)廠家雖然生產(chǎn)制造工業(yè)機(jī)器人 配套軸承，但批量小、品種規(guī)格少，零部件通用化程度低，供貨周期長，成本髙， 質(zhì)量不穩(wěn)定。近年來，我國軸承廠商的制造能力有顯著提升，從事機(jī)器人配套軸承 研發(fā)的主要廠商有：人本軸承、國機(jī)精工、洛陽 LYC 軸承公司、北京諧波技術(shù)研究 所、洛陽匯工軸、五洲新春。

線性執(zhí)行器：需求彈性及供給能力分析

人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化對線性執(zhí)行器的需求敏感性分析

2022 年全球滾珠絲杠市場規(guī)模 20.4 億美元，如果不考慮人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化，預(yù)計 行業(yè)將保持低速穩(wěn)定成長，預(yù)計到 2029 年市場規(guī)模 30.9 億美元，2023 年至 2029 年復(fù)合增速為 6.1%。亞太地區(qū)具有最大的消費市場，占有 58%的市場份額，其次 是歐洲。 我們假設(shè)人形機(jī)器人不同年銷售規(guī)模，對滾珠絲杠、滾柱絲杠、滑動絲杠的需求彈 性進(jìn)行敏感性分析。核心假設(shè)：1）本次測算假設(shè)人形機(jī)器人年銷量在 10~100 萬臺之間； 2）單臺人形機(jī)器人配置諧波減速器 14 個； 3）特斯拉目前尚未公布其線性執(zhí)行器具體方案，我們猜測可能的方案分為兩種： 方案一：4 個滑動+8 個行星滾柱絲杠；方案二：14 個滾珠絲杠； 4）馬斯克在特斯拉的開放日上提出，特斯拉人形機(jī)器人最終售價將下降到 2 萬美金 以下，與目前產(chǎn)業(yè)鏈的成本來看，有很大降本空間。我們暫時無法對產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié) 成本下降的幅度和速度做出假設(shè)，我們認(rèn)為，技術(shù)成熟及成本下降是產(chǎn)業(yè)化的前提， 規(guī)模化是技術(shù)成熟和成本下降后的必然。

滾珠絲杠供給格局：高端外資主導(dǎo)，中低端完成國產(chǎn)替代

滾珠絲杠的主要供應(yīng)商集中在日、德、臺地區(qū)，NSK 占據(jù)全球最大的滾珠絲杠份額。 全球市場被日本 NSK、日本 THK 等企業(yè)壟斷，CR5 約 46%，日本和歐洲企業(yè)合 計占據(jù)了全球約 70%市場份額。國內(nèi)市場上銀、銀泰占有率接近 50%，NSK、THK 市場占有率約 15%，國內(nèi)企業(yè)占有率約 25%。 國產(chǎn)企業(yè)起步晚、產(chǎn)業(yè)規(guī)模小、產(chǎn)品豐富度低、生產(chǎn)效率低，尚未形成有國際影響 力的品牌，主要廠商：南京工藝、博特精工、合肥賽里斯（江蘇雷利）、鼎智科技（江 蘇雷利）、華歐精密等。國產(chǎn)滾珠絲杠在中低端應(yīng)用已經(jīng)基本實現(xiàn)了國產(chǎn)替代，產(chǎn)品 豐富度和技術(shù)指標(biāo)和外商差距不大。在高端產(chǎn)品上，滾珠絲杠的精度、最高速度、 噪音、溫升等控制方面以及精度保持性還有待提升，在細(xì)分高端市場，國產(chǎn)滾珠絲 杠副開始在機(jī)床企業(yè)批量使用，如秦川機(jī)床，海邁克精密。貝斯特和恒力液壓也在 布局相關(guān)產(chǎn)品。

滾柱絲桿供給格局：國內(nèi)處于起步階段

70 年代，隨著武器裝備技術(shù)及石油、化工、數(shù)控機(jī)床等對大推力、高精度、高效率、 長壽命的需求提升，行星滾柱絲杠開始被大規(guī)模使用。1970 年起，瑞士 ROLLVIS 公司（后被 GSA 收購）致力于行星滾柱絲桿產(chǎn)品的制造與研究。美國的 EXLAR 公 司將行星滾柱絲杠作為六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的傳動裝置，研制出了一種新型的電推桿， 行星絲杠商用開始加速，目前主要應(yīng)用于航空航天、武器裝備等軍事領(lǐng)域和數(shù)控機(jī) 床、工程機(jī)械等民用領(lǐng)域。 行星滾柱絲杠市場，全球主要制造業(yè)國家與瑞士差距大。國外具備生產(chǎn)行星滾柱絲 杠能力的企業(yè)主要有 GSA、SKF、EWELLIX、MOOG 等。GSA 公司是產(chǎn)品系列最 全、規(guī)模最大的行星滾柱廠商，在裝配、加工工藝、材料及熱處理工藝上有深厚的 積累，從產(chǎn)品覆蓋規(guī)格、生產(chǎn)規(guī)模到產(chǎn)品生產(chǎn)經(jīng)驗積累對其他地區(qū)形成碾壓優(yōu)勢。

國內(nèi)行星滾柱絲杠處于起步階段，僅有幾家企業(yè)具備小批量生產(chǎn)能力，包括：博特 精工、常州思科瑞、南京工藝等。2010 年，博特精工、南京工藝、常州思科瑞等國 產(chǎn)廠商投入行星絲杠的研發(fā)，目前已具備小批量生產(chǎn)的能力，國產(chǎn)行星絲杠在承載 能力、產(chǎn)品尺寸覆蓋范圍上還有差距，產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化水平處于早期階段。

技術(shù)壁壘：設(shè)計、材料、工藝、加工

減速器、絲杠、軸承等精密產(chǎn)品和零部件的技術(shù)壁壘都體現(xiàn)在設(shè)計、材料、工藝和 加工精度上。最終體現(xiàn)在產(chǎn)品性能上表現(xiàn)為產(chǎn)品的精度保持度、壽命、故障率等。 國產(chǎn)減速器同海外產(chǎn)品性能的差距體現(xiàn)在壽命和精度保持性上。在效率、減速比、 傳動精度、扭矩剛度等關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)上，國產(chǎn)減速器已經(jīng)基本達(dá)到了國際領(lǐng)先的產(chǎn) 品水平，但是在疲勞壽命、故障率、批量產(chǎn)品的穩(wěn)定性等方面有差距。根據(jù)官網(wǎng)數(shù) 據(jù)，納博特斯克銷量最高的 RV-C 和 RV-E 系列都具有更高的額定輸出轉(zhuǎn)矩和減速 比，壽命可以達(dá)到 6000 小時以上。與國外產(chǎn)品相比，國產(chǎn)減速器長時間使用后仍 有出現(xiàn)的磨損、漏油、精度下降的情況；國產(chǎn)諧波減速器在高速場景下容易出現(xiàn)斷 裂的現(xiàn)象，產(chǎn)品穩(wěn)定性和使用壽命上仍需提升。

減速器性能不僅與嚙合原理、齒形設(shè)計、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等相關(guān)，還與原材料、加工、熱 處理工藝等因素相關(guān)。在效率、減速比、傳動精度、扭矩剛度等關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)上， 國產(chǎn)減速器已經(jīng)基本達(dá)到了國際領(lǐng)先的產(chǎn)品水平，但是在疲勞壽命、故障率、批量 產(chǎn)品的穩(wěn)定性等方面有差距，不僅與嚙合原理、齒形設(shè)計、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等相關(guān)，還與 原材料、加工、熱處理工藝等因素相關(guān)。本章我們將主要以諧波減速器為例，來說 明高精度核心部件的技術(shù)壁壘。

諧波傳動技術(shù)包括：總體結(jié)構(gòu)、柔輪、剛輪、凸輪、柔性軸承、交叉滾子軸承、齒 形、波發(fā)生器、加工制造和試驗方法等 10 個分支。從專利申請數(shù)量來看，總體結(jié) 構(gòu)、波發(fā)生器、柔輪和加工制造是諧波減速器技術(shù)的研發(fā)重點。

1）波發(fā)生器（柔性軸承）：減速機(jī)廠家一般是從軸承廠家買來標(biāo)準(zhǔn)的柔性軸承，通 過質(zhì)檢后，再壓到自己設(shè)計加工的凸輪中變成波發(fā)生器。凸輪：雖然采用廠家標(biāo)準(zhǔn) 品對于貨期和價格都會比較好，但是由于采用電機(jī)的軸徑、長度、安裝方式的不同， 不少廠家都會對凸輪提出定制要求。進(jìn)口品牌對減速機(jī)大都會進(jìn)行深度定制，而當(dāng) 前國產(chǎn)品牌的規(guī)模較小，很難進(jìn)行定制。柔性軸承的核心問題是材料與熱處理問題。 既要承受球體的壓力又要承受高速運動的變形。太軟，溝道容易受損，太硬，軸承 容易斷裂。凸輪方面主要是加工問題，其實國產(chǎn)當(dāng)前的加工水平完全可以滿足要求， 但是后期批量之后如何選擇加工工藝以達(dá)到最佳性價比。

2）剛輪：主要生產(chǎn)過程包含下料——熱處理——外形加工——齒加工等。打樣一 般會采用 40Cr 棒料加工，量產(chǎn)階段采用球墨鑄鐵，進(jìn)口為主，主流廠商進(jìn)行包爐，。 批量生產(chǎn)普遍采用滾齒，成型之后，對齒會進(jìn)行加強處理，主要采用噴砂或者滲氮 工藝，目的是加硬跟耐磨。

3）柔輪：常用的材料是 40CrNiMoA，也有不同的微量添加。廠家一般是采用棒料 下料后經(jīng)過鍛造后再加工，相比剛輪，柔輪的加工最大的難點有三：一是柔輪精加 工時的壁很薄，要防止變形和抖動，需要有專門的治具把內(nèi)壁撐起來；第二是要決 定控制竄刀量保證柔性軸承壓入后剛好把齒撐起來；第三是齒的修型問題。天下齒 型出 HD，只有極個別廠家有能力設(shè)計新的齒型。

4）交叉滾子軸承：諧波減速器專用十字交叉軸承具有很高的剛度、旋轉(zhuǎn)精度以及復(fù) 合承載能力，外形緊湊。精密軸承是制造業(yè)關(guān)鍵零部件，機(jī)器人配套軸承是軸承應(yīng) 用的一個細(xì)分市場。機(jī)器人用精密軸承包括：諧波減速器專用十字交叉軸承、柔性 軸承、RV 減速器軸承、交叉滾子軸承、等截面薄壁軸承等。

5）油封及潤滑：是非常成熟的零部件，但大廠常會對油封做定制以提升性能。諧波 的潤滑分成油潤滑和脂潤滑兩種方式，油潤滑，流動性好，潤滑就好，熱傳導(dǎo)也好， 可以提升轉(zhuǎn)速，但對于密封的要求非常高，目前只有 HD 有采用油潤滑，因此只有 HD 可以做高速諧波。除了 HD 外，其他廠家普遍采用脂潤滑。

設(shè)計：齒形設(shè)計和傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計是關(guān)鍵

諧波：綠的、來福的齒形設(shè)計和傳動結(jié)構(gòu)避開了哈默納科的專利。諧波龍頭哈默納 科先發(fā)制人，在齒形設(shè)計和傳動結(jié)構(gòu)方面申請了專利，國產(chǎn)減速器廠商綠的諧波的 P 齒形、來福諧波的δ齒形率先打破壟斷，基本滿足諧波減速器的性能需求，但新進(jìn) 入廠商很難在避開專利限制的情況下設(shè)計優(yōu)良性能的齒形。 RV：擺線齒輪修形理論不完善。國內(nèi)企業(yè)對于擺線齒輪修形原理大多基于經(jīng)驗數(shù)據(jù)， 沒有足夠的完整的理論基礎(chǔ)，導(dǎo)致齒型修形要不斷的嘗試改進(jìn)，增加研發(fā)時間，且 改進(jìn)效果并不明顯；RV 減速器構(gòu)成復(fù)雜，零部件在設(shè)計上的配合和細(xì)節(jié)參數(shù)的優(yōu)化 都是影響減速器精度的重要因素。

材料及零部件：長期依賴進(jìn)口

諧波減速器：柔輪材料長期依賴進(jìn)口。國內(nèi)外的諧波減速器柔輪材料基本為 40Cr 合 金鋼，其中 40CrMoNiA 與 40CrA 最為常用，晶粒和鐵氧體相的不合理會導(dǎo)致局部 微裂紋和尺寸精度的變化，對材料的純度要求高。相同的原材料，由于國外提純技 術(shù)較高、雜質(zhì)少，因此國產(chǎn)諧波減速器的材料長期依賴進(jìn)口。

RV 減速器：國產(chǎn)軸承在精度上仍有較大的差距。RV 減速器的原材料包括齒輪鋼 （20CrMnTi、20CrMo、20MnCr5 等）、軸承合金等。國內(nèi)齒輪鋼的生產(chǎn)水平已達(dá) 到國外先進(jìn)的水平，比起日、德、美生產(chǎn)的齒輪鋼還有一些差距（淬透性寬、純度 低等）。外購零部件：部分廠商在軸承、密封圈、滾針、擋圈等零部件會選擇外購， 軸承是影響產(chǎn)品精度的一大關(guān)鍵因素，而國產(chǎn)的軸承在精度上仍有較大的差距。

工藝：需要經(jīng)驗積累

熱處理工藝是提升減速器疲勞壽命、精度穩(wěn)定性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。按照目的不同，熱處 理工藝一般分為預(yù)備熱處理和最終熱處理，預(yù)備熱處理用于改善材料的加工性能， 消除內(nèi)應(yīng)力，主要工藝包括退火、正火、時效、調(diào)制等；最終熱處理的目的在于改 善材料的硬度、耐磨性等，提升減速器疲勞壽命、穩(wěn)定性，主要工藝包括淬火、滲 碳淬火和滲氮處理等。 諧波：柔輪失效是諧波減速器的主要失效形式之一，限制著諧波減速器的使用壽命： 柔輪壁薄，同時需承受波發(fā)生器和外部載荷的雙重作用，良好的熱處理工藝是保證 材料結(jié)構(gòu)組織一致的必要前提。國產(chǎn)廠商在柔輪的熱處理工藝、慢走絲、連續(xù)切割 等加工工藝上存在差距，這也是決定減速器精度和壽命的核心。

RV：設(shè)計更復(fù)雜，其中擺線輪、偏心軸、針齒殼等核心部件的加工均有很大的難度， 核心難點在于各項工藝的密切配合，包括：加工精度、零件對稱性、成組技術(shù)、裝 配精度等。熱處理技術(shù)是國產(chǎn)廠商的一大軟肋，技術(shù)不過關(guān)會導(dǎo)致產(chǎn)品變形、硬度 不夠。工藝的差距帶來的是產(chǎn)品精度、損耗速度和壽命的差距。這也對操作人員的 技術(shù)提出了高要求，需要其能根據(jù)各種條件的變化，及時調(diào)成，保證成品率。

滾珠絲杠的制造工藝主要是兩種：軋制和磨制，其中軋制屬于批量制造，能達(dá)到的 精度較低，但生產(chǎn)效率高，設(shè)備門檻高于磨制。我國磨制絲杠發(fā)展比較早，非標(biāo)要 求高，規(guī)格產(chǎn)品也算齊全，從一開始的只能滿足部分非標(biāo)需求發(fā)展到現(xiàn)在基本滿足 所有使用場合，在低噪音，低摩擦，重載低速，高速，還有某些如注塑機(jī)的重載專 用絲杠，基本已經(jīng)完全國產(chǎn)化了。而軋制絲杠起步較晚，直到近年才形成整個體系 產(chǎn)業(yè)鏈，并且已經(jīng)實現(xiàn)對低端的中國臺灣品牌替換。并且有部分細(xì)分產(chǎn)品如小導(dǎo)程， 特殊材料，機(jī)電集成化絲杠已經(jīng)基本形成成體系的產(chǎn)業(yè)鏈。

關(guān)鍵設(shè)備依賴進(jìn)口：熱處理、磨齒機(jī)、三坐標(biāo)等檢測設(shè)備

磨齒機(jī)、高精度三坐標(biāo)檢測設(shè)備、齒輪檢測設(shè)備是提升減速器齒輪精度的關(guān)鍵設(shè)備。 諧波減速器加工過程需要用到齒輪加工機(jī)床、三坐標(biāo)測量機(jī)、加工中心、磨床、車 床、熱處理設(shè)備等。RV 減速器加工設(shè)備包括齒輪加工機(jī)床、加工中心、車床、磨床、 硬拉床、三坐標(biāo)測量機(jī)、熱處理設(shè)備等，實際工況中 RV 減速器需要反復(fù)精確定位， 對加工設(shè)備精度要求高，否則會造成產(chǎn)品的磨損。 a. 加工設(shè)備：核心零部件（例如偏心軸、擺線輪、針齒殼、行星架等）的末道精加 工設(shè)備依賴進(jìn)口， 對核心關(guān)鍵設(shè)備僅限于使用層面，在面對工藝上有新的需求或需 要不斷優(yōu)化的時候，國產(chǎn)廠商就無法快速反應(yīng)。 b.專用工裝：設(shè)備供應(yīng)商一般不會提供一整套高精度的工裝設(shè)備，因此自主設(shè)計制 作的工裝是加工出高精度零部件又一關(guān)鍵因素； c. 檢測設(shè)備：高精度三坐標(biāo)檢測設(shè)備和齒輪檢測設(shè)備，及相關(guān)的材料檢測設(shè)備，確 保齒確保齒輪質(zhì)量和尺寸控制準(zhǔn)確無誤，是高精度 RV 減速器的關(guān)鍵。

熱處理設(shè)備

國內(nèi)中高端熱處理設(shè)備依賴進(jìn)口。減速器熱處理產(chǎn)線通常為定制化，部分企業(yè)委外 加工，國內(nèi)熱處理行業(yè)發(fā)展水平較低，中高檔熱處理設(shè)備長期依賴進(jìn)口，2017-2021年中國熱處理設(shè)備制造行業(yè)進(jìn)口額在 2000 萬美元左右波動，2019-2021 年中國熱 處理設(shè)備制造行業(yè)進(jìn)口金額逐年上升，2021 年實現(xiàn)進(jìn)口金額 23391.03 萬美元，同 比上升 16.10%。2017~2021 年進(jìn)口數(shù)量年增長率始終保持在 80%以上，21 年達(dá) 到 51404 臺，同比增長 83.36%。

國產(chǎn)熱處理設(shè)備在設(shè)備穩(wěn)定性、信息化程度、產(chǎn)線集成能力等方面還存在差距，部 分廠家部分設(shè)備技術(shù)水平已經(jīng)接近國外中高端產(chǎn)品水平。海外領(lǐng)先的熱處理設(shè)備及 服務(wù)公司包括：愛協(xié)林、應(yīng)達(dá)、易普森、易孚迪、日本高周波、德國 ALD 等。國內(nèi) 感應(yīng)熱處理裝備制造商綜合實力較強的公司為：上海恒精機(jī)電設(shè)備有限公司，天津 天豐淬火設(shè)備有限公司，洛陽升華感應(yīng)加熱股份有限公司，十堰恒進(jìn)科技有限公司， 十堰天舒機(jī)電科技有限公司。其中，上海恒精機(jī)電設(shè)備有限公司，洛陽升華股份有 限公司，十堰恒進(jìn)科技有限公司的一些設(shè)備技術(shù)水平已經(jīng)接近國外中高端產(chǎn)品水平， 逐漸替代進(jìn)口產(chǎn)品。

高精度磨床

高精度磨床長期依賴進(jìn)口，秦川機(jī)床、重慶機(jī)床、南二齒是磨齒機(jī)國產(chǎn)替代龍頭。 按照齒輪加工工藝分，齒輪機(jī)床可分為滾齒機(jī)、插齒機(jī)、銑齒機(jī)、剃齒機(jī)、珩齒機(jī)、 磨齒機(jī)等系列，齒輪加工工序復(fù)雜，不同工序?qū)纫蟛煌Ｒ话銇碚f，決定減 速器齒輪精度的工序為熱處理后的精加工階段，以磨齒機(jī)為主（未經(jīng)過磨齒的齒輪 最高只能達(dá)到 6 級精度，而磨齒機(jī)加工過的齒輪最高可達(dá) 2 級精度），設(shè)備長期依 賴進(jìn)口，如萊斯豪爾、格里森、卡帕耐爾斯、日本電產(chǎn)等。秦川機(jī)床是國內(nèi)磨齒機(jī) 龍頭，有望實現(xiàn)高端設(shè)備的國產(chǎn)替代，其 YKS7225 雙工位高效磨齒機(jī)精度可達(dá)國標(biāo) GB/T10095-2008 的 4 級；重慶機(jī)床、南二齒也具備磨齒機(jī)生產(chǎn)能力，其中重慶機(jī) 床 YS7232/YS7232G 高精密數(shù)控蝸桿砂輪磨齒機(jī)批量加工精度可達(dá) 4-5 級。

高精度三坐標(biāo)、高精度齒輪檢測設(shè)備

高精度三坐標(biāo)國內(nèi)與國外產(chǎn)品的差距主要體現(xiàn)在三個方面：1）從精度等級上看，進(jìn) 口精密計量型測量機(jī)能達(dá)到 0.5 微米以內(nèi)的檢測精度，而國產(chǎn)設(shè)備最高僅能達(dá)到 0.8 微米，且測量行程低于進(jìn)口機(jī)型。2）進(jìn)口機(jī)型從結(jié)構(gòu)設(shè)計到材料呈現(xiàn)多方向發(fā)展?fàn)?態(tài)，而國內(nèi)多家廠商的產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)和材料上幾乎完全相同，缺少創(chuàng)新能力；3）進(jìn)口 機(jī)型的控制系統(tǒng)、測頭及測量軟件等一般都具有自主知識產(chǎn)權(quán)，掌握全部或大部分 核心技術(shù)；而大多數(shù)國產(chǎn)機(jī)型除機(jī)械本體外，關(guān)鍵組成部分采用國外品牌，自主研 發(fā)能力較弱，缺少核心技術(shù)。國際比較著名的測量機(jī)生產(chǎn)廠家主要有瑞典海克斯康、 德國蔡司、德國溫澤以及日本三豐等，其中計量型測量機(jī)市場主要被蔡司、海克斯 康壟斷。我國三坐標(biāo)測量機(jī)的主要生產(chǎn)廠商有 303 所、西安愛德華、青島雷頓、集 萃華科等。

產(chǎn)品 SKU 豐富度與客戶粘性

國內(nèi)減速器廠商在產(chǎn)品矩陣的豐富度（SKU）上不及海外廠商，需要時間和技術(shù)積 累。哈默納科、納博均已成立超過半個世紀(jì)，在減速器品類上有深厚積累，其中哈 默納科諧波減速器產(chǎn)品覆蓋 15 個系列共 49 款諧波減速器，包括空心軸減速機(jī)、微 型減速機(jī)等眾多樣式；相比之下，綠的諧波產(chǎn)品包括 6 個系列共 19 款產(chǎn)品。納博 特斯克產(chǎn)品覆蓋 3 個系列共 25 款 RV 加速器，雙環(huán)傳動旗下包括 2 個系列共 12 款 RV 減速器。無論是 RV 還是諧波，國產(chǎn)廠商在品類豐富度上均有所差距，且并非能 短期彌補，需要技術(shù)、專利、時間的積累。