萬億賽道從零起，人形機(jī)器人才是AI全村的希望？

站在25年OpenAI所代表的人工智能已有三年、產(chǎn)業(yè)風(fēng)風(fēng)火火投AI之際，海豚君通過最近幾篇分析認(rèn)為，26年AI關(guān)鍵是看算力降本、AI投入在軟件和硬件兩側(cè)落地。且新硬件落地的機(jī)會才是真正的增量機(jī)會。

這邊，特斯拉Optimus量產(chǎn)時(shí)間正越來越近，人形機(jī)器人有望成為承載AI智能的主要載體，并且深刻改變?nèi)祟惖慕换ズ蜕a(chǎn)力方式。

基于此，海豚君啟動了對機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈的研究。本篇為第一篇，更多是從產(chǎn)業(yè)和基礎(chǔ)研究視角，從上游開始，分析人形機(jī)器人在零部件生產(chǎn)和降本上的難度和機(jī)會，重點(diǎn)集中在以下幾個(gè)問題：

一、人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)怯赡男┉h(huán)節(jié)組成的？

二、這些硬件的產(chǎn)業(yè)化難點(diǎn)？

三、人形機(jī)器人硬件機(jī)會看什么？

以下是詳細(xì)分析

一、人形機(jī)器人，生而AI

先說一個(gè)基礎(chǔ)概念——人形機(jī)器人的兩大核心特征，人的“形體”和人的“大腦”。因?yàn)槭侨诵危緦?yīng)有胳膊、腿、頭，能直立行走等核心特征，基本要實(shí)現(xiàn)功能多樣性。

而有人的“大腦”，核心是多模態(tài)感知能力、持續(xù)學(xué)習(xí)、和決策能力。人形+類人大腦合起來的目的就是通用性。簡單來說，就是不能只會站著走路，要既會搬箱子，也會煮咖啡，既能搬運(yùn)重物，也能進(jìn)工廠打螺絲。

且這些技能不是事先設(shè)定好的程序，是可以在與各類外部信息的交互過程中，去持續(xù)學(xué)會的，而且在此基礎(chǔ)上，可以獨(dú)立作出決策。

要達(dá)到人形機(jī)器人所需的通用能力，算力、算法、數(shù)據(jù)、軟硬耦合缺一不可。這兩年的AI算法和GPU/ASIC騰飛，讓算力和算法快速迭代有了可能，但硬件約束與過去截然不同。

手機(jī)智能和汽車智能化過程中，由于手機(jī)本身有通訊功能、汽車本身有交通功能，不用智能化就具備初始的規(guī)模化出貨量。而人形機(jī)器人沒有智能大腦，基本是人形鐵塊，出貨必須以AI大腦為支撐，沒有AI就無法有效出貨。

這導(dǎo)致，人形機(jī)器人作為AI時(shí)代的全新品類，硬件本身是更大制約：

首先，人形機(jī)器人作為新興品牌，硬件的要求與其他產(chǎn)業(yè)存在極大差異，一些硬件需要“無中生有”，從頭做起。比如，人形機(jī)器人需要具備極其靈敏的“觸覺”，但這塊無論是觸覺硬件還是觸覺數(shù)據(jù)，基本空白。

其次，硬件成本要足夠低，因?yàn)楹艽笠徊糠帜康氖侨肆μ娲庑兴烙?jì)的2050年10億人形機(jī)器人保有量，對應(yīng)全球80億總?cè)丝诤?0億全球聯(lián)網(wǎng)人口，沒有買得起的價(jià)格，是無法完成類汽車的滲透率的。

二、產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)拆分：還在零部件“養(yǎng)成期”

按馬斯克預(yù)期，單臺機(jī)器人售價(jià)最好2萬美金以內(nèi)，和智能電動車的起價(jià)水平差不多。同樣差不多地，是機(jī)器人高度復(fù)雜的產(chǎn)業(yè)鏈。

從產(chǎn)業(yè)鏈角度，可以大體上把行業(yè)分為上游、中游和下游。

1）上游：關(guān)注主機(jī)廠與上游供應(yīng)商的合作模式

上游也就是中油玩家主機(jī)廠的各類供應(yīng)商——執(zhí)行器、傳感器、編碼器、控制器/驅(qū)動器，以及上述硬件的集成模塊，同時(shí)也包括算力設(shè)施、算法、芯片等等。

這里想要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是，人形機(jī)器人涉及的硬件環(huán)節(jié)，與汽車產(chǎn)業(yè)，尤其是新能源汽車產(chǎn)業(yè)重合度較高。那么與新能源車產(chǎn)業(yè)鏈類似，人形機(jī)器人的主機(jī)廠（類比新能源車主機(jī)廠）與供應(yīng)商的合作模式也是多樣化的。

以特斯拉為例，它既可以直采零部件，自己做模組總成，并組裝成品，也可以采購模組或總成（比如靈巧手、某些身體關(guān)機(jī)等）。但目前來看，與新能車一樣，供應(yīng)商提供模組和總成才是與機(jī)器人主機(jī)廠更主要的合作方式。

2）中游：車廠跨界+全新創(chuàng)業(yè)

主機(jī)廠廠商，可以直觀理解為制造和銷售人形機(jī)器人的公司。目前來看，主要人形機(jī)器人主機(jī)廠公司基本集中在中美兩國。

從企業(yè)來看，除特斯拉、小鵬外，基本以創(chuàng)業(yè)公司為主。早期階段，跨界選手不多，但帶“資”進(jìn)組，實(shí)力更強(qiáng)。

3）下游：終端需求，空間要看產(chǎn)品潛力

因當(dāng)前通用能力不足，目前主要是科研、教育、參觀導(dǎo)覽等專用性場景。工業(yè)和家庭等通用場景潛力大，但目前產(chǎn)品不具備商業(yè)化落地條件。機(jī)器人通用化還要多久，是我們后續(xù)會探討的問題，本篇重點(diǎn)通過拆解人形機(jī)器人的硬件環(huán)節(jié)來理解上游進(jìn)展。

三、上游硬核拆解：到底誰是金礦？

馬斯克曾豪言人形機(jī)器人是十萬億美金生意，最新透露公司Optimus人形機(jī)器人 Gen 3會在26年一季度展示原型機(jī)，26年底啟動量產(chǎn)（量產(chǎn)后初步年產(chǎn)量大約5萬臺），但配備的最終年產(chǎn)100萬臺的產(chǎn)線。Optimus 第四代就會有1000萬的產(chǎn)能，第五代可能就是五千萬到1億臺產(chǎn)能。

如果最終特斯拉能攻克下來，機(jī)器人的空間很顯然是比較大的。因此海豚君也進(jìn)入本篇最為核心的上游硬件的價(jià)值鏈拆解。這里就以O(shè)ptimus人形機(jī)器人為例。

從結(jié)構(gòu)上，Optimus人形機(jī)器人可以大體分為頭部、身體關(guān)節(jié)以及靈巧手。我們將特斯拉Optimus Gen2的主要部位、涉及到的零部件位置、以及我們估算的在單臺人形機(jī)器人當(dāng)中的成本列示在下圖：

首先，從技術(shù)架構(gòu)的角度，人形機(jī)器人可大致分為感知層、決策層和執(zhí)行層三部分，與智能汽車類似，只是復(fù)雜度更高，具體來看：

1）感知層：主要包括各類傳感器和大腦。

大腦主要指人工智能模型，這里先不進(jìn)行探討。傳感器主要是視覺傳感器、觸覺傳感器、力矩傳感器、位置傳感器等。

① 視覺傳感器：特斯拉采用純2D視覺方案

什么是視覺傳感器？簡單可以理解為人類眼睛，主要用來光信號，實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知、物體識別和導(dǎo)航定位。

什么方案？這里又有路線之爭。特斯拉采用的是純視覺方案，僅使用2D攝像頭；但多數(shù)是多感知方案，包括使用3D相機(jī)（技術(shù)方案有結(jié)構(gòu)光、TOF、雙目等）、激光雷達(dá)，毫米波雷達(dá)等。

難在哪里？在人形機(jī)器人領(lǐng)域采用的視覺傳感器與在消費(fèi)電子、新能源車自動駕駛中采用的視覺傳感器在技術(shù)路線上并無本質(zhì)差別，主要是在性能上對動態(tài)性、實(shí)時(shí)性、集成化和低功耗方面要求較高。

目前，3D相機(jī)提供商主要是奧比中光，已與多家國內(nèi)人形機(jī)器人主機(jī)廠合作；激光雷達(dá)與汽車復(fù)用，主要供應(yīng)商禾賽科技和速騰聚創(chuàng)，海豚君對禾賽已有單獨(dú)分析，這里不再贅述。

但在特斯拉機(jī)器人的價(jià)值構(gòu)成中，由于只需要三個(gè)2D攝像頭，一顆攝像頭價(jià)值僅350元，在機(jī)器人出貨量不大時(shí)，很難對供應(yīng)商形成有效增量。

② 觸覺傳感器：核心瓶頸，技術(shù)還未收斂

什么是觸覺傳感器？簡單理解就是人類皮膚，主要用在手部，作用是感知和測量與外界物體進(jìn)行接觸時(shí)產(chǎn)生的相互作用力，包括壓力、紋理、摩擦力、溫度等，所以也被稱為“電子皮膚”。目前是人形機(jī)器人硬件環(huán)節(jié)主要難點(diǎn)。

觸覺傳感器是機(jī)器人這一新品類下催生的全新領(lǐng)域，其他行業(yè)應(yīng)用很小，對精度和靈敏度要求很高，還要有一致性、柔性、高可靠性、耐久性以及集成性等特性，目前人形機(jī)器人硬件領(lǐng)域需要重點(diǎn)攻克的難點(diǎn)。

比如，精度要求主要受物理原理、微型化集成及動態(tài)響應(yīng)限制等因素的制約，精度不足可能會使得“信號失真”，導(dǎo)致導(dǎo)致大模型學(xué)習(xí)的是偽規(guī)律。

數(shù)據(jù)一致性主要受制于制造工藝：批量生產(chǎn)過程中，材料均勻性、工藝參數(shù)等的微小波動，都會導(dǎo)致同一批次傳感器的輸出特性存在顯著差異。

此外，傳感器長期使用后的性能漂移也會產(chǎn)生影響，這些因素會導(dǎo)致大模型在訓(xùn)練時(shí)，要么過度擬合，要么噪聲過多，最終會導(dǎo)致泛化失敗。

難在哪里？生產(chǎn)角度，觸覺傳感器壁壘在于材料選擇（敏感材料、柔性電極等），結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，制造和封裝工藝（光刻、3D打印等），信號處理算法（需要從單一物理信號解耦除多維要素）等，對生產(chǎn)企業(yè)綜合實(shí)力要求較高。

什么方案？主要是壓阻式、電容式等技術(shù)方案。壓阻式主要是將電阻變化轉(zhuǎn)化為電信號，結(jié)構(gòu)相對簡單，但動態(tài)性和一致性都相對較差；電容式主要是將電容量變化轉(zhuǎn)化為電信號，動態(tài)性和一致性要好于壓阻式，雖然技術(shù)成熟度還相對較低，但是預(yù)計(jì)是未來主要的發(fā)展方向。

目前價(jià)值量占比可能不高，但未來有增加可能性。根據(jù)我們的測算，Optimus手部需要使用10個(gè)及以上的觸覺傳感器，對應(yīng)目前單臺人形機(jī)器人價(jià)值量在3000元，產(chǎn)業(yè)成熟后降本到1500元，在整個(gè)人形機(jī)器人價(jià)值量中占比僅2%。

但這里需要注意的是，目前觸覺傳感器技術(shù)路線還未收斂，考慮到未來可能由電容式替代目前壓阻式，且未來還需要滿足陣列化以及多模態(tài)感知等需求，觸覺傳感器的價(jià)值量有進(jìn)一步提升的可能性。

供應(yīng)商格局：領(lǐng)先的主要是Novasentis、Tekscan、JDI、Baumer、Fraba等海外企業(yè)、分布在美國、日本等國家。

中國企業(yè)也在加速布局，進(jìn)展較快的主要有：
柯力傳感，通過投資他山科技、猿聲先達(dá)等觸覺傳感器的研發(fā)企業(yè)；

漢威科技，已經(jīng)與多家人形機(jī)器人主機(jī)廠廠家展開合作，并且進(jìn)行產(chǎn)線建設(shè)；

福萊新材，已經(jīng)建成中試線，并已經(jīng)為多家人形機(jī)器人主機(jī)廠廠家進(jìn)行供貨等。

③ 力矩傳感器：六維力傳感器是重點(diǎn)，需國產(chǎn)替代

什么是力矩傳感器？主要是測量力和扭矩的傳感器。直觀理解可以想象一下擰瓶蓋的場景：當(dāng)你擰瓶蓋的時(shí)候，會感受到需要多大的力才能把瓶蓋擰開，力矩傳感器就是用來感知它的。普通的一維力矩傳感器的技術(shù)壁壘不高，所以這里重點(diǎn)討論六維力傳感器。

什么是六維力傳感器？可以同時(shí)測量三個(gè)方向上的力和扭矩，在特斯拉Optimus Gen 2上，六維力傳感器總共有4個(gè)，分別被放置在手腕和腳踝位置，它是人形機(jī)器人運(yùn)動控制的核心傳感器。

圖：六維力傳感器彈性體結(jié)構(gòu)示意圖

資料來源：海豚研究

難在哪里？人形機(jī)器人上的六維力傳感器對集成化、動態(tài)性能、過載能力（應(yīng)對瞬間沖擊的能力）以及精度等都有較高要求。產(chǎn)品壁壘較高，主要難點(diǎn)主要是：

a. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì): 在微小的形變下保持高靈敏度;

b. 解耦算法: 需要從原始信號中解耦出六個(gè)維度的力和力矩，并且要規(guī)避各個(gè)維度之間的串?dāng)_的影響;

c. 貼片工藝: 要克服傳統(tǒng)工藝一致性差的問題;

d. 標(biāo)定工藝: 通過測試和計(jì)算，以確定傳感器輸出信號和實(shí)際物理量的準(zhǔn)確對應(yīng)關(guān)系，標(biāo)定維度遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于普通的力矩傳感器等。

價(jià)值量占比不高。根據(jù)我們的測算，Optimus需要使用4個(gè)六維力傳感器，對應(yīng)目前單臺人形機(jī)器人價(jià)值量在5400元，產(chǎn)業(yè)成熟后降本到3200元，在人形機(jī)器人當(dāng)中占比在3%。

供應(yīng)商格局：六維力傳感器本身海外是成熟品，但供應(yīng)商主要是美國ATI，競爭壁壘較高；往后看，降本大概率依賴中國企業(yè)，中國進(jìn)展較快的有柯力傳感、安培龍、凌云股份等，都已經(jīng)與主機(jī)廠合作，部分進(jìn)入批量訂單階段。

替代風(fēng)險(xiǎn)：這個(gè)細(xì)分賽道投資的一個(gè)關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)是，六維力傳感器的技術(shù)難度和高成本，未來不排除可以通過算法升級取代這項(xiàng)傳感器，這是六維力傳感器這個(gè)環(huán)節(jié)的重要風(fēng)險(xiǎn)所在。

④ 定位傳感器：用量可能大幅增加，高端產(chǎn)品需國產(chǎn)替代

什么是定位傳感器？主要就是慣性測量單元（IMU）。力矩傳感器主要是用來感受“力”，而IMU主要是用來感受“位置”。核心組件包括加速度計(jì)、陀螺儀等，用來測量加速度和角速度，服務(wù)于人形機(jī)器人的姿態(tài)估計(jì)、平衡控制和運(yùn)動狀態(tài)測量，同樣是人形機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動控制的主要傳感器。

目前特斯拉人形機(jī)器人可能采用2顆及以上IMU主控芯片，但未來可能更多，以通過冗余配置來提升容錯能力。

圖：加速度計(jì)和陀螺儀

資料來源：Innalabs公司，海豚研究

圖：IMU結(jié)構(gòu)示意圖

資料來源：某IMU專利，來自株洲菲斯羅克光電科技股份有限公司，海豚研究

難在哪里？人形機(jī)器人需要的IMU同樣對精度（加速度計(jì)的零偏穩(wěn)定性，和陀螺儀的角度隨機(jī)游走）有極高要求，標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)高于消費(fèi)電子產(chǎn)品，并且對于制造工藝、融合算法也有較高要求。

國產(chǎn)化進(jìn)展：IMU也是成熟產(chǎn)品，但高端IMU（工業(yè)級、車規(guī)級、戰(zhàn)術(shù)級）由博世、霍尼韋爾等歐美企業(yè)把控，同樣有比較好的競爭壁壘。同時(shí)國內(nèi)企業(yè)也取得一定進(jìn)展，主要企業(yè)包括芯動聯(lián)科（已經(jīng)具備工業(yè)級的成熟產(chǎn)品）、華依科技（已經(jīng)向人形機(jī)器人主機(jī)廠廠商供貨）等。

價(jià)值量有大幅提升可能性。根據(jù)我們的測算，Optimus目前方案僅使用2個(gè)主控IMU，對應(yīng)目前單臺人形機(jī)器人價(jià)值量在8400元，產(chǎn)業(yè)成熟后降本到4200元，在人形機(jī)器人當(dāng)中占比在4%。但考慮到技術(shù)路線迭代，未來價(jià)值量有大提升的可能性。

2）決策層：主要指大腦人工智能模型，主要是AI半導(dǎo)體相關(guān)，這里暫不分析，未來做單獨(dú)分析。

3）執(zhí)行層：主要指小腦和執(zhí)行器。

小腦主要是指運(yùn)動控制系統(tǒng)，可以看作是大模型之下的小模型。

而執(zhí)行器關(guān)鍵是在關(guān)節(jié)（包括線性關(guān)節(jié)和旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)）和靈巧手（可看作由更精密的關(guān)節(jié)構(gòu)成）。其中，線性關(guān)節(jié)主要由電機(jī)和絲杠構(gòu)成，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)主要由電機(jī)和減速器構(gòu)成。

① 電機(jī)：價(jià)值量大，降本靠中國

無論身體關(guān)鍵還是手部關(guān)節(jié)，無論是旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)還是線性關(guān)節(jié)，都需要使用到電機(jī)。

為什么？目前，人形機(jī)器人都是電驅(qū)動。早年間，液壓、氣動等技術(shù)路線也被嘗試采用過（比如當(dāng)年很火的波士頓動力），但因精度不高，核心bug是難以與電控系統(tǒng)集成，與智能化沖突。

人形機(jī)器人電機(jī)特別在哪？電機(jī)的種類五花八門，目前特斯拉人形機(jī)器人的身體關(guān)節(jié)主要使用無框力矩電機(jī)，靈巧手主要使用空心杯電機(jī)，未來可能過渡到微型無框力矩電機(jī)。

無框力矩電機(jī)的優(yōu)勢是可以在受限空間內(nèi)滿足大扭矩、高精度、高功率密度、快速響應(yīng)、高可靠性、輕量化、集成化、小型化以及相對較低成本等。而空心杯電機(jī)能夠滿足在靈巧手極小空間下滿足性能要求。

拆解一下這兩種電機(jī)的結(jié)構(gòu)，以更直觀地理解：

無框力矩電機(jī)，從名字上就可以簡單理解它的結(jié)構(gòu)：與傳統(tǒng)電機(jī)的差異點(diǎn)在于，無框力矩電機(jī)取消了外殼、軸等機(jī)械機(jī)構(gòu)，從外形來看，只有圓環(huán)狀的轉(zhuǎn)子和外部的定子。

其中，轉(zhuǎn)子由環(huán)形磁鐵和鋼圈組成，可以直接跟關(guān)節(jié)的主軸集成在一起，定子由疊片和銅線圈等部件組成，可以直接與機(jī)器的外殼結(jié)合在一起。

這種結(jié)構(gòu)取消了傳統(tǒng)電機(jī)的冗余結(jié)構(gòu)，不需要一系列的傳統(tǒng)部件，因此具有集成化、高功率密度以及高響應(yīng)速度的優(yōu)勢，可以滿足人形機(jī)器人輕量化、高負(fù)載、高動態(tài)、高精度、輕量化和高可靠性等要求，因此成為目前人形機(jī)器人身體關(guān)節(jié)主流驅(qū)動方案。

圖：空心杯電機(jī)結(jié)構(gòu)

資料來源：鳴志電器官網(wǎng)，海豚研究

空心杯電機(jī)的名字來源于它的轉(zhuǎn)子的特殊結(jié)構(gòu)：與傳統(tǒng)電機(jī)相比，空心杯電機(jī)的最大特點(diǎn)在于轉(zhuǎn)子沒有鐵芯，而是由漆包線繞制成一個(gè)杯狀的自支撐線圈，形狀像水杯。而空心杯電機(jī)的定子則是由永磁體構(gòu)成。

無鐵芯的設(shè)計(jì)可以降低鐵芯結(jié)構(gòu)所帶來的不穩(wěn)定的問題（齒槽效應(yīng)），同時(shí)可以消除鐵芯所帶來的各種損耗，并且可以大幅降低電機(jī)質(zhì)量，因此具有結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行平穩(wěn)（卡頓、震動以及有噪音的情況極少）、動態(tài)響應(yīng)快、高效率低發(fā)熱、高功率密度等優(yōu)勢。

應(yīng)用在人形機(jī)器人靈巧手當(dāng)中，可以滿足靈巧手對于高集成度（因?yàn)榭臻g極其狹小）、高精度和高穩(wěn)定性（尤其是體現(xiàn)在抓取這個(gè)動作上）、高動態(tài)響應(yīng)以及高可靠性的要求。

難點(diǎn)在哪里？傳統(tǒng)電機(jī)技術(shù)已經(jīng)極其成熟，但高端產(chǎn)品中國還不成熟。無框力矩電機(jī)的磁路設(shè)計(jì)、組裝工藝、材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等有難度；空心杯電機(jī)線圈設(shè)計(jì)、線圈繞制工藝有難度，但整體上，這種難度是可以攻克的。

價(jià)值量有多少？根據(jù)我們的測算，Optimus需要使用多達(dá)40個(gè)電機(jī)，對應(yīng)目前單臺人形機(jī)器人價(jià)值量在28800元，產(chǎn)業(yè)成熟后降本到14400元，在人形機(jī)器人當(dāng)中占比達(dá)到14%，成本占比明顯高于上述傳感器。

行業(yè)格局：無框電機(jī)領(lǐng)域有美國的Kollmorgen、德國的TQ-RoboDrive、瑞士的Maxon等；空心杯電機(jī)領(lǐng)先企業(yè)主要有瑞士的Maxon、Portescap、德國的Faulhaber等。

目前中國公司有步科股份（無框力矩電機(jī)龍頭，在工業(yè)和協(xié)作機(jī)器人領(lǐng)域已批量銷售產(chǎn)品，并已經(jīng)開始給人形機(jī)器人主機(jī)廠供貨）、鳴志電器（空心杯電機(jī)技術(shù)領(lǐng)先）、偉創(chuàng)電氣（空心杯電機(jī)已經(jīng)具備量產(chǎn)能力，已與海外客戶對接）、兆威機(jī)電（空心杯電機(jī)已經(jīng)與海外客戶開展前期合作）、臥龍電驅(qū)（無框力矩電機(jī)已經(jīng)向國內(nèi)主機(jī)廠廠商供貨）、雷賽智能（已經(jīng)具備成熟的無框力矩電機(jī)和空心杯電機(jī)產(chǎn)品）、三花智控（自主研發(fā)無框力矩電機(jī)）等技術(shù)已經(jīng)較為成熟。

② 絲杠：成為主流方案概率較大，是主要的需國產(chǎn)替代的環(huán)節(jié)

身體關(guān)節(jié)為什么要分線性關(guān)節(jié)和旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)？手腕、肩膀，還是膝蓋、腳踝，它們的運(yùn)動都可以類比為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，并且有些關(guān)節(jié)可以在好幾個(gè)空間維度上進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，因此機(jī)器人必備。

a. 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動方式是圍繞某個(gè)點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，

b. 線性關(guān)節(jié)的運(yùn)動方式是沿著某條直線進(jìn)行線性運(yùn)動。人形機(jī)器人的部分位置采用線性執(zhí)行器，可以解決某些旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器可能存在的弊端。

人在通過腿部進(jìn)行跳躍的時(shí)候，肌肉的收縮更傾向于是一種線性運(yùn)動，那么人形機(jī)器人也可以模擬這一運(yùn)動過程；且相對旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器，輸出力矩更精確、更節(jié)能（不運(yùn)動的時(shí)候電機(jī)不啟動）、結(jié)構(gòu)更具剛性（更抗沖擊）等優(yōu)勢（尤其是行星滾柱絲杠），這幾點(diǎn)待我們在下文將絲杠的結(jié)構(gòu)拆解以后，可以更加直觀地進(jìn)行理解。

什么是絲杠？就是把電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動的機(jī)械裝置，主要的組成部件是中間的螺桿和外部的螺母。想象一下，用螺絲刀擰螺絲釘?shù)倪^程：旋轉(zhuǎn)螺絲刀，螺絲釘就會按直線釘入。

絲杠的工作模式也是類似的，電機(jī)帶動外圈的螺母運(yùn)動，而螺母通過滾柱，作用于螺桿上的螺旋槽，最終帶來螺桿進(jìn)行直線運(yùn)動。

相對較為傳統(tǒng)的滾珠絲杠而言，行星滾柱絲杠的優(yōu)勢在于承載力和剛度更高（因?yàn)橛蓾L珠的點(diǎn)接觸變成了滾柱的線接觸），推力更大，且具備自鎖性（不運(yùn)動的時(shí)候電機(jī)不需要啟動）匹配人形機(jī)器人需求。

但與此同時(shí)，行星滾柱絲杠的技術(shù)難度更高，主要是對精度要求更高，同時(shí)對合金材料性能要求更高，因此對熱處理工藝、精密磨削工藝的要求極高，目前螺紋磨床設(shè)備完全依賴進(jìn)口。

圖：滾珠絲杠結(jié)構(gòu)示意

資料來源：南京化纖公告，海豚研究

圖：行星滾柱絲杠結(jié)構(gòu)示意

（備注：1為螺桿，2為螺母，3為滾柱）

資料來源：某行星滾柱絲杠專利，來自中國船舶重工集團(tuán)公司第七0四研究所，海豚研究

圖：行星滾柱絲杠

資料來源：北特科技官網(wǎng)，海豚研究

應(yīng)用在人形機(jī)器人上的絲杠是全新領(lǐng)域：應(yīng)用端，之前行星滾柱絲杠主要應(yīng)用于航空航天、軍工以及某些重型工業(yè)領(lǐng)域。人形機(jī)器人上，產(chǎn)研要求側(cè)重精度（要求在C5以上）、尺寸、功率密度、動態(tài)，同時(shí)對成本也更高敏感，更加劇了應(yīng)用于人形機(jī)器人的行星滾柱絲杠產(chǎn)品的開發(fā)難度。

目前國內(nèi)主機(jī)廠選絲杠路線的相對較少，仍然主要使用旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這主要基于控制難度等原因。但考慮到絲杠優(yōu)勢，長周期有采用趨勢，而特斯拉身體關(guān)節(jié)當(dāng)前采用行星滾柱絲杠，靈巧手采用滾珠絲杠，但不排除未來更換技術(shù)路線，另有部分國內(nèi)企業(yè)身體關(guān)節(jié)也暫時(shí)采用滾珠絲杠。

價(jià)值量占比？單價(jià)2400元，但是用量較大，絲杠簡直了占到了機(jī)器人總價(jià)值量的20%（考慮身體需要使用14個(gè)行星滾柱絲杠，手部需要使用12個(gè)微型滾珠絲杠）。這個(gè)也是單一零部件價(jià)值量最大的環(huán)節(jié)，而且本身從生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)設(shè)備都有難度，是一個(gè)需要重點(diǎn)關(guān)注的細(xì)分賽道。

行業(yè)格局：目前在絲杠領(lǐng)域仍是日歐企業(yè)保持領(lǐng)先，主要是日本的THK、NSK、德國的舍弗勒（行星滾柱絲杠領(lǐng)先）、中國臺灣的上銀科技等。

中國進(jìn)展較快的企業(yè)有恒立液壓（能夠生產(chǎn)行星滾柱絲杠，已與北美客戶建立初步合作），新劍傳動（與多家主機(jī)廠廠商開展合作）、五洲新春（主要提供前道工藝，是新劍科技及海外龍頭的供應(yīng)商）、浙江榮泰（并購KGG，其具備行星滾柱絲杠生產(chǎn)能力）、北特科技、震裕科技、雙林科技、雙環(huán)傳動等。

除了本身工藝難，生產(chǎn)設(shè)備上需要磨床來生產(chǎn)螺桿上的螺紋，這個(gè)磨床設(shè)海外成熟，但中國生產(chǎn)有難度。國內(nèi)有希望突破磨床生產(chǎn)技術(shù)的設(shè)備公司主要有秦川機(jī)床、華辰裝備、浙海德曼等。

③ 減速器：價(jià)值量也大，國產(chǎn)替代不足

與線性關(guān)節(jié)不同，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)主要使用減速器作為傳動裝置。減速器是通過齒輪等內(nèi)部轉(zhuǎn)動，將電機(jī)輸出的高轉(zhuǎn)速、低扭矩的動力轉(zhuǎn)換為高精度、低轉(zhuǎn)速、高扭矩（高負(fù)載）的動力。原理類似扳手?jǐn)Q螺絲的過程。從類型上看，應(yīng)用在人形機(jī)器人上的減速器主要有行星減速器、諧波減速器、擺線減速器等。

圖：行星減速器

資料來源：臺灣普尼柯科技有限公司，海豚研究

行星減速器主要是通過行星齒輪進(jìn)行傳動，優(yōu)勢是重負(fù)載、高扭矩和抗沖擊，因此比較多地應(yīng)用在人形機(jī)器人的下肢。目前特斯拉人形機(jī)器人手部也暫用行星減速器，主要基于成本考量，未來不排除改變技術(shù)方案。

圖：諧波減速器結(jié)構(gòu)示意圖

資料來源：機(jī)器人網(wǎng)，海豚研究

諧波減速器主要由波發(fā)生器、柔輪和鋼輪組成。波發(fā)生器是讓柔輪發(fā)生彈性形變，然后柔輪齒與外側(cè)的鋼輪齒會在不同位置持續(xù)發(fā)生嚙合和分離。這個(gè)過程中，柔輪與鋼輪的嚙合位置會不斷發(fā)生變化，最終導(dǎo)致柔輪相對于鋼輪發(fā)生緩慢旋轉(zhuǎn)。

諧波減速器的優(yōu)勢是極高傳動比、精度高且體積小，但承載力和抗沖擊力有限，因此較常用在上肢。

圖：擺線減速器結(jié)構(gòu)示意圖

資料來源：國貿(mào)集團(tuán)產(chǎn)品介紹，海豚研究

RV減速器是一種復(fù)合結(jié)構(gòu)，傳動結(jié)構(gòu)分兩級，一級是行星齒輪，一級是擺線針輪。擺線針輪減速，通過輸入軸帶動偏心軸（曲柄軸），使擺線輪在針齒輪內(nèi)既公轉(zhuǎn)又自轉(zhuǎn)（自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速即為輸出轉(zhuǎn)速），從而實(shí)現(xiàn)高傳動比。

RV減速器的優(yōu)勢是同時(shí)具備高承載、高精度和高傳動比的優(yōu)勢，但結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，生產(chǎn)難度較高、成本較高。擺線減速器可以看作RV減速器的簡化版本，具備RV減速器的部分優(yōu)勢，同時(shí)結(jié)構(gòu)更加緊湊。目前特斯拉主要采用諧波減速器，未來可能在部分位置采用擺線減速器。

表 主機(jī)廠公司身體關(guān)節(jié)使用減速器和絲杠的情況

價(jià)值量占比？目前諧波減速器在特斯拉Optimus中的價(jià)值量占比達(dá)到了16%，僅次于絲杠。而且技術(shù)難點(diǎn)也比較大，例如諧波減速器目前主要由日企哈默納科掌握。

行業(yè)格局：目前高端行星減速器、諧波減速器和RV減速器均由日德企業(yè)主導(dǎo)，典型如日本的哈默納科在諧波減速器領(lǐng)域占據(jù)全球一半以上市場，斷層領(lǐng)先。減速器在性能上強(qiáng)調(diào)精度、承載力、一致性、壽命等，難點(diǎn)主要集中在材料（比如諧波減速器需要高性能的特殊合金鋼以生產(chǎn)柔輪）、齒輪加工工藝（需達(dá)到極高精度）、高性能零部件（如軸承等，生產(chǎn)難點(diǎn)在熱處理等環(huán)節(jié)）、設(shè)計(jì)仿真能力（齒形設(shè)計(jì)、力學(xué)模型等）等。

中國進(jìn)展：高端品初步國產(chǎn)替代，國內(nèi)綠的諧波（在諧波減速器領(lǐng)域已經(jīng)與北美客戶建立初步合作）、中大力德（具備行星、諧波、RV等生產(chǎn)能力）、雙環(huán)傳動（RV減速器龍頭）等進(jìn)展較快。

總結(jié)：難點(diǎn)在觸覺，機(jī)會在絲杠和減速器

通過以上梳理，按照價(jià)值量占和行業(yè)進(jìn)入壁壘兩個(gè)維度來看的話，人形機(jī)器人最難的環(huán)節(jié)是機(jī)器人催生的全新產(chǎn)業(yè)需求——電子皮膚，也就是觸覺傳感器。

而價(jià)值量較大，且行業(yè)本身有工藝或者設(shè)備難度的，主要是兩個(gè)關(guān)節(jié)部件，一個(gè)是線性關(guān)節(jié)需要的絲杠，另外一個(gè)是旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)所需的減速器。

海豚君整理如下：

此外，人形機(jī)器人并未進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化量產(chǎn)的階段，技術(shù)路線并未收斂，以上分析主要基于當(dāng)前主流技術(shù)路線，不排除未來技術(shù)路線發(fā)生變化，導(dǎo)致新的硬件的出現(xiàn)或者部分硬件被替代。

要注意的是，產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)的角度，總成也是硬件的一個(gè)核心環(huán)節(jié)。比如，靈巧手總成的產(chǎn)業(yè)化難度高于諸如絲杠、減速器等零部件，但靈巧手的壁壘不只是工業(yè)制造，同時(shí)還涉及軟件和軟硬件耦合，下篇會詳細(xì)討論。

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