文|浙商證券 邱世梁 王華君 林子堯
編輯|智東西內(nèi)參
近期小米、特斯拉相繼推出人形機器人原型機。小米CyberOne 于 2022 年 8 月小米發(fā)布會推出,是業(yè)內(nèi)第一款真正意義上的全尺寸人形仿生機器人。特斯拉人形機器人 Optimus 于 2022 年特斯拉 AI Day 中首次亮相,成為第一個完全依靠 AI 算法、自身電池電控和高集成電驅(qū)執(zhí)行器驅(qū)動的人形機器人。
參照新能源汽車行業(yè)發(fā)展趨勢,保守/中性/樂觀假設(shè)下,預(yù)估 2030 年全球人形機器人滲透率分別有望達 0.2%/0.4%/0.6%,對應(yīng)全球銷量分別為 39/61/100 萬臺,按售價約 2 萬美元(對應(yīng) 14 萬人民幣)測算,對應(yīng)全球市場規(guī)模分別約 548/855/1400 億元,2021-2030 年全球市場規(guī)模 CAGR 分別為 62%/71%/80%。
本期的智能內(nèi)參,我們推薦浙商證券的報告《人形機器人風起,核心零部件助力揚帆遠航》,分析人形機器人爆發(fā)后帶來的受益產(chǎn)業(yè)。
01.特斯拉、小米引領(lǐng)人形機器人,開啟智能制造時代
人形機器人代表著一個國家的高科技發(fā)展水平。人形機器人,又稱仿人機器人,涉及控制、規(guī)劃、機電一體化技術(shù)、全方位的 AI 感知技術(shù),移動能力和工作范圍,人機交互等,是一個國家的高科技發(fā)展水平的最終體現(xiàn)。
最早的“機器人”概念起源于亞里士多德的設(shè)想。1927 年第一個電驅(qū)人形機器人“Televox”誕生于美國西屋。隨后美國、日本和歐洲在這一領(lǐng)域廣泛布局,促進了人形機器人的快速發(fā)展。在 2000 年,我國也獨立研制出具有語言功能的“先行者”號人型機器人。2023 年隨“擎天柱”的誕生,人形機器人或?qū)⒆呷肴粘Ia(chǎn)生活。
▲歷時 25 個世紀,人形機器人將走入我們的正常生活
日韓在人形機器人研究領(lǐng)域表現(xiàn)活躍,日本本田代表產(chǎn)品 Asimo 身高 1.3m,體重 48kg,具有 57 個自由度,可完成上下樓和奔跑等動作。韓國
KAIST 代表產(chǎn)品 HUBO+身高 1.7m,體重 80kg,具有 32 個自由度,在 2015 年“機器人挑戰(zhàn)賽”中獲得冠軍。美國在人形機器人領(lǐng)域后來居上,波士頓動力研發(fā)的代表產(chǎn)品 Atlas 身高 1.8m,體重 80kg,具有 28 個關(guān)節(jié),可完成原地起跳轉(zhuǎn)身一周等高難度動作。波士頓動力的人形機器人 Atlas 主要聚焦在科研領(lǐng)域,商業(yè)價值低。
在波士頓動力優(yōu)秀的軟硬件配置下,Atlas 能夠完成流暢、高難度的“跑酷”動作。硬件結(jié)構(gòu)上,Atlas 擁有輕量級結(jié)構(gòu)件皮膚和足部力控傳感器,雷達與深度相機形成視覺感知,28 個液壓關(guān)節(jié)驅(qū)動完成一系列其敏捷動作,本體搭載 3 臺 NUC/工控機負責整體控制系統(tǒng)的運算。軟件方面,波士頓動力運用行為庫、實時感知和模型預(yù)測控制(MPC)技術(shù)將相機、雷達等傳感器接收的數(shù)據(jù)進行分析并對決策制定和動作規(guī)劃提供最有效的支持。
▲各國積極布局機器人領(lǐng)域
國內(nèi)人形機器人成果喜人。在科研領(lǐng)域,國科大研發(fā)的“先行者”機器人可以完成靜態(tài)和動態(tài)步行動作;哈工大推出的“HIT-III”機器人能完成上、下斜坡等動作;清華大學(xué)開發(fā)的“THBIP-II”身高 0.75m,體重 18 kg,具有 24 個自由度;浙江大學(xué)研發(fā)出會打乒乓球的“悟”、“空”人形機器人;北理工推出的“匯童”機器人可完成摔倒起立,“摔滾走爬”等動作。在產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域,深圳優(yōu)必選推出的“Walker”機器人能完成上、下臺階等動作。
小米于 2022 年 8 月公布首款全尺寸人形機器人 CyberOne(鐵大)。升級后的運動控制算法支配這機器人全身 13 個關(guān)節(jié)和 21 個自由度,實現(xiàn)雙足運動姿態(tài)平衡;電機性能增強10 倍,髖關(guān)節(jié)主要電機的動力扭矩峰值可達 300Nm,峰值扭矩密度 96Nm/kg。
AI 算法賦能環(huán)境感知,“高情商”展現(xiàn)國內(nèi)人機交互技術(shù)成果。環(huán)境感知方面,自研的Mi-Sense 深度視覺模組+AI 算法幫助 CyberOne 實現(xiàn)對真實世界的三維虛擬重建。情緒感知上,CyberOne 搭載自研 MiAI 環(huán)境語義識別引擎和 MiAI 語音情緒識別引擎,能夠?qū)崿F(xiàn) 85種環(huán)境音識別和 6 大類 45 種人類情緒識別。
人形機器人將對社會變革與發(fā)展產(chǎn)生重要影響作用。人形機器人具有與人類相似的軀干結(jié)構(gòu)與運動能力,使其具有超強環(huán)境適應(yīng)能力,較大工作范圍,豐富的動作形態(tài),更高能量利用效率和出色的人機互動能力,可將人類從低級和高危行業(yè)中解放出來,使人類能夠?qū)W⒂诟呒壷腔刍顒?,從而提升生產(chǎn)力水平和工作效率。
特斯拉人形機器人“擎天柱”于 2022 年 9 月底亮相。2021 年 8 月,馬斯克在特斯拉年度 AI 開放日上首次公開展示了“擎天柱”的想法。僅過一年時間,“擎天柱”原型機于 9 月30 日特斯拉 AI Day 發(fā)布,硬件方面,“擎天柱”身高 172CM,整體重量 73KG;行走功率500W,坐下功率 100W,整體參數(shù)與 2021 年概念機略有出入(概念機參數(shù):身高172CM,體重 57KG,負載 20KG,行走速度最高可達每小時 8 公里),我們認為存在進一步降本空間。
電機驅(qū)動上,“擎天柱”擁有 2.3KWH、52V 電壓的電池組,內(nèi)置電子電器元件的一體單位,支持人形機器人工作一整天;選用 28 個定制關(guān)節(jié)驅(qū)動器,復(fù)用汽車動力總成設(shè)計經(jīng)驗,設(shè)計 6 種關(guān)節(jié)驅(qū)動器,包括 3 種不同規(guī)格的舵機(采用諧波減速器)和 3 種不同規(guī)格的直線執(zhí)行器(采用永磁電機,可抬動 1.5 噸三角鋼琴的),找到成本與效率的最佳組合。
▲“擎天柱”擁有 6 種不同規(guī)格的關(guān)節(jié)驅(qū)動器
量化人體運動軌跡與關(guān)節(jié)受力,幫助機器人行動更加靈活。以膝蓋為例,特斯拉采用仿生思維將機器人膝關(guān)節(jié)構(gòu)造成四連推桿結(jié)構(gòu),復(fù)用汽車底層技術(shù),將機器人腿部組件產(chǎn)生的壓力數(shù)據(jù)線性化,優(yōu)化機器人在不同的運動過程中的下肢運動和力度控制能力。
靈活度方面,“擎天柱”全身約 50 個自由度,手指靈敏度高,能夠滿足多種規(guī)格的物體抓取需求。機器人單手具有 6 個執(zhí)行器,11 個自由度,在對生拇指與金屬肌腱的配合下,“擎天柱”能夠完成對不同重量和大小的物件的抓握。同時,特斯拉機械手搭載能夠驅(qū)動手指感知物體的傳感器,幫助其識別需要抓握的物體,并在不斷的抓握過程中學(xué)習提高機械手適應(yīng)性。
“擎天柱”是特斯拉 FSD 自動駕駛技術(shù)的集大成者。特斯拉采用與 Autopilot 相同的算法框架,通過自動標注(Auto Labeling)、仿真(Simulation)和數(shù)據(jù)引擎(Data Engine)形成訓(xùn)練數(shù)據(jù)用以訓(xùn)練“擎天柱”的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),使特斯拉人形機器人能夠做到損傷控制、感知周圍環(huán)境、自主規(guī)劃行動路徑、直立行走并保持相對平衡等功能。
以視覺導(dǎo)航為例,特斯拉依靠純視覺解決方案在 AI 算法領(lǐng)域一枝獨秀?!扒嫣熘辈捎弥悄荞{駛攝像頭(魚眼廣角+左右攝像頭)與 Autopilot 算法,內(nèi)置 FSD 芯片,能夠識別周圍物理環(huán)境的高頻特征并進行立體渲染,構(gòu)建了機器人良好的空間感知能力。
“擎天柱”的大腦位于軀干,搭載特斯拉自研的 DOJO 超級計算機,其基本單元是 D1芯片(共計 1500 個)。D1 芯片單體采用分布式結(jié)構(gòu)和 7 納米工藝,具有超強算力和帶寬,相鄰芯片間通過自創(chuàng)高寬帶、低延遲的連接器連接,最新 Dojo ExaPOD 由多 Dojo 機柜組成,內(nèi)含 3000 個 D1 芯片,擁有 1.3TB 的高速 SRAM、13TB 的高帶寬 DRAM,算力高達1.1 EFLOP。
人形機器人應(yīng)用領(lǐng)域正在逐漸打開。AI Day 上,“擎天柱”演示了澆花、搬運紙箱、金屬塊等工作,能夠很好地完成視覺識別、抓握、下蹲、直立行走等動作,研發(fā)團隊也在不斷更新優(yōu)化,有望在未來解鎖更多應(yīng)用場景,目前目標客群未知。
▲近年來具有代表性的人形機器人正在解鎖更多的應(yīng)用場景
02.人口紅利逐退,人形機器人行業(yè)有望高速發(fā)展
據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù),我國 65 歲以上人口比例逐年增加,于 2000 年突破 7%,進入老齡化社會。2021 年 65 歲以上人口占比更是高達14.2%。從全球看,65 歲以上人口從 1960 年的 5%增長至 2019 年的 9%,全面進入人口老齡化階段,勞動力供給將進一步短缺。
▲中國 65 歲以上人口比例連續(xù) 5 年增長,2021 年達 14%
人口結(jié)構(gòu)變化和勞動力成本上升刺激各行各業(yè)加速推進一二三產(chǎn)人工替代。根據(jù)中國計生協(xié)數(shù)據(jù),2030 年我國勞動力總數(shù)約 9.58 億人。據(jù)《中國企業(yè)綜合調(diào)查(CEGS)報告》數(shù)據(jù),2025 年中國勞動力替代率可達 4.7%。
據(jù)麥肯錫數(shù)據(jù),2030 年此數(shù)值約 15%,復(fù)合增速 26%。若以此增速估計,中國被替代勞動力數(shù)將從 2021 年的 0.15 億人增加到 2025 年的 1.2 億人。根據(jù)中國電子學(xué)會數(shù)據(jù),國內(nèi)機器人 2024 年有望達 251 億美元市場規(guī)模,2020-2024年 CAGR 約 22%。
從市場規(guī)???,工業(yè)機器人是機器人的主要品類。根據(jù)下游不同應(yīng)用場景,我國將機器人分為工業(yè)機器人,服務(wù)機器人和特種機器人三大類。根據(jù)中國電子學(xué)會數(shù)據(jù),2021 年全球工業(yè)機器人、服務(wù)機器人、特種機器人市場規(guī)模占比分別為 41%、40%、19%;中國市場三者的占比為 53%、35%、13%。
▲2021 年全球工業(yè)機器人市場占比全球機器人市場約 41%
▲2021 年中國工業(yè)機器人市場占比中國機器人市場約 53%
目前我國是全球最大的工業(yè)機器人市場。根據(jù)中國電子學(xué)會數(shù)據(jù),2021 年我國工業(yè)機器人市場規(guī)模約 75 億美元,占比全球 43%,預(yù)計 2024 年我國工業(yè)機器人市場規(guī)模有望達115 億美元,在全球工業(yè)機器人銷售額比重有望達 50%,2020-2024 年中國工業(yè)機器人銷量CAGR 約 15%。
▲2020-2024 年中國工業(yè)機器人市場規(guī)模 CAGR 約 15%
據(jù)中國電子學(xué)會預(yù)測,全球特種機器人市場規(guī)模將從2020 年的 66 億美元增長至 2024 年的 140 億美元,復(fù)合增速 21%。從國內(nèi)看,2024 年我國特種機器人市場規(guī)??蛇_ 34 億美元。特種機器人同期復(fù)合增速預(yù)計可達 27%,高于全球 6 個 pct。
▲2020-2024 年全球特種機器人市場規(guī)模 CAGR 約 21%
▲2020-2024 年中國特種機器人市場規(guī)模 CAGR 約 27%
03.動力、AI、結(jié)構(gòu)三大核心系統(tǒng)有望持續(xù)收益
動力系統(tǒng),智能 AI 系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)單元是特斯拉人形機器人的三大核心:
動力系統(tǒng):相當于人類的四肢,根據(jù)智能 AI 系統(tǒng)中決策層給出的指令做出相應(yīng)動作,此系統(tǒng)中包括能源電池系統(tǒng)和執(zhí)行機系統(tǒng)(減速器、伺服電機、控制器、絲桿等)。智能 AI 系統(tǒng):包括感知層、決策層和傳輸層三大層,感知層相當于人類的感覺器官,用于感知外界環(huán)境狀態(tài),此層級涉及傳感器和壓電元件等。決策層相當于人類的大腦,用于分析感知層收集的數(shù)據(jù),并給出相應(yīng)反饋動作指令,此層級涉及計算能力硬件和機器學(xué)習算法等。
傳輸層相當于人體的神經(jīng)元,負責將感知層收集的數(shù)據(jù)傳導(dǎo)給決策層和將決策層指令傳輸給動力系統(tǒng),此層級包括以太網(wǎng)、高速連接器等。結(jié)構(gòu)單元:包括相當于人體骨骼,用以支撐機器人形體的輕量化鋁合金、耐磨損碳纖維結(jié)構(gòu)件;相當于人體皮膚,用以包覆和感知的有機工程塑料和樹脂材料;相當于人體腹膜,用以保護緩沖內(nèi)部器件的聚氨酯填充材料。其他:包括接插件、低壓線束、面罩玻璃等,價值量不高。
▲假設(shè)動力系統(tǒng),智能 AI 系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)單元三大系統(tǒng)成本占比 90%
▲中性情況下預(yù)計 2030 年全球人形機器人三大系統(tǒng)市場規(guī)模分別可達 340/62/155 億元
根據(jù) OFweek 數(shù)據(jù),核心零部件占比工業(yè)機器人成本約 70%,其中減速器、伺服電機、控制器占比分別約為 35%/20%/15%(不同口徑下占比略有差異,總體在 70%左右)。人形機器人相較于傳統(tǒng)工業(yè)機器人,自由度大幅提升,預(yù)計將使用比工業(yè)機器人更多的減速器與電機。中性假設(shè)下,預(yù)計 2030 年全球人形機器人核心零部件市場規(guī)模約 300億元,9 年復(fù)合增速 91%。假設(shè)按未來單臺人形機器人配有 8 個 RV 減速器用于四肢,腰部、胯關(guān)節(jié)等大負載處,20 個諧波減速器裝配在小負載關(guān)節(jié)處,同時配備 28 個伺服電機進行測算。
▲預(yù)計 2021-2030 年人形機器人將促進核心零部件市場規(guī)模快速增長
減速器:日系廠商占主導(dǎo)地位。精密減速器是工業(yè)機器人的重要核心零部件。其具有傳動鏈短、體積小、功率大、質(zhì)量輕和易于控制等特點,主要作用為將電機的轉(zhuǎn)數(shù)減速到所要的轉(zhuǎn)數(shù),并得到較大扭矩。機器人減速器主要包括 RV 減速器和諧波減速器兩大類。
▲RV 減速器與諧波減速器優(yōu)勢互補,用途各異
受下游機器人行業(yè)高景氣度帶動,國內(nèi) RV 減速器行業(yè)市場規(guī)??焖僭鲩L。據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù),機器人用 RV 減速器需求量從 2014 年的 18 萬臺增長至 2020 年的 47.5 萬臺。按照 RV 減速器均價 6000 測算,2020 年 RV 減速器市場規(guī)模約 29 億元。從競爭格局看,日系廠商占據(jù)主導(dǎo)地位。據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù),2021 年納博特斯克(Nab)市場占有率約 53%,位居第一。國內(nèi)廠商雙環(huán)傳動市場占有率從 2020 年的 9%增長至 2021 年的14%,提升明顯。
▲2014-2020 機器人 RV 減速器需求量 CAGR 約 18%
▲日系廠商占據(jù) RV 減速器市場主導(dǎo)地位(2021)
我國諧波減速器市場規(guī)模 2021-2025 年復(fù)合增速約 25%。據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù),我國諧波減速器市場規(guī)模 2020 年約 15.7 億元,預(yù)計到 2025 年諧波減速器市場規(guī)模有望達 47億元,2021-2025 年 CAGR 約 25%,其中機器人用諧波減速器市場規(guī)模約 30 億元,2021-2025 年 CAGR 約 25%。
從競爭格局看,日系廠商為諧波減速器主要玩家。2021 哈默納科市場占有率達 36%。伴隨關(guān)鍵技術(shù)的攻克,國內(nèi)廠商競爭力顯著增加,2021 年綠的諧波市場占有率達 25%,位居第二。
▲預(yù)計 2021-2025 年國內(nèi)諧波減速器市場規(guī)模復(fù)合增速 25%
▲日系廠商為諧波減速器領(lǐng)域主要玩家(2021)
伺服電機廣泛應(yīng)用于機器人關(guān)節(jié)部位,直接影響機器人性能參數(shù)。伺服電機主要由定子、轉(zhuǎn)子和編碼器組成,可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象,具有體積小、質(zhì)量小、機電時間常數(shù)小、線性度高等特性。
我國 2021-2025 年伺服電機市場規(guī)模 CAGR 約 14%。隨機器人需求量上升,工業(yè)結(jié)構(gòu)升級和電子制造設(shè)備等產(chǎn)業(yè)的迅速擴張,伺服電機行業(yè)充分受益。據(jù)工控網(wǎng)統(tǒng)計,2021年我國伺服電機市場規(guī)模為 169 億元,2015-2021 年復(fù)合增速 11%。從下游應(yīng)用領(lǐng)域看,據(jù) MIR DATABANK 數(shù)據(jù),2019 年機器人市場占比伺服電機下游約 8.7%。若維持此比例,我們預(yù)計 2025 年伺服電機市場規(guī)??蛇_ 287 億元,2021-2025 年 CAGR 約 14%。
▲2015-2021 年國內(nèi)伺服電機市場規(guī)模復(fù)合增速 11%
▲預(yù)計 2021-2025 年國內(nèi)伺服電機市場規(guī)模復(fù)合增速 14%
國產(chǎn)伺服電機品牌市場競爭力逐步提升。據(jù) MIR DATABANK 統(tǒng)計,2021 年上半年,國產(chǎn)品牌匯川技術(shù)市場占有率從 9.8%升至 15.9%,反超安川等日系廠商,首次問鼎。排名第二第三的廠商為安川和臺達,市場占有率分別為 11.9%和 8.9%。
▲伺服電機市場占有率前三甲均為日系廠商(2020)
▲匯川技術(shù)市場份額排名第一(2021H1)
控制器:2012-2020 市場規(guī)模復(fù)合增速約 52%??刂破髫撠熖幚碛脩糁噶畈Ⅱ?qū)動伺服電機完成相應(yīng)動作,其性能直接關(guān)系到機器人運行的穩(wěn)定性、可靠性和精準性。經(jīng)驗積累疊加技術(shù)進步促進機器人控制器需求量高漲,據(jù)智研咨詢數(shù)據(jù),機器人控制器需求量從 2012 年的 0.6 萬套增長為 2020 年的 24 萬套,復(fù)合增速 59%。同期機器人控制器市場規(guī)模從 0.68 億元增長至 19.02 億元,復(fù)合增速 52%。
▲2012-2020 工業(yè)機器人控制器需求量 CAGR 約 59%
▲2012-2020 工業(yè)機器人控制器市場規(guī)模 CAGR 約 52%
從競爭格局看,國外廠商占據(jù)主導(dǎo)地位。根據(jù)頭豹研究院數(shù)據(jù),2021 年發(fā)那科、庫卡、ABB 和安川占據(jù)國內(nèi)機器人控制器約 58%的市場份額,國內(nèi)廠商競爭力較弱,市占率不足 20%。
▲中國機器人控制器主要以外資為主,2021 年 CR4 超 50%
另外,人形機器人有望拉動 AI 與材料市場需求。AI 系統(tǒng)是機器人賴以感知周圍環(huán)境的感官,智能傳感器是其重要組件。據(jù)中國信通院數(shù)據(jù),2016 年中國智能傳感器市場規(guī)模約 108 億美元,2020 年增長至 148 億美元,復(fù)合增速約 8%。從國產(chǎn)化率方向看,我國智能傳感器國產(chǎn)化率從 2016 年的 13%增長至 2020 年 的 31%,復(fù)合增速 24%,明顯快于行業(yè)增速。
國產(chǎn)智能車規(guī)級傳感器競爭力相對較弱。從競爭格局看,國內(nèi)車規(guī)級傳感器形成三級梯隊競爭格局。德國廠商博世處于第一梯隊;日系廠商日本電裝和森薩塔處于第二梯隊;國產(chǎn)廠商蘇奧傳感、正揚電子與禾賽科技處于第三梯隊。
因此機器人輕量化成為行業(yè)發(fā)展的必由之路。結(jié)構(gòu)材料在機器人本體重量占比最大,輕量化材料選擇是機器人“瘦身”的關(guān)鍵一環(huán)??傮w來看,當前機器人常用的輕量化材料包括鋁合金、鎂合金和碳纖維等。
▲鋁合金、鎂合金和碳纖維是主流的輕量化材料
國內(nèi)鋁合金產(chǎn)量穩(wěn)步提升,市場規(guī)模不斷擴大。據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù), 2016 年國內(nèi)鋁合金產(chǎn)量為 750 萬噸,2021 年這一數(shù)字為 1068 萬噸,復(fù)合增速 7%。國內(nèi)鋁合金市場規(guī)模將從 2017 年的 2011 億元增長至 2021 年的 2298 億元,復(fù)合增速 10%。
碳纖維市場規(guī)模過去 5 年復(fù)合增速 20%,國產(chǎn)化率僅 38%。據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù),2021 年我國碳纖維市場規(guī)模約 12 億元,同比增長 18%,過去 5 年復(fù)合增速 20%。從市場份額看,2020 年國產(chǎn)廠商市場占有率不足 38%。在國產(chǎn)市場中,CR10 達 97%,市場集中度高。其中碳谷、寶蓮和中復(fù)神鷹排名前三,市占率約 62%。
▲2016-2021 國內(nèi)碳纖維市場規(guī)模 CAGR 約 20%
智東西認為,雖然國內(nèi)目前人形機器人相關(guān)三大產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)仍然薄弱,但中國企業(yè)持續(xù)積累人形機器人的全棧核心技術(shù),是全球為數(shù)不多已生產(chǎn)出人形機器人成品的國家之一,在人形機器人市場已經(jīng)占據(jù)了與發(fā)達國家基本一致的先發(fā)優(yōu)勢。另外中國擁有世界上規(guī)模最大、門類最全、配套最完備的產(chǎn)業(yè)鏈體系,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。