人形機器人：風再起時，電機零部件充分受益
時間：2023-08-24 01:57:02
（報告出品方/作者：華福證券，鄧偉、游寶來）
(資料圖)
人形機器人：勞動力替代空間廣闊
機器人自動化水平隨制造業發展持續提升。機器人的發展跟隨制造業自動化程度不斷提升，從最早的單任務起重機式臂到機器人，再到能夠與人直接交互的協作機器人， 再發展到與人工智能結合的人形機器人。在各行各業數字化轉型的巨大需求牽引下，機器人在汽車制造、電子制造、倉儲運輸、醫療康復、應急救援等領域的應用不斷深入拓展，推動機器人產業持續蓬勃發展。
工業類、服務類、特種類機器人同步蓬勃發展。機器人廣泛應用于我國各行各業中，一般將其分為三類：工業機器人、服務機器人、特種機器人。工業機器人在汽車、電子、 金屬制品、塑料及化工產品等行業已經得到了廣泛的應用；服務機器人在建筑、教育領域需求牽引下，不斷拓展應用場景和服務模式；特種機器人在極端環境、危險作業等場景下的操作能力大幅增強，在太空探測、深海探索、應急救援等應用領域有望快速發展。
工業機器人精度和穩定性要求高，人形機器人有望達到人類的靈活水平。當機器人的軸數增加，機器人就有更高的靈活性。四軸SCARA機器人是特別為高速取放作業而設計的，有4個自由度，而六軸機器人有6個自由度，提供了更高的生產靈活性，六軸機器人最初大規模應用在汽車行業，多以負載>20kg型號為主，隨著六軸機器人逐漸向3C電子、金屬加工、食品飲料、新能源等行業擴展，負載<20kg的小六軸出貨量逐漸提升。人形機器人和工業機器人方案類似，傳動部分有減速器、伺服電機、齒輪箱，控制部分為機器人的整機控制器，驅動方式主要是電機驅動。特斯拉機器人共有40個關節，包括28個關節驅動單元和12個高靈敏度要求的手部關節。
2000年本田公司研發了第一代人形機器人ASIMO，隨后豐田、波士頓動力、特斯拉等企業參與進來，國內廠商優必選、小米、傅利葉也紛紛入局，加大研發，不斷豐富應用場景。但人形機器人的研發周期較長，需要持續不斷的、大量的資源和資金投入，國內走在前列的優必選在其招股書中披露22Q1-Q3虧損7.78億元，對標電動車發展初期，降本成行業的首要問題。 另一方面，人形機器人的難點在于交互能力、通用人工智能的能力，對人體的仿生學和動力學要求高。更擅長加工精度和重負載的傳統工業機器人廠商（ABB、Kuka、Fanuc、安川），優勢遷移存在一定難度，從人工智能控制算法這一角度，以特 斯拉為代表的軟件能力強的企業具備相當大的優勢，有希望復刻電車電池行業快速的降本曲線，帶動人形機器人產業發展。
政策催化機器人產業發展，各地明確人形機器人的場景定位。我國機器人產業2020年營業收入突破1000億元，《“十四五”機器人產業發展規劃》提出產業向中高端邁進，目標到2025年機器人產業營業收入年均增速超過20%。山東、深圳、北京等地陸續發布人形機器人相關行動方案，面向3C電子制造、新能源汽車生產等典型場景，突破復雜運動控制、定位導航、視覺處理和精細操作等技術瓶頸，推動人形機器人工程化和產業化。
潛在替代行業空間大，勞動力缺口帶動百億美元空間。特斯拉人形機器人的目標是幫助人們完成枯燥重復或危險的任務，集中在倉儲運輸、采礦伐木、家庭服務、服務業等領域。從潛在替代行業的角度看，根據美國勞工局統計的就業和平均薪水數據，針對不同行業在2030年的潛在替代空間，樂觀和悲觀市場空間預測分別為567/244億美元，在硬件成本下降后有望加速替代。從補充勞動力缺口的角度看，假設按照2030年105萬臺空間的計算（替代美國210萬勞動力缺口的50%），對標特斯拉人形機器人遠期價格降至約2萬美元，市場規模達210億美元。
特斯拉Optimus：核心傳動產品解析
特斯拉人形機器人加速迭代 。 2021年8月第一屆Tesla AI Day上，特斯拉發布了首款人形機器人“擎天柱”（Optimus）的概念圖，該人形機器人身高5英尺8英寸，重125磅，具有45磅的承載能力和150磅的硬拉能力，其控制將通過類似于電動汽車智能算法進行。2022年2月推出原型機，在2022年10月AI Day亮相接近于完整體的新一代人形機器人，2023年7月亮相世界人工智能大會。
新一代Optimus自由度提升，共40個關節 。特斯拉發布的最新一代Optimus在身體機械部分有28個關節（14個旋轉執行器+14個線性執行器），2個靈巧手共有12個關節（6個執行器*2）。 特斯拉人形機器人的靈巧手在設計中模仿了人手，擁有自適應抓取能力。手部結構為五指多關節，拇指采用雙電機驅動彎曲和側擺，其它四指各一個電機。共計6個執行器、11個自由度，負荷20磅，能夠自適應抓取角度，具備工具使用能力、小物件精準抓握能力。
Optimus身體共計28個執行器，包括三種旋轉執行器和三種線性執行器。 根據圖示統計，特斯拉人形機器人全身的28個執行器分布在肩部（6個）、肘部（2個）、腕部（6個）、軀干（2個）、髖部 （6個）、膝部（2個）、踝部（4個）。旋轉執行器和線性執行器各14個。 注：Yaw、Roll、Pitch用來區分繞y軸（垂直）、z軸（前后）、x軸（水平）旋轉。
硬件層面，在特斯拉等大主機廠帶動下，人形機器人有希望復刻電車電池行業快速的降本曲線。無框電機的單機價值量最高。執行器方面，單臺機器人價值量分布集中在無框電機，按單個價值量約214美元假設，單臺機器人所需28個無框電機，合計價值量 6,000美元，占總執行器價值量的32.8%。 未來隨著硬件降本程度加大，假設2030年人形機器人需求量達 105萬臺（替代美國210萬勞動力缺口的50%），單臺人形機器人電機價值量按2,800美元（28個，單價100美元）計算，創造無框電機約30億美元需求空間。
核心零部件：電機解決方案有望受益
以電機為驅動的核心動力單元：控制精度更高，具備大規模量產和能耗優勢。 人形機器人一般采用關節驅動器，而驅動方式主要有電機驅動、液壓驅動和氣體三種方式。1）電機驅動：具有簡單、驅動控制成熟、技術成熟，比較常見，但由于電機負載能力的限制，其負載能力也較弱；2）液壓驅動：成本略高，但具有很大的功率體積比，從而使機器人具備高動態行走能力且負載能力強；3）氣體驅動：具備壓縮性，能夠使機器人更柔順地進行運動， 但是其功率體積比最低，負載能力差。目前在全球頭部人形機器人廠商中，波士頓動力在Atlas機器人上應用液壓來進行驅動， 其余廠商大多以電機驅動方式為主。
電機種類多樣，應用廣泛，帶動全球市場規模穩步提升。電機以旋轉電機為主，根據電磁感應原理實現電能和機械能相互轉換。伺服電機能將輸入的電壓信號轉換為電機軸上的機械輸出量，達到拖動控制元件的目的；步進電機能夠將電脈沖轉化為角位移；力矩電機是一種扁平型多級永磁直流電動機，能夠降低轉矩脈動和轉速脈動。 電機產品廣泛應用于國民經濟的各個領域，大中型電機廣泛應用于工業領域，如冶金、電力、石化、煤炭、礦山、建材、造紙等。電機還應用于電子信息領域、軌道交通領域、家電領域以及新能源汽車領域等行業。根據QYResearch數據，2019年我國電機市場規模達到了344億美元，預計2026年將增長至617億美元，年復合增長率8.83%。2016年全球電機市場規模為 1097億美元，2021年達到了1313億美元，過去五年復合增長率為3.66%，預計2027年將達到2072億美元，年復合增長率 6.79%。
電機行業結合多門學科，要求企業具備多平臺能力。 1）電機行業，綜合了電機理論、微電子、電力電子、計算機科學、控制工程理論、精密機械和新材料等多門學科，涉及電機技術、材料技術、計算技術、 控制技術、微電子技術、電力電子技術、傳感技術、網絡技術等技術領域，是典型的機電一 體化產品。2）國內電機企業，要真正做好該領域，取決于是否三套團隊齊備：電機電磁技術、驅動控制技術、精密機械加工（ 材料）。但國內目前真正完整具備以上能力的企業較少，與發那科、安川等國際知名企業仍有較大距離。中國是全球第一大電機生產國，日本、德國、美國等是研發主導力量，掌控著全球大部分高檔、精密、新型技術。從份額來看，中國電機行業規模占比30%，美國占和歐盟分別占比27%和20%。
在機器人中應用無框力矩電機，主要是因為機器人尺寸限制或環境方面的特殊需求，同時能夠實現高功率和高轉矩密度。相較于有框電機，無框電機配置靈活，安裝方便，著眼于目前驅動系統的高度集成化趨勢，更貼合工程師的目標期望；工程師無需像傳統設計那樣考慮電機接口，只需要在系統設計中給予電機相當小的空間位置預留即可，可以最大限度的縮小驅動系統中動力輸出單元的空間占用，以此來達到更高的系統集成。 關節無框電機是專業為機器人關節設計研發生產。電機既有中空大孔徑，能保證關節模組完美融合的組合。通過獨特的磁路設計、繞線并線工藝及傳感器安裝結構設計，減小電機體積；無框設計降低機器人運行的自身負載，特殊轉子設計解決了機器人線束走線困難的問題。
重點公司分析
行業分布：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擁有制冷家電熱管理、新能源汽車熱管理兩大領域系列化控制部件和組件類產品，9類主導產品全球占有率第一，超過20類產品全球占有率前三位。在仿生機器人領域，公司聚焦機電執行器，全方面配合客戶產品研發、試制、調整并最終實現量產落地。
合作版圖：全球眾多車企和空調制冷電器廠家的戰略合作伙伴，已成為松下、大金、三菱、東芝、格力、美的、海爾等世界著名制冷、空調主機廠的戰略供方和合作伙伴。2023年4月14日，綠的諧波和三花智控公告將在墨西哥合資建廠，充分利用綠的諧波的相關產品優勢和公司的客戶渠道優勢，研發、生產和銷售諧波減速器，可用于機器人執行器。
產能布局：集團設有動力底盤系統、飾件系統、域想智行和機器人電驅四大事業部。智能駕駛產業園占地2600畝，一到五期已投產。重慶智慧工廠一期180畝、安徽淮南工廠一期200畝正式開工建設。長興工廠一期、西安工廠一期120畝將陸續開工。波蘭工廠一期已投產，墨西哥工廠一期220畝年底安裝設備。公司拆分設立機器人事業部，通過整合優勢資源實現業務聚焦，公司的執行器包括電機、電控及減速機構等部件，人形機器人相關樣品已送樣客戶，打開遠期市場空間。
合作版圖：憑借領先的研發技術、制造技術、質量管理和全球供應能力，與國內外多家汽車制造商建立了良好的合作關系，已成為奧迪、寶馬、通用、吉利、福特、奔馳、大眾、高合、蔚來、小鵬、LUCID等汽車制造商的全球合作伙伴。
鳴志電器成立于1994年，由設備狀態管理系統業務起家，逐步延伸至步進電機領域，目前已成為全球步進電機排名前三企業； 而后通過內生+外延方式，形成步進電機、無刷電機、伺服電機、空心杯電機、驅動器、控制器等多產品矩陣的發展模式。22 年公司持續優化自身產品結構，在信息化、自動化、智能化應用領域打造具備核心競爭力的產品。公司布局新興、高附加值應用領域業務取得顯著成效包括工業自動化、醫療器械和生化分析、移動服務機器人、光伏/鋰電/半導體、智能汽車電子。
收購子公司加強協同：2014年3月，公司以1658.2萬美金的價格收購了美國AMP（APPLIED MOTION PRODUCTS,INC）公司99%的股份，獲得先進的步進伺服控制驅動技術，公司在工業自動化、醫療/生命科學領域獲得優勢，并開拓北美市場； 2015年3月以2923.74萬元收購了Lin Engineering Inc.公司100%的股份，獲得高端步進電機技術，并進一步打開北美市場； 2018年12月，公司以3197.71瑞士法郎收購了T Motion(Technosoft Motion AG )公司100%的股份，掌握了空心杯電機和無齒槽電機的驅動控制技術，并進一步釋放產品的協同效應。
發展歷程：科力爾公司始創于1992年，前身為深圳市科力爾電機有限公司，專注于微特電機與智能驅控技術的開發、生產與銷售，迄今已成為中國最大的微特電機研發、制造和出口企業之一，其中罩極電機銷量全國第一，2017年8月于深交所掛牌上市。
合作版圖：經過多年經營，公司產品性能已經達到國際水平，產品價格富有競爭力，成為伊萊克斯、松下、美的、海信、廣電運通等國內外知名家電企業的重要供應商。2019年以來，通過推動產品升級，開拓了蘋果、華為、富士康、海康威視等一批優質客戶。
