文 | 海豚研究
站在25年OpenAI所代表的人工智能已有三年、产业风风火火投AI之际，海豚君通过最近几篇分析认为，26年AI关键是看算力降本、AI投入在软件和硬件两侧落地。且新硬件落地的机会才是真正的增量机会。
这边，特斯拉Optimus量产时间正越来越近，人形机器人有望成为承载AI智能的主要载体，并且深刻改变人类的交互和生产力方式。
基于此，海豚君启动了对机器人产业链的研究。本篇为第一篇，更多是从产业和基础研究视角，从上游开始，分析人形机器人在零部件生产和降本上的难度和机会，重点集中在以下几个问题：
一、人形机器人产业链是由哪些环节组成的？
二、这些硬件的产业化难点？
三、人形机器人硬件机会看什么？
以下是详细分析
一、人形机器人，生而AI先说一个基础概念——人形机器人的两大核心特征，人的“形体”和人的“大脑”。因为是人形，基本对应有胳膊、腿、头，能直立行走等核心特征，基本要实现功能多样性。
而有人的“大脑”，核心是多模态感知能力、持续学习、和决策能力。人形+类人大脑合起来的目的就是通用性。简单来说，就是不能只会站着走路，要既会搬箱子，也会煮咖啡，既能搬运重物，也能进工厂打螺丝。
且这些技能不是事先设定好的程序，是可以在与各类外部信息的交互过程中，去持续学会的，而且在此基础上，可以独立作出决策。
要达到人形机器人所需的通用能力，算力、算法、数据、软硬耦合缺一不可。这两年的AI算法和GPU/ASIC腾飞，让算力和算法快速迭代有了可能，但硬件约束与过去截然不同。
手机智能和汽车智能化过程中，由于手机本身有通讯功能、汽车本身有交通功能，不用智能化就具备初始的规模化出货量。而人形机器人没有智能大脑，基本是人形铁块，出货必须以AI大脑为支撑，没有AI就无法有效出货。
这导致，人形机器人作为AI时代的全新品类，硬件本身是更大制约：
首先，人形机器人作为新兴品牌，硬件的要求与其他产业存在极大差异，一些硬件需要“无中生有”，从头做起。比如，人形机器人需要具备极其灵敏的“触觉”，但这块无论是触觉硬件还是触觉数据，基本空白。
其次，硬件成本要足够低，因为很大一部分目的是人力替代，外行所估计的2050年10亿人形机器人保有量，对应全球80亿总人口和50亿全球联网人口，没有买得起的价格，是无法完成类汽车的渗透率的。
二、产业链环节拆分：还在零部件“养成期”按马斯克预期，单台机器人售价最好2万美金以内，和智能电动车的起价水平差不多。同样差不多地，是机器人高度复杂的产业链。
从产业链角度，可以大体上把行业分为上游、中游和下游。
1）上游：关注主机厂与上游供应商的合作模式
上游也就是中油玩家主机厂的各类供应商——执行器、传感器、编码器、控制器/驱动器，以及上述硬件的集成模块，同时也包括算力设施、算法、芯片等等。
这里想要强调的一点是，人形机器人涉及的硬件环节，与汽车产业，尤其是新能源汽车产业重合度较高。那么与新能源车产业链类似，人形机器人的主机厂（类比新能源车主机厂）与供应商的合作模式也是多样化的。
以特斯拉为例，它既可以直采零部件，自己做模组总成，并组装成品，也可以采购模组或总成（比如灵巧手、某些身体关机等）。但目前来看，与新能车一样，供应商提供模组和总成才是与机器人主机厂更主要的合作方式。
2）中游：车厂跨界+全新创业
主机厂厂商，可以直观理解为制造和销售人形机器人的公司。目前来看，主要人形机器人主机厂公司基本集中在中美两国。
从企业来看，除特斯拉、小鹏外，基本以创业公司为主。早期阶段，跨界选手不多，但带“资”进组，实力更强。
3）下游：终端需求，空间要看产品潜力
因当前通用能力不足，目前主要是科研、教育、参观导览等专用性场景。工业和家庭等通用场景潜力大，但目前产品不具备商业化落地条件。机器人通用化还要多久，是我们后续会探讨的问题，本篇重点通过拆解人形机器人的硬件环节来理解上游进展。
三、上游硬核拆解：到底谁是金矿？马斯克曾豪言人形机器人是十万亿美金生意，最新透露公司Optimus人形机器人 Gen 3会在26年一季度展示原型机，26年底启动量产（量产后初步年产量大约5万台），但配备的最终年产100万台的产线。Optimus 第四代就会有1000万的产能，第五代可能就是五千万到1亿台产能。
如果最终特斯拉能攻克下来，机器人的空间很显然是比较大的。因此海豚君也进入本篇最为核心的上游硬件的价值链拆解。这里就以Optimus人形机器人为例。
从结构上，Optimus人形机器人可以大体分为头部、身体关节以及灵巧手。我们将特斯拉Optimus Gen2的主要部位、涉及到的零部件位置、以及我们估算的在单台人形机器人当中的成本列示在下图：
首先，从技术架构的角度，人形机器人可大致分为感知层、决策层和执行层三部分，与智能汽车类似，只是复杂度更高，具体来看：
1）感知层：主要包括各类传感器和大脑。
大脑主要指人工智能模型，这里先不进行探讨。传感器主要是视觉传感器、触觉传感器、力矩传感器、位置传感器等。
① 视觉传感器：特斯拉采用纯2D视觉方案
什么是视觉传感器？简单可以理解为人类眼睛，主要用来光信号，实现环境感知、物体识别和导航定位。
什么方案？这里又有路线之争。特斯拉采用的是纯视觉方案，仅使用2D摄像头；但多数是多感知方案，包括使用3D相机（技术方案有结构光、TOF、双目等）、激光雷达，毫米波雷达等。
难在哪里？在人形机器人领域采用的视觉传感器与在消费电子、新能源车自动驾驶中采用的视觉传感器在技术路线上并无本质差别，主要是在性能上对动态性、实时性、集成化和低功耗方面要求较高。
目前，3D相机提供商主要是奥比中光，已与多家国内人形机器人主机厂合作；激光雷达与汽车复用，主要供应商禾赛科技和速腾聚创，海豚君对禾赛已有单独分析，这里不再赘述。
但在特斯拉机器人的价值构成中，由于只需要三个2D摄像头，一颗摄像头价值仅350元，在机器人出货量不大时，很难对供应商形成有效增量。
② 触觉传感器：核心瓶颈，技术还未收敛
什么是触觉传感器？简单理解就是人类皮肤，主要用在手部，作用是感知和测量与外界物体进行接触时产生的相互作用力，包括压力、纹理、摩擦力、温度等，所以也被称为“电子皮肤”。目前是人形机器人硬件环节主要难点。
触觉传感器是机器人这一新品类下催生的全新领域，其他行业应用很小，对精度和灵敏度要求很高，还要有一致性、柔性、高可靠性、耐久性以及集成性等特性，目前人形机器人硬件领域需要重点攻克的难点。
比如，精度要求主要受物理原理、微型化集成及动态响应限制等因素的制约，精度不足可能会使得“信号失真”，导致导致大模型学习的是伪规律。
数据一致性主要受制于制造工艺：批量生产过程中，材料均匀性、工艺参数等的微小波动，都会导致同一批次传感器的输出特性存在显著差异。
此外，传感器长期使用后的性能漂移也会产生影响，这些因素会导致大模型在训练时，要么过度拟合，要么噪声过多，最终会导致泛化失败。
难在哪里？生产角度，触觉传感器壁垒在于材料选择（敏感材料、柔性电极等），结构设计，制造和封装工艺（光刻、3D打印等），信号处理算法（需要从单一物理信号解耦除多维要素）等，对生产企业综合实力要求较高。
什么方案？主要是压阻式、电容式等技术方案。压阻式主要是将电阻变化转化为电信号，结构相对简单，但动态性和一致性都相对较差；电容式主要是将电容量变化转化为电信号，动态性和一致性要好于压阻式，虽然技术成熟度还相对较低，但是预计是未来主要的发展方向。
目前价值量占比可能不高，但未来有增加可能性。根据我们的测算，Optimus手部需要使用10个及以上的触觉传感器，对应目前单台人形机器人价值量在3000元，产业成熟后降本到1500元，在整个人形机器人价值量中占比仅2%。
但这里需要注意的是，目前触觉传感器技术路线还未收敛，考虑到未来可能由电容式替代目前压阻式，且未来还需要满足阵列化以及多模态感知等需求，触觉传感器的价值量有进一步提升的可能性。
供应商格局：领先的主要是Novasentis、Tekscan、JDI、Baumer、Fraba等海外企业、分布在美国、日本等国家。
中国企业也在加速布局，进展较快的主要有：
柯力传感，通过投资他山科技、猿声先达等触觉传感器的研发企业；
汉威科技，已经与多家人形机器人主机厂厂家展开合作，并且进行产线建设；
福莱新材，已经建成中试线，并已经为多家人形机器人主机厂厂家进行供货等。
③ 力矩传感器：六维力传感器是重点，需国产替代
什么是力矩传感器？主要是测量力和扭矩的传感器。直观理解可以想象一下拧瓶盖的场景：当你拧瓶盖的时候，会感受到需要多大的力才能把瓶盖拧开，力矩传感器就是用来感知它的。普通的一维力矩传感器的技术壁垒不高，所以这里重点讨论六维力传感器。
什么是六维力传感器？可以同时测量三个方向上的力和扭矩，在特斯拉Optimus Gen 2上，六维力传感器总共有4个，分别被放置在手腕和脚踝位置，它是人形机器人运动控制的核心传感器。
图：六维力传感器弹性体结构示意图
资料来源：海豚研究
难在哪里？人形机器人上的六维力传感器对集成化、动态性能、过载能力（应对瞬间冲击的能力）以及精度等都有较高要求。产品壁垒较高，主要难点主要是：
a. 结构设计: 在微小的形变下保持高灵敏度;
b. 解耦算法: 需要从原始信号中解耦出六个维度的力和力矩，并且要规避各个维度之间的串扰的影响;
c. 贴片工艺: 要克服传统工艺一致性差的问题;
d. 标定工艺: 通过测试和计算，以确定传感器输出信号和实际物理量的准确对应关系，标定维度远远多于普通的力矩传感器等。
价值量占比不高。根据我们的测算，Optimus需要使用4个六维力传感器，对应目前单台人形机器人价值量在5400元，产业成熟后降本到3200元，在人形机器人当中占比在3%。
供应商格局：六维力传感器本身海外是成熟品，但供应商主要是美国ATI，竞争壁垒较高；往后看，降本大概率依赖中国企业，中国进展较快的有柯力传感、安培龙、凌云股份等，都已经与主机厂合作，部分进入批量订单阶段。
替代风险：这个细分赛道投资的一个关键风险是，六维力传感器的技术难度和高成本，未来不排除可以通过算法升级取代这项传感器，这是六维力传感器这个环节的重要风险所在。
④ 定位传感器：用量可能大幅增加，高端产品需国产替代
什么是定位传感器？主要就是惯性测量单元（IMU）。力矩传感器主要是用来感受“力”，而IMU主要是用来感受“位置”。核心组件包括加速度计、陀螺仪等，用来测量加速度和角速度，服务于人形机器人的姿态估计、平衡控制和运动状态测量，同样是人形机器人进行运动控制的主要传感器。
目前特斯拉人形机器人可能采用2颗及以上IMU主控芯片，但未来可能更多，以通过冗余配置来提升容错能力。
图：加速度计和陀螺仪
资料来源：Innalabs公司，海豚研究
图：IMU结构示意图
资料来源：某IMU专利，来自株洲菲斯罗克光电科技股份有限公司，海豚研究
难在哪里？人形机器人需要的IMU同样对精度（加速度计的零偏稳定性，和陀螺仪的角度随机游走）有极高要求，标准远高于消费电子产品，并且对于制造工艺、融合算法也有较高要求。
国产化进展：IMU也是成熟产品，但高端IMU（工业级、车规级、战术级）由博世、霍尼韦尔等欧美企业把控，同样有比较好的竞争壁垒。同时国内企业也取得一定进展，主要企业包括芯动联科（已经具备工业级的成熟产品）、华依科技（已经向人形机器人主机厂厂商供货）等。
价值量有大幅提升可能性。根据我们的测算，Optimus目前方案仅使用2个主控IMU，对应目前单台人形机器人价值量在8400元，产业成熟后降本到4200元，在人形机器人当中占比在4%。但考虑到技术路线迭代，未来价值量有大提升的可能性。
2）决策层：主要指大脑人工智能模型，主要是AI半导体相关，这里暂不分析，未来做单独分析。
3）执行层：主要指小脑和执行器。
小脑主要是指运动控制系统，可以看作是大模型之下的小模型。
而执行器关键是在关节（包括线性关节和旋转关节）和灵巧手（可看作由更精密的关节构成）。其中，线性关节主要由电机和丝杠构成，旋转关节主要由电机和减速器构成。
① 电机：价值量大，降本靠中国
无论身体关键还是手部关节，无论是旋转关节还是线性关节，都需要使用到电机。
为什么？目前，人形机器人都是电驱动。早年间，液压、气动等技术路线也被尝试采用过（比如当年很火的波士顿动力），但因精度不高，核心bug是难以与电控系统集成，与智能化冲突。
人形机器人电机特别在哪？电机的种类五花八门，目前特斯拉人形机器人的身体关节主要使用无框力矩电机，灵巧手主要使用空心杯电机，未来可能过渡到微型无框力矩电机。
无框力矩电机的优势是可以在受限空间内满足大扭矩、高精度、高功率密度、快速响应、高可靠性、轻量化、集成化、小型化以及相对较低成本等。而空心杯电机能够满足在灵巧手极小空间下满足性能要求。
拆解一下这两种电机的结构，以更直观地理解：
无框力矩电机，从名字上就可以简单理解它的结构：与传统电机的差异点在于，无框力矩电机取消了外壳、轴等机械机构，从外形来看，只有圆环状的转子和外部的定子。
其中，转子由环形磁铁和钢圈组成，可以直接跟关节的主轴集成在一起，定子由叠片和铜线圈等部件组成，可以直接与机器的外壳结合在一起。
这种结构取消了传统电机的冗余结构，不需要一系列的传统部件，因此具有集成化、高功率密度以及高响应速度的优势，可以满足人形机器人轻量化、高负载、高动态、高精度、轻量化和高可靠性等要求，因此成为目前人形机器人身体关节主流驱动方案。
图：空心杯电机结构
资料来源：鸣志电器官网，海豚研究
空心杯电机的名字来源于它的转子的特殊结构：与传统电机相比，空心杯电机的最大特点在于转子没有铁芯，而是由漆包线绕制成一个杯状的自支撑线圈，形状像水杯。而空心杯电机的定子则是由永磁体构成。
无铁芯的设计可以降低铁芯结构所带来的不稳定的问题（齿槽效应），同时可以消除铁芯所带来的各种损耗，并且可以大幅降低电机质量，因此具有结构紧凑、运行平稳（卡顿、震动以及有噪音的情况极少）、动态响应快、高效率低发热、高功率密度等优势。
应用在人形机器人灵巧手当中，可以满足灵巧手对于高集成度（因为空间极其狭小）、高精度和高稳定性（尤其是体现在抓取这个动作上）、高动态响应以及高可靠性的要求。
难点在哪里？传统电机技术已经极其成熟，但高端产品中国还不成熟。无框力矩电机的磁路设计、组装工艺、材料选择、结构设计等有难度；空心杯电机线圈设计、线圈绕制工艺有难度，但整体上，这种难度是可以攻克的。
价值量有多少？根据我们的测算，Optimus需要使用多达40个电机，对应目前单台人形机器人价值量在28800元，产业成熟后降本到14400元，在人形机器人当中占比达到14%，成本占比明显高于上述传感器。
行业格局：无框电机领域有美国的Kollmorgen、德国的TQ-RoboDrive、瑞士的Maxon等；空心杯电机领先企业主要有瑞士的Maxon、Portescap、德国的Faulhaber等。
目前中国公司有步科股份（无框力矩电机龙头，在工业和协作机器人领域已批量销售产品，并已经开始给人形机器人主机厂供货）、鸣志电器（空心杯电机技术领先）、伟创电气（空心杯电机已经具备量产能力，已与海外客户对接）、兆威机电（空心杯电机已经与海外客户开展前期合作）、卧龙电驱（无框力矩电机已经向国内主机厂厂商供货）、雷赛智能（已经具备成熟的无框力矩电机和空心杯电机产品）、三花智控（自主研发无框力矩电机）等技术已经较为成熟。
② 丝杠：成为主流方案概率较大，是主要的需国产替代的环节
身体关节为什么要分线性关节和旋转关节？手腕、肩膀，还是膝盖、脚踝，它们的运动都可以类比为旋转运动，并且有些关节可以在好几个空间维度上进行旋转，因此机器人必备。
a. 旋转关节的运动方式是围绕某个点进行旋转，
b. 线性关节的运动方式是沿着某条直线进行线性运动。人形机器人的部分位置采用线性执行器，可以解决某些旋转执行器可能存在的弊端。
人在通过腿部进行跳跃的时候，肌肉的收缩更倾向于是一种线性运动，那么人形机器人也可以模拟这一运动过程；且相对旋转执行器，输出力矩更精确、更节能（不运动的时候电机不启动）、结构更具刚性（更抗冲击）等优势（尤其是行星滚柱丝杠），这几点待我们在下文将丝杠的结构拆解以后，可以更加直观地进行理解。
什么是丝杠？就是把电机旋转运动转化为直线运动的机械装置，主要的组成部件是中间的螺杆和外部的螺母。想象一下，用螺丝刀拧螺丝钉的过程：旋转螺丝刀，螺丝钉就会按直线钉入。
丝杠的工作模式也是类似的，电机带动外圈的螺母运动，而螺母通过滚柱，作用于螺杆上的螺旋槽，最终带来螺杆进行直线运动。
相对较为传统的滚珠丝杠而言，行星滚柱丝杠的优势在于承载力和刚度更高（因为由滚珠的点接触变成了滚柱的线接触），推力更大，且具备自锁性（不运动的时候电机不需要启动）匹配人形机器人需求。
但与此同时，行星滚柱丝杠的技术难度更高，主要是对精度要求更高，同时对合金材料性能要求更高，因此对热处理工艺、精密磨削工艺的要求极高，目前螺纹磨床设备完全依赖进口。
图：滚珠丝杠结构示意
资料来源：南京化纤公告，海豚研究
图：行星滚柱丝杠结构示意
（备注：1为螺杆，2为螺母，3为滚柱）
资料来源：某行星滚柱丝杠专利，来自中国船舶重工集团公司第七0四研究所，海豚研究
图：行星滚柱丝杠
资料来源：北特科技官网，海豚研究
应用在人形机器人上的丝杠是全新领域：应用端，之前行星滚柱丝杠主要应用于航空航天、军工以及某些重型工业领域。人形机器人上，产研要求侧重精度（要求在C5以上）、尺寸、功率密度、动态，同时对成本也更高敏感，更加剧了应用于人形机器人的行星滚柱丝杠产品的开发难度。
目前国内主机厂选丝杠路线的相对较少，仍然主要使用旋转关节，这主要基于控制难度等原因。但考虑到丝杠优势，长周期有采用趋势，而特斯拉身体关节当前采用行星滚柱丝杠，灵巧手采用滚珠丝杠，但不排除未来更换技术路线，另有部分国内企业身体关节也暂时采用滚珠丝杠。
价值量占比？单价2400元，但是用量较大，丝杠简直了占到了机器人总价值量的20%（考虑身体需要使用14个行星滚柱丝杠，手部需要使用12个微型滚珠丝杠）。这个也是单一零部件价值量最大的环节，而且本身从生产工艺和生产设备都有难度，是一个需要重点关注的细分赛道。
行业格局：目前在丝杠领域仍是日欧企业保持领先，主要是日本的THK、NSK、德国的舍弗勒（行星滚柱丝杠领先）、中国台湾的上银科技等。
中国进展较快的企业有恒立液压（能够生产行星滚柱丝杠，已与北美客户建立初步合作），新剑传动（与多家主机厂厂商开展合作）、五洲新春（主要提供前道工艺，是新剑科技及海外龙头的供应商）、浙江荣泰（并购KGG，其具备行星滚柱丝杠生产能力）、北特科技、震裕科技、双林科技、双环传动等。
除了本身工艺难，生产设备上需要磨床来生产螺杆上的螺纹，这个磨床设海外成熟，但中国生产有难度。国内有希望突破磨床生产技术的设备公司主要有秦川机床、华辰装备、浙海德曼等。
③ 减速器：价值量也大，国产替代不足
与线性关节不同，旋转关节主要使用减速器作为传动装置。减速器是通过齿轮等内部转动，将电机输出的高转速、低扭矩的动力转换为高精度、低转速、高扭矩（高负载）的动力。原理类似扳手拧螺丝的过程。从类型上看，应用在人形机器人上的减速器主要有行星减速器、谐波减速器、摆线减速器等。
图：行星减速器
资料来源：台湾普尼柯科技有限公司，海豚研究
行星减速器主要是通过行星齿轮进行传动，优势是重负载、高扭矩和抗冲击，因此比较多地应用在人形机器人的下肢。目前特斯拉人形机器人手部也暂用行星减速器，主要基于成本考量，未来不排除改变技术方案。
图：谐波减速器结构示意图
资料来源：机器人网，海豚研究
谐波减速器主要由波发生器、柔轮和钢轮组成。波发生器是让柔轮发生弹性形变，然后柔轮齿与外侧的钢轮齿会在不同位置持续发生啮合和分离。这个过程中，柔轮与钢轮的啮合位置会不断发生变化，最终导致柔轮相对于钢轮发生缓慢旋转。
谐波减速器的优势是极高传动比、精度高且体积小，但承载力和抗冲击力有限，因此较常用在上肢。
图：摆线减速器结构示意图
资料来源：国贸集团产品介绍，海豚研究
RV减速器是一种复合结构，传动结构分两级，一级是行星齿轮，一级是摆线针轮。摆线针轮减速，通过输入轴带动偏心轴（曲柄轴），使摆线轮在针齿轮内既公转又自转（自转转速即为输出转速），从而实现高传动比。
RV减速器的优势是同时具备高承载、高精度和高传动比的优势，但结构极其复杂，生产难度较高、成本较高。摆线减速器可以看作RV减速器的简化版本，具备RV减速器的部分优势，同时结构更加紧凑。目前特斯拉主要采用谐波减速器，未来可能在部分位置采用摆线减速器。
表 主机厂公司身体关节使用减速器和丝杠的情况
价值量占比？目前谐波减速器在特斯拉Optimus中的价值量占比达到了16%，仅次于丝杠。而且技术难点也比较大，例如谐波减速器目前主要由日企哈默纳科掌握。
行业格局：目前高端行星减速器、谐波减速器和RV减速器均由日德企业主导，典型如日本的哈默纳科在谐波减速器领域占据全球一半以上市场，断层领先。减速器在性能上强调精度、承载力、一致性、寿命等，难点主要集中在材料（比如谐波减速器需要高性能的特殊合金钢以生产柔轮）、齿轮加工工艺（需达到极高精度）、高性能零部件（如轴承等，生产难点在热处理等环节）、设计仿真能力（齿形设计、力学模型等）等。
中国进展：高端品初步国产替代，国内绿的谐波（在谐波减速器领域已经与北美客户建立初步合作）、中大力德（具备行星、谐波、RV等生产能力）、双环传动（RV减速器龙头）等进展较快。
总结：难点在触觉，机会在丝杠和减速器
通过以上梳理，按照价值量占和行业进入壁垒两个维度来看的话，人形机器人最难的环节是机器人催生的全新产业需求——电子皮肤，也就是触觉传感器。
而价值量较大，且行业本身有工艺或者设备难度的，主要是两个关节部件，一个是线性关节需要的丝杠，另外一个是旋转关节所需的减速器。
海豚君整理如下：
此外，人形机器人并未进入产业化量产的阶段，技术路线并未收敛，以上分析主要基于当前主流技术路线，不排除未来技术路线发生变化，导致新的硬件的出现或者部分硬件被替代。
要注意的是，产业链环节的角度，总成也是硬件的一个核心环节。比如，灵巧手总成的产业化难度高于诸如丝杠、减速器等零部件，但灵巧手的壁垒不只是工业制造，同时还涉及软件和软硬件耦合，下篇会详细讨论。
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