《人形机器人:黎明破晓，AI归宿》钛祺智库报告分享

人形机器人是AI技术落地物理世界的优质载体，近两年通用大模型的发展赋予人形机器人强大的泛化能力，产业进入商业化落地的初级阶段，特斯拉、Open Al、英伟达、三星等科技巨头纷纷入局抢占行业高地。以特斯拉为例，马斯克于2021年提出人形机器人概念机Tesla Bot，2022年推出原型机Optimus，2023年12月推出Optimus-Gen2，相比一代进化显著，感知、大脑、运控能力明显提升。伴随特斯拉Optimus落地，2025年人形机器人将步入量产元年，其应用场景有望经历“汽车工厂应用一制造业开始全面渗透铺开一成熟后走进千家万户”三个阶段。据我们测算，至2030年全球人形机器人需求有望达200万台，对应市场空间超5700亿元。

一、人形机器人:行则将至，量产可期

1.1 人形机器人发展历程:当梦想照进现实，商业化行则将至

1.1 人形机器人天然适应人类生活场景，成本与技术为制约其量产的主要因素

为什么机器人要做成人形?

1)现实世界的工作、生活场景多数是为人类专门设计的，人形机器人可以很好地适应场景而无需改变现有设施。2)因为具备人的形状，人形机器人在人机交互过程中更容易被人接受，更具有情感价值。

为什么人形机器人还未大规模商业化?

人形机器人有着几十年的发展历程，在特斯拉Optimus受到广泛关注之前，日本本田和美国波士顿都有人形机器人推出，但没有商业化量产，原因在于:1)成本居高不下:波士顿动力Atlas与本田Asimo的成本均达到了百万美元以上;2)技术难点尚未完全攻克:如软件端不能适应复杂应用场景、交互能力差、运控平衡能力有待提升，硬件端续航能力不足、执行器的精度和功率密度/力矩密度仍需提升。

1.2 多模态大模型赋予机器人泛化能力，具身智能曙光初现

通用大模型为具身智能带来革命性潜力。人形机器人的硬件决定运动的灵活程度，零部件多为其他行业的应用迁移，成本痛点可通过产业链规模生产解决;而软件算法充当机器人的“大脑”，决定机器人的应用上限，是机器人商业化拓展的主要瓶颈。此前，机器人依赖固有的程序设定执行任务，难有在各类场景通用的算法，机器人的落地应用受限。近年来LLM、VLM、VNM等通用大模型的发展赋予了机器人本体强大的泛化能力，机器人可以适用于更多复杂场景、非专业人员不需编程即可实现操作，人形机器人商业化进程提速。“具身智能”的机器人不再是机械式地完成单一任务，而是能够基于感知到的任务和环境进行自主规划、决策、行动、执行的新个体，语言交互、智能决策、自主学习、多模态感知等能力全面提升。

1.3 特斯拉引领，科技巨头加速入局推动产业革新

科技巨头加速入局推动产业革新。1)特斯拉:2022年9月30日特斯拉推出人形机器人Optimus原型机，2023年马斯克表示特斯拉的长期价值将来自AI和机器人;2) OpenAI:2023年3月，OpenAI投资挪威人形机器人公司1XTechnologies;2024年5月，OpenAI称已重启机器人团队两个月;3)三星:2023年1月，三星向韩国机器人厂商Rainbow Robotics投资590亿韩元;4)英伟达:2023年5月，黄仁勋表示，人工智能的下一个浪潮将是具身智能;2024年2月，英伟达成立通用具身智能体研究部门;2024年3月，英伟达发布人形机器人大模型Project GROOT;2024年6月，黄仁勋强调“下一波AI的浪潮是物理AI，机器人时代已经到来”;5) FigureAI:2022年成立，2024年2月获英伟达、微软、OpenAI、英特尔等科技公司共计6.75亿美元的投资。

1.3 特斯拉Optimus进展超预期，行业开启新一轮“军备竞赛”

特斯拉Optimus快速迭代，引领新一轮科技革命浪潮。马斯克在2021年AI DAY上提出人形机器人概念机Tesla Bot，随后开始快速发展迭代，2022年2月搭建完成开发平台，2022年10月在AI DAY上正式推出原型机Optimus，此时可实现行走、搬运、洒水等简单动作，2023年12月推出Optimus-Gen2，相比一代显著进化，感知、大脑、运控能力明显提升。特斯拉人形机器人可形成完整的产业闭环，商业化落地值得期待:Optimus复用自动驾驶相关技术，快速实现了从概念机到智能灵活机器人的进化，特斯拉汽车的工厂生产和门店销售也为人形机器人提供了商业化落地的初步场景，产业链优势为降本提供了可能，远期量产价格目标为2万美元/台。

1.3 特斯拉Optimus进展超预期，行业开启新一轮“军备竞赛’

1.4人形机器人将在工厂率先落地，未来将应用于商业服务、家庭陪伴

人形机器人将逐渐从工厂走向家庭，从to B走向to C。从主流机器人厂商的战略规划来看，人形机器人将率先应用于工业制造领域，积累成熟后将拓展至商用服务、家庭陪伴等场景。这主要是因为工厂制造场景相对简单、机器替人需求更加迫切，而商业和家庭场景复杂，对人形机器人的软硬件要求高。

《人形机器人创新发展指导意见》指明特种服务、制造业、民生三大示范场景，擘画2027深度融合实体经济。我国人形机器人应用分两步走:第一阶段目标为2025年在特种服务、制造业、民生领域率先应用;第二阶段目标是，至2027年产业加速实现规模化发展，应用场景更加丰富，相关产品深度融入实体经济，成为重要的经济增长新引擎，人形机器人深入生活未来可期。

1.5 2025年为量产元年，至2030年全球累计需求量有望达200万台

2030年人形机器人累计需求有望达200万台，对应市场空间约5700亿元。伴随特斯拉Optimus落地，2025年人形机器人将步入量产元年，其应用场景有望经历“特斯拉引领在特定领域工厂应用一制造业开始全面渗透铺开一成熟后走进千家万户”三个阶段。我们对人形机器人销量进行预测，考虑到人形机器人前期供应以特斯拉等头部厂商为主、随后在制造业渗透应用，基于此，我们做出如下核心假设和测算逻辑:

1)第一阶段(2025-2027年):以特斯拉等工厂应用为核心，假设①特斯拉工厂工人数量每年增长15%;②人形机器人在其工厂中的渗透率分别为5%、20%、50%;③特斯拉工厂人形机器人在全球的市占率分别为90%、75%、55%;

2)第二阶段(2028-2030年):①据UNIDO数据，2015-2021年全球制造业人数年均降低0.075%，假设2024-2030年仍保持这一速度降低;②参考新能源车渗透率提升速度，假设2028-2030年全球制造业人形机器人渗透率分别为0.07%、0.19%、0.45%。

3)单价:成本将随规模效应逐渐降低，根据优必选、宇树、小米等厂商价格，我们估计2023年人形机器人单价约80万元，随后每年以15%的幅度递减。根据以上假设，我们预计2030年人形机器人新增需求量有望达114万台，对应新增市场空间约3000亿元。

1.6 政策持续发力，剑指2025年量产、2027年深度应用

人形机器人国家顶层方案出台，更多落地政策值得期待。2023年9月，工信部组织的2023未来产业创新任务揭榜挂帅工作中对人形机器人的核心基础、重点产品、公共支撑、示范应用等方面提出了发展任务和目标。2023年11月，工业和信息化部印发《人形机器人创新发展指导意见》，提出人形机器人有望成为继计算机、智能手机、新能源汽车后的颠覆性产品，并明确2025年实现批量生产、2027年相关产品深度融入实体经济，成为重要的经济增长新引擎;指导意见是国家层面首个仅针对人形机器人政策方案，后续更多地方和产业政策值得期待。

二、人形机器人拆解及产业链总览

2.1 特斯拉人形机器人拆解:14个旋转关节+14个直线关节+12个手部关节

根据特斯拉AI Day示意图，特斯拉机器人包括40个自由度，其中有14个旋转关节、14个线性关节、12个手部关节。

旋转关节:执行器分为三类，扭矩/质量分别为20Nm/0.55kg、110Nm/1.62kg、180Nm/2.26kg;具体应用部位包括肩部、大臂、小臂、腰部;

线性关节:执行器分为三类，出力/重量分别为500N/0.36kg、3900N/0.93kg、8000N/2.20kg;具体应用部分包括大臂、小臂、大腿、小腿。

手部关节:单只手由6个执行器构成，其中大拇指对应2个执行器，其余每个手指对应1个执行器。

2.2 人形机器人单机成本预估及潜在供应商概览(以Tesla Bot及国内相关零件为例)

2.2 特斯拉人形机器人BOM成本预估(以国内零件价格为例)

2.2 特斯拉人形机器人各环节/零部件成本占比预估(以国内零件价格为例)

三、执行系统：灵活关节，丝杠、电机、减速器是关键

3.1 无框力矩电机:高效率、结构紧凑、易维护，用于人形机器人线性关节和旋转关节

无框力矩电机用于人形机器人线性关节和旋转关节。无框力矩电机是一种特殊类型的永磁无刷同步电机，没有轴、轴承、外壳、反馈或端盖，仅包含定子和转子两个部件，内部部件转子由带永磁体的旋转钢圆环组件构成，直接安装在机器轴上;定子是外部部件，齿轮外部环绕钢片和铜绕组，以产生紧密攀附在机器壳体内的电磁力。

无框力矩电机具有高效率、结构紧凑、易维护等优势。1)高效率:将电机直接集成到转轴元件上，可降低整体系统惯量，进而降低电机加减速所需扭矩，使得电机的运动和稳定时间更好控制、增加系统管带宽，提高机器效率;2)结构紧凑:增大转矩密度，进而减少占地面积、降低重量;3)易维护:机械部件更少、没有易磨损或需维护的组件。

3.1 无框力矩电机:外资企业主导，国内部分企业具备竞争实力

国内供应商已具备一定竞争实力。无框力矩电机在磁路和工艺设计方面有一定技术壁垒，需要在低压供电的环境下输出更大功率，当前主要应用在协作机器人关节模组，市场规模较小，国外技术较为领先。国外主要供应商包括科尔摩根、TQ Robodrive、Nidec、Parker等;国内步科股份进度较为靠前，2016年推出的首代无框力矩电机已经可以媲美国外龙头，目前公司的第三代无框力矩电机产品可以对标国际领先产品，部分型号具备一定优势，此外，伟创电气、禾川科技等均有相关产品布局。

3.2 减速器:人形机器人旋转关节或将应用谐波减速器，手部或部分身体关节或将应用行星减速器

精密减速器包括RV减速器、谐波减速器、行星减速器。减速器是多个齿轮组成的传动零部件，利用齿轮的啮合改变电机转速、扭矩及承载能力，也可实现精密控制。减速器种类及型号繁多，按照控制精度划分，可分为一般传动减速器和精密减速器。一般传动精密减速器控制精度低，可满足机械设备基本的动力传动需求。精密减速器回程间隙小、精度较高、使用寿命长，更加可靠稳定，应用于机器人、数控机床等高端领域，具体包括RV减速器、谐波减速器、行星减速器。

人形机器人旋转关节将应用谐波减速器，手部或部分低精度身体关节或将应用行星减速器。RV减速器体积较大，在人形机器人领域应用有限。谐波减速器体积小、减速比大、精密度高，将用于人形机器人身体旋转关节;行星减速器体积小、重量轻、传动效率高、寿命长，但精度较谐波减速器低，将用于人形机器人手部关节或对精度要求较低的部分身体关节。

3.2 减速器: 谐波减速器中期增量空间有望超400亿元，国产替代加速进行

谐波减速器目前下游以工业机器人为主，人形机器人中期或将带来400亿元空间增量。谐波减速器具有单级传动比大、体积小、质量小、运动精度高并能在密闭空间和介质辐射的工况下正常工作的优点。与一般减速器相比，在输出力矩相同时，谐波减速器的体积可减小2/3、重量可减轻1/2，在机器人小臂、腕部、手部等部件具有较强优势，目前下游应用以工业/协作机器人为主。据宇博智业产业研究数据，2023年我国谐波减速器市场规模约30亿元，预计2025年有望达到近50亿元。若以2030年人形机器人累计需求200万台计算，谐波减速器增量市场有望超过400亿元。

人形机器人将加速谐波减速器国产替代。国内减速器厂商进步明显，部分产品关键技术指标已赶超国外，国内谐波减速器龙头绿的谐波市占率2021年同比提升3.7pcts至24.7%;此外，来福谐波、福德机器人、同川精密、国茂股份等厂商加速布局谐波产能，未来国产替代有望加速。

3.2 减速器:行星减速器或替代部分谐波减速器，国产化率相对较高

行星减速器可在人形机器人部分关节替代谐波减速器。行星减速器具有高刚性、高精度、高传动效率、高扭矩、高传动效率、高扭矩、体积小等特点，单级行星减速器减速比一般不小于3，最大一般不超过10;行星减速器的级数(即行星齿轮套数)一般不超过3级。据QYResearch数据，2022年全球行星减速器销量为540.15万元，销售金额为12.03亿美元，其中我国境内销量231.91万台，销售金额为5亿美元;预计2029年全球行星减速器销售规模达22.31亿美元，我国市场规模达11.49亿美元。

行星减速器整体技术难度低于谐波减速器，国内企业具有竞争实力。行星减速器全球主要供应商包括日本新宝、纽卡特、威滕斯坦;国内科峰智能、纽氏达特、中大力德等本土供应商竞争实力不断提升，相比外资企业性价比高，2022年科峰智能、纽氏达特在国内市占率分别为11.7%、9.4%。

3.3 丝杠:人形机器人线性执行器的重要组成部分

特斯拉人形机器人包括三类共14个线性执行器，分布在手臂和腿部。特斯拉Optimus有14个线性执行器，具体包含三种类型，出力/重量分别为500N/0.36kg、3900N/0.93kg、8000N/2.20kg;分布位置位于大臂(2*1)、小臂(2*2)、大腿(2*2)、小腿(2*2)。

丝杠现阶段成本较高，未来有下降空间。线性执行器由“驱动器+无框力矩电机+丝杠+力矩传感器+编码器+轴承”组成，其中丝杠为其重要组成部分。根据我们估算，现阶段丝杠在特斯拉人形机器人成本中占比约为23.4%，终局成本占比预计为13.9%。从种类上来看，人形机器人用丝杠分为梯形丝杠和滚柱丝杠两类，其中梯形丝杠用于小臂，滚柱丝杠用于承载要求更高的大臂、大腿、小腿。

3.3 丝杠: 行星滚柱丝杠负载高、寿命长、速度大，更适用于人形机器人场景

与滚珠丝杠相比，滚柱丝杠负载高、寿命长、转速与加速度大、导程小，更适合应用于人形机器人。丝杠是将旋转运动变成直线运动的传动附件，根据摩擦特性可分为滑动丝杠、滚动丝杠和静压丝杠三类，其中滚动丝杠又可以分为滚珠丝杠和行星滚柱丝杠两大类，区别在于行星滚柱丝杠负载传递单元为螺纹滚柱，是典型的线接触;而滚珠丝杠负载传递单元为滚珠，是点接触。与滚珠丝杠相比，行星滚柱丝杠拥有更多接触点，因而能够承受更高静态负载和动态负载，静载为滚珠丝杠的3倍，寿命为滚珠丝杠的15倍;刚度和抗冲击能力更强，因而转速和加速度更大;螺距设计范围更广，导程可设计更小。

3.3 丝杠: 标准式滚柱丝杠适用于高负载、高速等场景，应用最为广泛

行星滚柱丝杠根据其结构组成和零部件相对运动关系的不同，可分为标准式、反向式、循环式、轴承环式、差动式五大类。标准式滚柱丝杠适用于环境恶劣、高负载、高速等场景，主要应用于精密机床、机器人、军工装备等领域，是目前主要的应用类型。

3.3 丝杠: 切削工艺制造精度高，包括车削、铣削、磨削等核心工序

滚柱丝杠的核心部件丝杠、滚柱和螺母都是小螺距的精密螺纹件，加工工序基本一致，传统的加工方式可分为切削和滚压两大类:

√ 切削:以两端中心孔为加工工艺工序基准，通过热处理、车削、磨削等10-20余道工序逐一完成，制造精度高达P1级，可实现定位和传动功能;

√滚压:用成形滚压模具使工件产生塑性变形以获得螺纹的加工方法，开模工艺自动化程度高，批量生产后成本低、效率高，但制造精度较低，一般在P7级左右，仅实现传动功能。

3.3 丝杠:粗加工环节路线多样，精加工环节磨削仍为重要工艺

滚柱丝杠粗加工环节技术路线多样，精加工环节磨床仍必不可少。滚柱丝杠的切削工艺大致可分为毛坯下料、预备热处理(退火)、粗加工、最终热处理(淬火)、精加工、装配检验等步骤。其中粗加工包括车削、铣削、磨削三种工艺路线(可单独或组合使用)，精加工工艺为磨削。“以车代磨”、“旋风铣”等新加工工艺理论上可替代磨削、提升加工效率，但目前技术有待成熟，精加工仍需磨削技术、磨床必不可少。

3.3 丝杠: 人形机器人将打开滚柱丝杠长期空间，国内相关供应商较为稀缺

人形机器人将进一步打开滚柱丝杠市场空间。据Persistence Market Research数据，2023年全球滚柱丝杠市场规模预计为3.00亿美元，伴随工业自动化对精密机械的需求增长，滚柱丝杠将在机床、航空航天、汽车、机器人等领域加速应用，2033年市场规模有望达到5.57亿美元，年均复合增速约为6.4%。进一步，若考虑人形机器人放量给滚柱丝杠带来的新需求，滚柱丝杠全球市场规模有望持续高增。

滚柱丝杠制造壁垒高，供应商数量少、目标下游分散。目前全球滚柱丝杠的供应商主要包括Ewellix、Rollvis、GSA、Rexroth、CMC、南京工艺、济宁波特、优仕特，据《E公司滚柱丝杠产品营销策略研究》数据，2022年Rollvis、GSA、Ewellix、Rexroth四家公司在我国合计市占率约为78%，而国内厂商在供货质量方面与欧美企业存在较大差距。

3.3 丝杠: 建议关注精密机械领域积累深厚、布局领先的相关企业

滚柱丝杠生产难度大，建议关注精密机械领域积累深厚、布局领先的相关企业。此前滚柱丝杠较多应用在机床、航空航天、汽车等领域，高端制造领域自主可控大趋势下，贝斯特、秦川机床等企业加速布局;此外，滚柱丝杠因其优越性能对其他直线传动的替代也将带来新增产能布局，如恒立液压拟投入14亿元布局线性驱动器项目。滚柱丝杠生产难度大，对原材料、设备、加工工艺等要求较高，未来随着机器人等领域需求放量、高端制造领域自主可控迫切，我国供应商有望加速突围，建议关注精密机械积累深厚、布局领先的相关企业，如:北特科技、贝斯特、恒立液压、等;磨床设备:日发精机、华辰装备等。

3.4 灵巧手:空心杯电机/无刷有齿槽电机是核心动力源

灵巧手电机主要采用空心杯电机或无刷有齿槽电机。微特电机具有体积小、功率密度大、噪音低等特点，相比传统电机更符合人形机器人灵巧手空间紧凑、负载能力的要求，空心杯电机和无刷有齿槽电机是目前灵巧手的主流解决方案。

3.4 灵巧手:空心杯电机一核心壁垒在于线圈设计、绕制和设备

空心杯电机的三大核心壁垒为线圈设计、线圈绕制、自动化设备。无刷空心杯电机转子由环形磁钢、转轴及其固定件组成，定子由环形硅钢片和空心杯线圈粘结而成，核心工艺为线圈的设计和制造。空心杯电机常用的线圈绕法分为直绕形、马鞍形、斜绕形三种，线圈绕制方式分为人工绕线、半自动化(卷绕式)和一次成型自动化绕制。国外主要采用一次性绕制成型的生产技术，自动化程度较高，可加工0.08-0.2mm线径、功率400W以下电机所需线圈;而国内主要采用卷绕式生产，依赖人工、生产效率低且生产线径受限，一次成型绕线设备有待突破。

空心杯市场规模稳定增长，人形机器人打开新空间。空心杯电机主要应用在高精度、高速响应、紧凑高效场景，如航空航天、仪表仪器、工业机

器人、医疗等领域。据QYResearch数据，2023年全球空心杯电机市场规模约为8.1亿美元，预计2028年增长至11.9亿美元，2023-2028年CAGR达8%。据Market Research数据，2021年我国、欧洲的空心杯电机市场规模分别占比34.8%、25.85%。

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