2022年人形機(jī)器人專題研究

1、2022年人形機(jī)器人專題研究1. 特斯拉 Optimus 樣機(jī)如期發(fā)布，關(guān)注哪些參數(shù)北京時(shí)間 10月 1日（北美時(shí)間 9月 30日），特斯拉舉辦 AI Day 2022 發(fā)布會(huì)，首次展 示了人形機(jī)器人的詳細(xì)參數(shù)與開發(fā)過程，Optimus 人形機(jī)器人工程機(jī)在會(huì)場展示行走能力， 并在播放視頻中完成提起水壺行走澆花，工廠內(nèi)搬運(yùn)物品等動(dòng)作，這些動(dòng)作都是通過 Optimus 自身集成的軟硬件執(zhí)行完成，沒有外部控制與外接線束，說明樣機(jī)已具備一定程 度的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與任務(wù)執(zhí)行能力。1）體型參數(shù)：身高 172CM，體重 73kg，靜坐能耗 100w，慢走能耗 500w，自由度超 過 200 個(gè)。2）執(zhí)行器總成結(jié)構(gòu)

2、：旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器采用諧波減速器（Strain Wave Gearing），內(nèi)部具有 離合器，采用永磁力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)；直線執(zhí)行器采用內(nèi)部旋轉(zhuǎn)螺桿結(jié)構(gòu)，通過永磁力矩電機(jī) 帶動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)推動(dòng)執(zhí)行桿，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為直線運(yùn)動(dòng)，較大的出力性能使其能吊起一架半 噸重的三角鋼琴（會(huì)場視頻展示）。3）執(zhí)行器參數(shù)：不同關(guān)節(jié)選用不同的三款旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器和三款直線執(zhí)行器。 旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器參數(shù)：小號-扭矩 20Nm，重 0.55kg；中號-扭矩 110Nm，重 1.62kg；大號扭矩 180Nm，重 2.26kg。 直線執(zhí)行器參數(shù)：小號-出力 500N，重 0.36kg；中號-出力 3900N，重 0.93kg；大號出力 8000N，

3、重 2.2kg。4）手部結(jié)構(gòu)：手部結(jié)構(gòu)采用和人體相同的五指多關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)，執(zhí)行器為螺桿旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)齒 輪旋轉(zhuǎn)進(jìn)而使手指關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)。5）手部參數(shù)：6 執(zhí)行器，11 自由度，可提起 20 磅（9kg）重的包，具有精確控制握持 力輸出的傳感器。6）視覺系統(tǒng)：采用特斯拉自動(dòng)駕駛?cè)繑z像頭（左右+魚眼廣角）與 Autopilot 算法， 實(shí)現(xiàn)圖像分層識(shí)別，并構(gòu)建周圍 3D 環(huán)境，進(jìn)行空間深度渲染；路徑規(guī)劃通過識(shí)別空間內(nèi)節(jié) 點(diǎn)，規(guī)劃可通過的最優(yōu)路徑。7）運(yùn)動(dòng)控制：通過周圍環(huán)境規(guī)劃理想運(yùn)動(dòng)，根據(jù)傳感器檢測重心與路徑的偏移量，對 執(zhí)行器輸出進(jìn)行修正以完成閉環(huán)控制，抵消實(shí)際情況的干擾。8）膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)：仿造人類膝關(guān)節(jié)

4、形成四節(jié)點(diǎn)杠桿結(jié)構(gòu)，使下蹲與站立動(dòng)作變化時(shí)力學(xué) 曲線更平順，極端受力變低。9）機(jī)載芯片參數(shù)：除運(yùn)算芯片，含 1 塊特斯拉 SOC 電池管理芯片、WIFI 與 LTE 通訊 芯片、音頻處理芯片。10）電池組參數(shù)：2.3kWh，52V 電壓。11)損傷控制：利用特斯拉汽車碰撞仿真軟件對人形機(jī)器人 Optimus 跌倒碰撞過程進(jìn)行 仿真，以優(yōu)化各元件防損傷能力。12)耗能優(yōu)化：參考特斯拉汽車電機(jī)牽引力控制的優(yōu)化，對執(zhí)行器運(yùn)行速度與輸出扭矩 的參數(shù)曲線進(jìn)行優(yōu)化，減少單次執(zhí)行運(yùn)動(dòng)耗能。2. 人形機(jī)器人市場化：豐富應(yīng)用場景與規(guī)?；当臼顷P(guān)鍵2.1. 豐富應(yīng)用場景：讓潛在消費(fèi)者“用得上”我們曾在人形機(jī)器人深

5、度報(bào)告中闡述，人形機(jī)器人可以在人類的衣食住行等環(huán)節(jié)輔助完 成繁雜任務(wù)，而替代自己完成日常繁雜勞動(dòng)是潛在個(gè)人用戶的需求。在當(dāng)前老齡化社會(huì)還 可以滿足老人看護(hù)、病患照顧等場景應(yīng)用，而該部分應(yīng)用場景的豐富能力主要取決于人形 機(jī)器人的人工智能水平。人機(jī)交互能力與運(yùn)動(dòng)規(guī)劃能力隨人工智能水平提高，以滿足更加 復(fù)雜的應(yīng)用場景。馬斯克提到 Optimus 未來將實(shí)現(xiàn)老人看護(hù)、草坪修剪、家庭烹飪等任務(wù) 執(zhí)行。特斯拉在應(yīng)用場景擴(kuò)展方面的“殺手锏”：即強(qiáng)大的 FSD 系統(tǒng)視覺識(shí)別學(xué)習(xí)算法，以及 D1 芯片支持的強(qiáng)大運(yùn)算能力。特斯拉在自動(dòng)駕駛技術(shù)路線中十分偏執(zhí)的減少激光雷達(dá)的使 用，起到了顯著的降本效果。但其底層邏輯

6、不僅是為了降本，且因?yàn)槿祟惒]有類似激光 雷達(dá)的器官，自動(dòng)駕駛和人形機(jī)器人本質(zhì)上都是完成對人類行為的模仿與替代，通過集中 研發(fā)投入在視覺識(shí)別領(lǐng)域，逐漸接近人類的智能水平。 本次發(fā)布會(huì)還公布了 FSD 系統(tǒng)最新的研發(fā)細(xì)節(jié)，F(xiàn)SD 系統(tǒng)對道路環(huán)境與生活場景的識(shí) 別能力，以及 Dojo 芯片的算力將有效支持特斯拉 Optimus 對人類日常生活場景的識(shí)別與運(yùn) 動(dòng)控制、路徑規(guī)劃。 其中重點(diǎn)關(guān)注占據(jù)網(wǎng)絡(luò)（Occupancy Network）提供的環(huán)境體素化識(shí)別能力，以及 D1 芯片性能。 占據(jù)網(wǎng)絡(luò)（Occupancy Network）：通過視覺算法將環(huán)境轉(zhuǎn)化為體素（三維像素點(diǎn)）， 相當(dāng)于對三維空間進(jìn)行時(shí)

7、刻感知，并將體素分為運(yùn)動(dòng)體素和靜態(tài)體素，分別對應(yīng)運(yùn)動(dòng)或靜 態(tài)的物體，對激光雷達(dá)識(shí)別三維環(huán)境的功能實(shí)現(xiàn)較好替代。體素識(shí)別最大的優(yōu)勢是對物體 識(shí)別的通用性，不論物體種類，都可以轉(zhuǎn)化為體素進(jìn)行識(shí)別，這有利于人形機(jī)器人在不同 場景應(yīng)用的通用性。D1 芯片：Optimus 機(jī)載芯片，相當(dāng)于其大腦，具有比普通 GPU芯片更強(qiáng)大的算力和更 低的延遲，而環(huán)境識(shí)別的運(yùn)算均依靠該芯片進(jìn)行處理。該芯片由臺(tái)積電制造，采用 7nm 工 藝，擁有 500 億個(gè)晶體管，芯片面積達(dá) 645mm，小于英偉達(dá)的 A100（826 mm）和 AMDArctUrus（750 mm），工藝為 7nm，包含 500 億個(gè)晶體管，BF16

8、/CFP8 峰值算力達(dá) 362TFLOPS，F(xiàn)P32 峰值算力達(dá) 22.6TFLOPS，熱設(shè)計(jì)功耗（TDP）不超過 400W。由于 Dojo 超算由 D1 芯片組成，我們可以從本次發(fā)布會(huì) Dojo 的訓(xùn)練能力窺見 D1 芯片 的強(qiáng)大性能。進(jìn)行自動(dòng)標(biāo)注算法、運(yùn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（Occupancy Networks）時(shí)，相比 英偉達(dá) A100，Dojo 能實(shí)現(xiàn)性能的倍增，這說明以 D1 芯片為支撐，將很好的保證 Optimus 在環(huán)境識(shí)別算法運(yùn)行的算力。因此 D1 芯片為特斯拉 Optimus 應(yīng)用場景擴(kuò)展起到 重要算力支撐作用。2.2. 規(guī)?；当荆鹤対撛谙M(fèi)者“買得起”馬斯克提到 Optimus

9、 未來目標(biāo)價(jià)格低于兩萬美元，若能通過規(guī)?；当緦?shí)現(xiàn)該目標(biāo)，使 消費(fèi)者“買得起”，將有利于其市場化。當(dāng)前限制人形機(jī)器人市場化的關(guān)鍵因素之一就是人 形機(jī)器人的成本，馬斯克多次以汽車價(jià)格作為參照，因?yàn)橐慌_(tái)家用車在大多數(shù)家庭中已算 是大額開支，成本若遠(yuǎn)超家用車價(jià)格，將使絕大多數(shù)家庭望而卻步。若人形機(jī)器人能像新 能源汽車一樣走向量產(chǎn)化，實(shí)現(xiàn)降本增效，則存在較大市場空間，因此人形機(jī)器人市場化 的關(guān)鍵在于降本。參考之前的測算結(jié)果，橫向?qū)Ρ戎髁魅诵螜C(jī)器人，我們可看出特斯拉 Optimus 具有市場 化潛力的關(guān)鍵在于其成本可控制在約 2.5 萬美元，遠(yuǎn)低于波士頓動(dòng)力 Atlas 約 12.9 萬美元的 成本，與

10、優(yōu)必選 Walker 約 1.9 萬美元的成本可同臺(tái)競爭。而根據(jù)最新參數(shù)進(jìn)行測算，當(dāng)前成 本約為 2.1 萬美元，若能進(jìn)一步下探到 2 萬美元以下，競爭優(yōu)勢將更加明顯。2.3. 特斯拉 Optimus 成本拆分測算更新由于本次發(fā)布會(huì)更新了特斯拉 Optimus 人形機(jī)器人信息，執(zhí)行器等原件種類與使用數(shù)量 均有更新，因此做以下測算更新。 特斯拉 Optimus 成本拆分預(yù)測，假設(shè)如下： 執(zhí)行器數(shù)量：根據(jù)發(fā)布會(huì)信息我們可知最新 Optimus 使用 12 個(gè)直線執(zhí)行器，16 個(gè) 旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器。 肢體關(guān)節(jié)執(zhí)行器核算方法：旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器由無框力矩電機(jī)、諧波減速器、控制器構(gòu)成， 直線執(zhí)行器由永磁力矩電機(jī)、直線

11、執(zhí)行器減速器、控制器構(gòu)成。 成本拆分包含部件：成本拆分預(yù)測中僅包含機(jī)體的主要部件，其余零部件如線束、 裝配螺絲等未計(jì)入。 零配件品牌型號選用：當(dāng)前特斯拉 Optimus 主要零部件信息未知，對于信息未知的 零部件，我們選用近似性能參數(shù)（即能滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求）零配件進(jìn)行測算。 各部件參數(shù)與價(jià)格信息來自以下來源：相關(guān)公司招股書、相關(guān)公司在相關(guān)電商網(wǎng)站 官方報(bào)價(jià)、銷售商報(bào)價(jià)等。具體來源參照分析依據(jù)所述。3. 受益環(huán)節(jié)與增量預(yù)測3.1. 產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)芤姝h(huán)節(jié)由上一章成本拆分測算我們可以看出，特斯拉人形機(jī)器人零部件中，最大價(jià)值量環(huán)節(jié)在 肢體活動(dòng)關(guān)節(jié)執(zhí)行器部分，其次是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及處理器（Autopilot+F

12、SD+Dojo）。而特斯 拉的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)為自研，芯片以三星、臺(tái)積電代工為主，空間暫不明朗。對于 國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈公司，主要受益環(huán)節(jié)集中在執(zhí)行器元件。 執(zhí)行器元件主要關(guān)注以下組件： 1） 諧波減速器：是一種靠波發(fā)生器裝配上柔性軸承使柔性齒輪產(chǎn)生可控彈性變形，并 與剛性齒輪相嚙合來傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的齒輪傳動(dòng)。具有承載力大、減速比高、質(zhì)量 較輕、精度較高的特點(diǎn)。根據(jù)發(fā)布會(huì)信息，特斯拉 Optimus 旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器均使用諧波 減速器，其市場化將使諧波減速器行業(yè)產(chǎn)生新的增量。建議重點(diǎn)關(guān)注特斯拉人形機(jī)器人對諧波減速器的利好，原因如下： 人形機(jī)器人對諧波減速器的使用量遠(yuǎn)高于工業(yè)機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人諧

13、波減速器使用量 1-6 臺(tái)，協(xié)作機(jī)器人諧波減速器使用量 6-7 臺(tái)，而特斯拉 Optimus 單臺(tái)使用量達(dá)到 16 臺(tái)。 諧波減速器價(jià)值量較高，根據(jù)上文測算，一臺(tái)特斯拉 Optimus 使用 16 臺(tái)諧波減速 器，價(jià)值量約在 4844 美元，占整機(jī) 21.16%。 諧波減速器在國內(nèi)存在世界級頭部玩家綠地諧波等企業(yè)，存在進(jìn)入特斯拉供應(yīng)鏈的 可能。2） 直線執(zhí)行器（線性驅(qū)動(dòng)）：采用內(nèi)部旋轉(zhuǎn)螺桿結(jié)構(gòu)，通過永磁力矩電機(jī)帶動(dòng)螺桿旋 轉(zhuǎn)推動(dòng)執(zhí)行桿，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為直線運(yùn)動(dòng)，出力較高，相當(dāng)于人的大小腿肌肉。 建議關(guān)注特斯拉人形機(jī)器人對直線執(zhí)行器的利好，原因如下： 特斯拉 Optimus 對直線執(zhí)行器單臺(tái)使用量

14、達(dá)到 12 臺(tái)，數(shù)量較高。 直線驅(qū)動(dòng)器在國內(nèi)存在成熟廠商捷昌驅(qū)動(dòng)等企業(yè)，且特斯拉使用直線執(zhí)行器的重要 目的之一在于降本，國產(chǎn)直線驅(qū)動(dòng)器具有一定價(jià)格優(yōu)勢，存在進(jìn)入特斯拉供應(yīng)鏈的 可能。3）永磁力矩電機(jī)：其特點(diǎn)是堵轉(zhuǎn)力矩大，空載轉(zhuǎn)速低，不需要任何減速裝臵可直接驅(qū) 動(dòng)負(fù)載，過載能力強(qiáng)。長期堵轉(zhuǎn)時(shí)能產(chǎn)生足夠大的轉(zhuǎn)矩而不損壞。 建議關(guān)注特斯拉人形機(jī)器人對永磁力矩電機(jī)的利好，原因如下： 永磁力矩電機(jī)價(jià)值量較高，根據(jù)上文測算，一臺(tái)特斯拉 Optimus 旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器使用 16 臺(tái)諧波減速器，價(jià)值量約在 2126 美元，占整機(jī) 10.12%。 特斯拉供應(yīng)鏈中已有國內(nèi)永磁材料供應(yīng)商中科三環(huán)，人形機(jī)器人的量產(chǎn)將為永

15、磁材 料、力矩電機(jī)國產(chǎn)廠商帶來進(jìn)一步利好。3.2. 增量預(yù)測根據(jù) EMERGEN 測算，2021 年全球人形機(jī)器人市場規(guī)模達(dá)到 10.2 億美元，預(yù)計(jì) 2030 年 將達(dá)到 783.3 億美元，CAGR 為 62.5%，其中機(jī)器人硬件部分市場規(guī)模 CAGR 為 63.1%?；谏鲜鰯?shù)據(jù)，我們對特斯拉 Optimus 機(jī)器人相關(guān)受益產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行增量測算，測算基于 以下假設(shè)： 1）測算情形：假設(shè)全球人形機(jī)器人產(chǎn)品都以特斯拉 Optimus 零部件價(jià)值量進(jìn)行測算。 2）受益產(chǎn)業(yè)鏈與價(jià)值量占比：受益產(chǎn)業(yè)鏈主要關(guān)注具有潛力的諧波減速器、 直線執(zhí)行器、永磁力矩電機(jī)部分進(jìn)行增量測算，根據(jù)第二章測算結(jié)果，諧波減速器/ 永磁力矩電機(jī)/直線執(zhí)行器分別占單臺(tái)價(jià)值量比例 23.05%/10.1