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今天分享的特斯拉机器人系列深度研究报告：《特斯拉机器人报告：特斯拉领衔人形机器人商业化可期》。
（报告出品方：东方财富证券）
报告共计：27页
精选报告来源：人工智能学派
1.特斯拉Optimus,引领人形机器人热潮1.1特斯拉引领风潮，人形机器人赛道百花齐放
特斯拉Optimus横空出世，技术迭代打开新纪元。年8月，ElonMusk在特斯拉首届AIDAY发布了人形机器人计划。年9月，其人形机器人产品Optimus首次亮相，彼时，第一代产品还需要名工作人员抬出。而在今年5月的特斯拉股东大会上，人形机器人已具备自主行走的能力，可以完成搬运箱子、植物浇水、移动金属棒等任务。在9月的视频中，最新的Optimus已经能够通过视觉对积木进行分类、做简单的瑜伽动作，其神经网络已实现瑞对瑞训练。12月1日，特斯拉发布的最新演示视频中，OptimusGen2已经拥有接近人类的步态，甚至能够做到轻松拿捏鸡蛋、平稳实现90度深蹲，进步斐然。此前，ElonMusk表示，未来人形机器人的需求量将达到-亿台，最终单价有望低于2万美元，或将成为特斯拉的长期价值来源。在今年二季度，特斯拉已经生产10台0ptimus，预计24年可用于特斯拉工厂，其快速选代的人形机器人产品有望开启人形机器人的新时代。
发展超过半世纪，人形机器人发展可划分为四阶段。人形机器人的历史最早可以追溯到年代，迄今为止的发展可大致划分为四个阶段。-年，此阶段的人形机器人能够实现缓慢静态行走，年早稻田大学研制出的人形机器人WABOT-1正是此阶段的代表，尽管每步需要45秒，步伐只有10厘米，在当时也震惊了世界。-年，人形机器人进入连续动态行走阶段，以日本本田于0年发布的ASIMO（P4）为例，其负重1kg时的步速能够达到1.6km/h。年，波士顿动力双足机器人Atlas的发布标志着人形机器人的发展迈入追求高动态运动性能阶段，Atlas具备强大的平衡性、越障能力，可以履行危险环境搜救任务。年后，人形机器人迈入商业化落地初期，代表产品是亚马逊的Digit和优必选的Walker。
商业化落地初期，群雄逐鹿占先机。除特斯拉的Optimus以外，诸多国内外知名企业、初创公司纷纷入局人形机器人赛道:
优必选成立于年，年推出首款小型人形机器人Alpha，18、19、21年陆续推出三代人形机器人Walker。商用服务领域，公司的WalkerX已应用于沙特NEOM新未来城,工业领域,公司年研发工业版人形机器人WalkerS,并与头部新能源车企达成合作。公司于年12月1日已通过港交所聆讯，将成为国内人形机器人第一股。
英国EngineeredArts公司于年12月推出人形机器人Ameca，全身有52个模块，支持51种关节运动，具备与人对话的能力，并有细致的动作、微表情。
小来在年8月发布了人形机器人CyberOne“铁大”，其全身自由度为21，最大模组峰值扭矩达00N·m，时速可达.6km，具备三维空间感知能力，还能够看懂手势、表情，对85种环境音和45种人类情绪进行识别。
年月，挪威1XTechnologie8宣布在由OpenAl领投的A2轮融资中获得万美元，其正在研发的双足机器人NEO能够实现穿门、爬楼梯等动作，并有望在OpenAl旗下ChatGPT的加持下完成更多高难度任务。
年7月，傅利叶智能在年世界人工智能大会上发布了通用人形机器人GR-1，该机器人拥有40个自由度，关节模组峰值扭矩达00N·m，步行速度可达5km/h，负重50kg。
年8月，华为天才少年难晖君创办的智元机器人发布了通用人形机器人远征A1，最高步速可达7km/h,全身49个自由度，单臂最大负载5kg，将于24年率先用于工业智造领域。
年8月，四足机器人企业宇树科技宣布发布国内首款能跑步的全尺寸通用人形机器人H1，售价几十万，行走速度大于1.5m/s，并有望能提速到5m/s以上。
年9月，AgilityRobotics宣布将在俄勒冈州投建全球第一个人形机器人制造工厂RoboFab，每年将生产出一万台人形机器人Digit，预计24年可向客户供货，25年全面上市。今年10月，Digit已被引入亚马逊位于萨姆纳的BFI1运营中心进行测试。
年10月，小鹏发布其首款人形机器人PX5，PX5采用直腿、大跨步的步行方式，步姿更接近人类。PX5来用超轻量级机械臂，单臂有7个自由度，灵巧手单手有11个自由度。
人形机器人赛道现已进入百家争鸣的阶段，各个玩家在不同维度强势发力，产业化进展有望提速。
1.2人形机器人:类人外观+AI赋能
人形机器人是机械、电气、材料、传感、计算机、控制技术等多学科融合的产物，是机器人技术的集大成者。外形方面，人形机器人具有类人的形态与身体结构，智能方面，人形机器人具备认知、学习、决策能力。
1.2.1类人外观：适应人类环境，人机互动更亲和
人形机器人具备类人外观。人形机器人拥有手部、足部、头部、躯干等结构，在外形与行为上模拟人类。根据汉纳范人体力学模型，人拥有76个自由度，人形机器人至少要拥有超过60个自由度才能够在模仿人类姿态方面达到“及格”，工业机器人的自由度一般为4-6，而Optimus的自由度已达到50。一方面，拥有类人外观的人形机器人将更适应为人类而设计的各类生产环境与生活场景，无需付出高昂的环境改造成本；另一方面，类人的外观将使得人形机器人在人机交互中能够更好地被人接受，满足情感需求，尤其适用于服务领域。
1.2.2AI赋能：人形机器人的“大脑”和“小脑”
人形机器人拥有“大脑”和“小脑”。
人形机器人的“大脑”基于大模型，与自动决策、行动控制相关。大模型能够赋予人形机器人语义理解、逻辑推理、图像识别等能力，大模型的应用打破了以往机器人只能依靠固定规则和事先编程执行重复任务、不具备自适应能力的弊端，使得人形机器人能够拥有高效、统一的思维框架，学习通用、特定的技能，并在不同任务上迁移、泛化。
人形机器人的“小脑”是指其运动控制系统。除了能思考的“大脑”，人形机器人还需要“小脑”来控制其运动，通过高效的运动控制算法库与网络控制系统架构，人形机器人得以精准、灵活地完成动作。以智元机器人为例，在6个月的研发时间内，已经快速迭代了IQP、CMPC、线性MPC、非线性NMPC等多种运控算法，其重要性可见一斑。
1.应用场景：工商业先行，逐步切入家用场景
应用领域广泛。凭借人形机器人极强的环境适应能力、拟人化工作能力与人机交互亲近感，可以被广泛应用于工业生产、办公辅助、商用服务、家务作业、居家照料、救援救灾等诸多领域。根据优必选创始人周剑，人形机器人主要将在三大类场景得以应用：
（1）工业场景：人形机器人能够让人摆脱重复性劳动，其首个大规模应用将出现于工业场景；
（2）商用场景：将是人形机器人最快应用的场景；
（）家用场景：是人形机器人潜在市场最大的场景。
工业领域：汽车领域有望率先批量使用。人形机器人可以实现与传统自动化设备的协同，执行扭矩拧紧、柔性装配、物料搬运等动作，实现复杂工业场景的无人化生产。特斯拉、优必选、小米等人形机器人企业均已将目光聚集于工业领域。特斯拉的人形机器人Optimus将率先应用于其制造工厂，预计24年进行实用性测试，未来有望全面接管特斯拉汽车的生产。优必选近期推出的工业版人形机器人WalkerS与比亚迪等头部新能源车企开展合作，有望率先应用于组装线物料搬运工位，与AGV实现联动，完成SPS智能分拣与老化测试。
商用领域:已有应用案例。人形机器人在商用服务领域已有少数应用实例。0年的迪拜世博会期间，优必选的人形机器人Walker在6个月时间内为中国馆提供超过0场次的接待导览服务，累计服务时长超过1小时，创造了人形机器人首次商用服务的历史。年，WalkerX出口沙特，成为沙特NEOM新未来城的第一代机器人市民，提供智能化服务，据悉，NEOM新未来城后续将部署10万台机器人。根据优必选，Walker的商用应用下一站将会是卡塔尔航空的航司VIP室，将为乘客提供服务。随着时间的推移，人形机器人的商业应用场景有望不断得到拓展。
家用领域:当下技术、成本制约，未来空间可期。人形机器人在家庭里的应用可分为两步:(1)陪伴功能，(2)服务功能。目前，人形机器人的“智力”有限，迄今为止，人形机器人的工业、商业领域应用场景相对封闭、单一，而复杂、开放的C端场景对人形机器人的环境适应性、人机交互能力将大幅提升，对算力提出巨大的挑战。此外，成本也是制约其走进千家万户的重要因素之一不同于成本耐受力强、对自动化生产有刚性需求的工业场景，只有当制造工艺更加稳定、成本大幅下降之后，人形机器人才能在C瑞得到消费者的青睐。
因此，在社会老龄化、出生率降低、劳动力成本上升的社会背景下，人形机器人在诸多应用领域具备潜力，根据PrecedenceResearch的预测，年人形机器人的市场规模将达到.6亿美元，巨大的人形机器人市场也将为相关零部件厂商带来发展机会。
2.人形机器人带来的零部件机会2.1执行器
执行器是机器人最核心、通用的部件。执行器具有价值占比高、复用性强的特点，可以协助机器人完成移动、抓取、操作、控制等任务，其重要性可类比新能源汽车的动力电池。执行器由传动装置、驱动装置、感知装置、控制装置等“四大主材”与制动器、轴承等“辅材”构成。在人形机器人的硬件中执行器的成本占比超过80%，其重要性可见一斑。
特斯拉Optimus有40个执行器。特斯拉人形机器人的执行器可分为三类:旋转执行器、线性执行器和灵巧手末端执行器。Optimus的身躯(不含手部)合计28个执行器(14个旋转执行器、14个线性执行器)，分别分布在肩部(6个旋转)、肘部(2个线性)、腕部(2个旋转、4个线性)、躯干(2个旋转)、髓部(4个旋转、2个直线)、膝部(2个直线)、踝部(4个直线)。单个灵巧手有6个执行器，双手合计12个。
旋转执行器相比于线性执行器有更高的灵活度，能够实现更大的关节回转角度，可以帮助人形机器人实现转动运动。旋转执行器由无框力矩电机、减速器（行星、谐波）、力矩传感器、编码器、轴承等组成，主要分布在人形机器人需要大角度旋转的关节。特斯拉Optimus上的旋转执行器按照扭矩可分为20Nm、Nm、Nm三类。
线性执行器可以通过电机和传动组件将旋转运动转换为直线运动，通常用于膝、肘等摆动角度小的单自由度关节或者腕、踝等体积紧凑的双自由度关节。线性执行器由无框力矩电机、行星滚柱丝杠、力矩传感器、编码器、轴承等组成。特斯拉Optimus上的线性执行器按照力矩可分为N、N、N三类。
人形机器人的灵巧手是一种基于人体运动学设计的末端执行器。与传统工业机器人的末端执行器只能完成夹取、焊接等单一、特定动作不同，在多种传感器的帮助下，高自由度的灵巧手可以实现与人手相似的功能。灵巧手的驱动方式有电驱、气动、液压三种，其中，电驱是最易标准化的主流方式，特斯拉Optimus正是采用电驱驱动，其灵巧手由空心杯电机、螺纹丝杠、行星精密齿轮箱、编码器、传感器等构成。Optimus的灵巧手为五指多关节，拇指采用双电机驱动，其余手指各有一个电机，因此单手共有6个执行器，11个自由度，可以实现自适应抓取、工具使用、小物精准抓握等。
2.2核心零部件
2.2.1空心杯电机
空心杯电机是一种无铁芯转子的微型电机，直径一般不超过40mm。消除了铁芯造成的电能损耗，空心杯电机具备能量转化效率高、启停性好、稳定性强、高能量密度、拖动特性、轻量化等特点。相较于能量转换效率在70%以下的铁芯电机，部分空心杯电机的能量转换效率可以超过90%，相同功率的情况下，比传统铁芯电机的体积减少1/-1/2。根据MDATA，目前，国内70%的空心杯电机用于医疗(外用医疗器械、手术机器人、呼吸机等)和国防领域(军用望远镜、移动监测系统、精密衡器等)，而在消费电子、电动工具、工业自动化等领域的应用也逐步拓展。
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精选报告来源：人工智能学派
