2022年机器人行业市场规模及发展空间分析.docx

2022年机器人行业市场规模及发展空间分析1、量产与人车协动：特斯拉Optimus的核心价值2022年6月21日，特斯拉表示将于2022年9月30日推出人形机器人“擎天柱（Optimus）”的原型机。Optimus身高5英尺8英寸（约合1.72米），体重125磅（约合56.7千克），负载20kg（手臂附加5kg），全身具有40个自由度，行动速度最高可达8公里/小时。我们认为，特斯拉Optimus机器人的核心价值在于量产及量产带来的人车协动。Optimus机器人推出后，将对特斯拉纯视觉路线的L5自动驾驶技术突破产生决定性影响；机器人量产是特斯拉是突破自动驾驶技术瓶颈和进一步实现算法迭代的必经之路。1.1、拦路之虎，长尾场景识别是L5自动驾驶突破必经之路我国汽车驾驶自动化分级国家推荐标准（GB/T40429-2021）和SAE美国汽工程师协会SAEJ3016将自动驾驶分为0-5级。目前L2及L2+级自动驾驶已迎来加速普及期，L3级别自动驾驶已在规划量产，L4、L5等高阶自动驾驶技术仍处于发展瓶颈期。1.1.1、纯视觉路线一枝独秀当前自动驾驶技术路线主要有单车智能路线和车路协同路线两种，所采用的图像传感方式主要分为多传感器融合路线和纯视觉路线。其中多传感器融合路线的主要推动者包括英伟达、Mobileye、Waymo等；而特斯拉采用以车载摄像头为主导的纯视觉路线的单车智能。2021年，特斯拉在北美地区上市的Model3和ModelY取消了车载雷达，全车仅搭载了8个摄像头。相比多传感器融合方案，纯视觉路线对算法和算力的要求更高。纯视觉路线需要将多摄像头捕捉到的2D图像映射到3D空间中进行处理。算力方面，特斯拉于2019年推出了自主FSD自动驾驶芯片，算力可达144TOPS；并发布了基于4纳米工艺的HW3.0自动驾驶芯片，在帧率上照前代由英伟达硬件驱动的Autopilot提高了21倍。1.1.2、神经网络迭代遭遇瓶颈算法方面，特斯拉的纯视觉自动驾驶技术高度依赖于神经网络。神经网络是模拟人类大脑处理信息方式的简化模型，可以通过训练进行学习：随着输入数据量和重复次数的不断丰富与增多，其处理结果的准确度会持续提高，最终实现在未知结果的未来案例中进行应用。因此，特斯拉打通纯视觉技术路线需要：（1）依靠高算力平台进行神经网络训练；（2）获取海量数据用于算法迭代。关于高算力平台，特斯拉研发了专门用于模型训练的Dojo超级计算机群，内置特斯拉自研AI训练芯片D1；关于算法迭代，特斯拉推出了FSDBeta软件（完全自动驾驶测试版）收集路面信息。截至2022年Q1，FSDBeta装机台数已达14.8万台。实现L4、L5高阶自动驾驶技术的难点在于，真实路况下的长尾场景接近于无限，当前算法技术仍然无法准确处理。截至2021年9月，特斯拉已经积累了60亿英里的车队数据，经过特斯拉车内网络训练的图像共有3.71亿张，另有标签4.8亿个，已经达到了预估实现自动驾驶技术的最小数据量级。但L4级别的自动驾驶技术却仍未到来。我们认为，其中一个重要原因或为人的行为姿态等关键数据长尾效应显著，但在日常道路中表现单一，在行驶数据中并不能得到充分体现。因此，扩大数据收集场景，增加长尾场景训练量级，是特斯拉突破自动驾驶技术瓶颈的必经之路。1.2、他山之石，海量路外数据助攻算法之玉人形机器人能够大量收集路外数据，提高长尾场景训练量级。目前人形机器人多用于室内环境，主要场景包括高端商务、院校科研、家庭陪伴等。相比道路环境，室内环境可以充分提供多样化人体姿态等各种在行驶过程中出现概率极低的场景数据。既能够规避汽车等非人形机器需要面对的道路限制和相关法律风险，又在视野高度和广度上具有小型机器人所不具备的优势。特斯拉Optimus人形机器人所采用的DojoD1超级计算机芯片和FSD芯片摄像头皆与汽车相同，并与汽车共用AI系统，受相同的视觉神经网络和自动驾驶技术驱动。经由机器人摄像头采集的海量长尾场景数据最终能够传输至Dojo进行算法训练，最后通过OTA定义更新到FSD上，从而帮助自动驾驶技术突破瓶颈。我们认为，助力自动驾驶突破是特斯拉Optimus量产最重要的商业价值，也是特斯拉Optimus的核心价值。1.3、万事俱备，相关技术已达落地标准目前，人形机器人的相关技术水平已经能够支持整机落地。其中较为典型的为日本本田ASIMO机器人、波士顿动力Atlas机器人和美国AgilityRobotics的Digit机器人。大多数机器人开发水平在L4左右，特斯拉Optimus可能达到L4-L4.5。特斯拉Optimus的技术难点主要集中在传动装置上。人形机器人的主要技术难点为：（1）传动技术上，需要解决双足行走时的平衡问题、伺服驱动器承重问题、机电传动响应速度问题等；（2）AI技术方面，需要搭建稳定高效的视觉算法、步态算法等。目前，特斯拉自主研发的FSD系统和DojoD1芯片已能够在算法算力上对Optimus进行有力支撑。但在电机、舵机等驱动件方面，特斯拉还存在一定开发空间。我们认为，对于摄像头、柔性皮肤等技术壁垒高、制作难度大的部件，特斯拉将发挥其电动汽车领域积累的供应链及技术优势，进行汽车供应商平移或自制供应；对于减速器、电机等技术要求较低的驱动部件，特斯拉或寻求外部供应。因此，在工业机器人领域具有技术积累和产能优势的厂商可能首先获益。1.4、东风将起，产业链信心提振加速降本进程人形机器人的造价成本高昂。受研发投入、设备要求、上下游产业链等因素影响，人形机器人成本售价居高不下：日本ASIMO机器人成本在300-400万美元/台；波士顿动力Atlas机器人成本为1500-2000万人民币；Digit的单台售价达25万美元。特斯拉Optimus或加速人形机器人降本。自2022年6月21日特斯拉宣布推出Optimus以来，机器人相关产业得到了业内外的高度关注。我们认为，特斯拉此举将振奋行业信心，带动上下游产业链发展，最终实现机器人部件的大幅降本，加速实现人形机器人量产进程。2、市场空间测算：2030年加速渗透后人形机器人规模或达4496亿2.1、人形机器人整机：2030年加速渗透后或达4496亿市场空间人形机器人整机方面，根据特斯拉发布会披露，Optimus的最终造价将略低于汽车售价。按买车价格为家庭年结余收支的1.5倍计算，50万元以上豪华汽车买主的家庭结余收支为75万元以上，百万元以上超豪华汽车买主的家庭结余收支为150万元以上，具备不同等级的Optimus机器人的消费能力。2021年全球百万元以上超豪华汽车品牌全球销量6.7万台，50万元以上主流豪车品牌销量约1058万台。当前阶段人形机器人的主要消费动机为满足尝鲜、炫耀等情感需求，渗透率较低；预计未来量产降价及技术升级后，渗透率将得到显著提升。假设特斯拉Optimus的主要客户群体与百万元以上超豪华汽车买主、豪华品牌汽车买主高度重合，且特斯拉机器人量产进程如期推进，分别于2023年/2025年/2030年实现Demo机落地预定/规模量产/渗透加速，我们做出如下测算：（1）2023年Demo机落地后，假设特斯拉Optimus机器人的预定价格为7.5万美元（折合约人民币50万元），对百万元以上超豪华汽车买主群体和50万元豪华汽车买主群体的渗透率分别为10%和1%：测算人形机器人市场空间约561.1亿元。（2）2025年实现规模量产后，假设特斯拉Optimus机器人的预定价格为3万美元（折合约人民币20万元），对百万元以上超豪华汽车买主群体和50万元豪华汽车买主群体的渗透率分别为30%和10%：测算人形机器人市场空间约2153.9亿元。（3）2030年渗透加速后，假设特斯拉Optimus机器人的预定价格为2.5万美元（折合约人民币16.8万元），对百万元以上超豪华汽车买主群体和50万元豪华汽车买主群体的渗透率分别为50%和25%：测算人形机器人市场空间约4496.0亿元。2.2、人形机器人驱动部件：减速器、伺服电机或新增数百亿市场人形机器人零部件方面，产业链较为成熟的工业机器人中，核心零部件减速器、伺服电机和控制器的成本占比接近70%，分别约为30%、21%和15%。考虑到相对应用场景单一确定的工业机器人，人形机器人应用场景多变复杂，我们认为，控制系统和AI的成本占比可能会上升至1/3。按减速器和伺服电机均价分别为1000元和800元、人形机器人自由度40个、Optimus量产价格20万元估算，人形机器人传动系统（减速器、伺服电机等）、控制系统及AI和其他硬件（散热系统、外壳等）成本占比分别约为36%（20%+16%）、33%和31%。假设特斯拉Optimus人形机器人各生产阶段BOM表比例不变，根据2023年/2025年/2030年人形机器人整机预测市场规模561.1/2153.9/4496.0亿元测算，减速器、伺服电机等驱动部件新增市场空间约为202.0/775.4/1618.6亿元。3、国产驱动部件扬帆机器人千亿市场人形机器人是人类对于机器人的最初想象，也是机械科技的最终设想。特斯拉人形机器人的出现让整个行业迈入更务实的思考阶段，技术驱动带来的颠覆性创新亦带来全新历史性机遇。人形机器人与传统工业机器人在外观上区别较大，但基本传动原理相差无几。传统工业机器人的零部件主要分为驱动部件、控制器和结构件等。其中驱动部件应用于各活动关节，主要包括减速器、伺服电机等；控制器如关节控制器、处理器等；结构件包括机体外壳、连接件、散热器等。驱动部件中，减速器是技术壁垒最高的机器人关键零部件，伺服电机是影响机器人工作性能的主要因素。目前国内工业机器人驱动部件厂商已经具备相当技术产能储备，有望将迎来人形机器人数百亿级产业链机会。三大核心零部件中，减速器的毛利率最高，可达40%，伺服电机和控制器毛利率分别为35%和25%。根据特斯拉发布会披露，Optimus机器人全身将拥有40个自由度，即装配40个关节，对应40个减速器和40个电机。考虑到目前的技术产能水平，我们认为，国内厂商的供应链机会主要在减速器、伺服电机和控制器方面，估算进入供应链的确定性减速器>伺服电机>控制器。（1）减速器：目前谐波减速器已实现技术突破，可基本实现进口替代。国内谐波减速器市场基本被中国、日本厂商垄断；RV减速器也初步解决传动精度、扭转刚度、稳定性等性能问题，未来成长空间打开。考虑到日本企业的零件成本相对高昂，国内厂商进入特斯拉机器人供应链机会较大。（2）伺服电机：受益于电车业务，特斯拉在电机方面已经有了雄厚技术积累，但不排除其寻求代工厂帮助的可能。伺服电机的整体技术壁垒低于减速器，目前国内电机厂商众多，在技术和应用场景等方面皆已取得突破，或有机会进入特斯拉机器人供应链。可关注已进入特斯拉车链的相关上下游厂商。（3）控制器：国产厂商已经实现从0到1的突破，但由于底层软件架构和核心控制算法的不足，国产控制器在稳定性、响应速度、易用性方面与国际主流产品存在差距。由于控制器成本较高，多数机器人厂商会选择自研，尤其是大型厂商。因此，特斯拉控制器部件自制概率较大。3.1、减速器：中日双寡头垄断，技术壁垒及价值量高企减速器可以通过降低转速而提高扭矩，以传递较大的负荷，克服伺服电机功率有限导致输出的扭矩较小的缺陷。根据构架和传动原理的不同，减速器可分为RV减速器、谐波减速器、行星减速器和摆线针轮减速器。与通用减速器比，机器人关节减速器需要具有传动链短、体积小、功率大、质量轻和易控制等特点，RV减速器和谐波减速器是机器人较为常用的类型。RV减速器体积大、负载重，多用于大臂、肩部等大关节；谐波减速器体积小，负载轻，多用于腕部、手部等小关节。传统6轴机械臂中，通常使用4个RV减速器和2个谐波减速器，相当于人形机器人的手臂；人形机器人中负载较重的关节主要包括肩关节、肘关节、膝关节、腰部关节和髋关节等。据特斯拉发布会披露，其Optimus机器人双臂/双腿/双手分别有12个自由度，颈部/躯干分别有2个自由度。参考配有44个自由度的NASAValkyrie机器人关节分配，我们推算一台人形机器人的RV/谐波/行星减速器用量分别为4/24/12个。目前国内市场中，国产谐波减速机厂商逐渐打破日本垄断，形成中日双寡头的行业格局；RV减速器方面国内厂商的市占率同样大幅提升。我们认为，国产减速器进入特斯拉产业链确定性最大，主要原因有三：（1）世界上有能力量产减速器的厂商仅有几家：外资厂商纳博、住友、哈默纳科、SPINEA，国产厂商绿的谐波、来福谐波等，其中住友的减速机业务收入远低于其他板块，不受重视，SPINEA的减速机业务已被战略放弃；（2）人形机器人量产需要产能支持，但外资产能与客户深度绑定，扩张保守；国内扩张快，能够支撑订单增长；（3）目前国内厂商已实现工艺突破，国产谐波、RV减速器接受度不断提高。3.2、伺服电机：国内厂商众多，或存在供应链机会伺服电机一般安装在机器人的“关节”处，是机器人运动的“心脏”。机器人对伺服系统的要求较高，必须满足快速响应、高起动转矩、动转矩惯量比大、调速范围宽等特点，且满足体积小、重量轻、加减速运行等条件，需要具有高可靠性和稳定性。关节越多，机器人的柔性和精准度越高，所要使用的伺服电机的数量就越多。特斯拉的电车电机技术积累丰厚，采用自制供应，但不排除其在人形机器人上寻求代工厂帮助的可能。伺服电机的整体技术壁垒低于减速器，国内电机厂商有机会进入特斯拉机器人供应链。3.3、其他硬件人形机器人的其他硬件包括散热器、电池、结构件等。散热器方面，大舵机关节等位置的散热需求较为明显。目前主要散热方式包括水冷、风冷等，本田机器人曾在内部安装风扇散热。电池方面，参照概念图，Optimus的电池通过扁平化板状设计安装在胸前，背部设置了算力板。人形机器人的电池体积较小，对电池热管理的要求低于电车。结构件方面，人形机器人在三电系统、传动系统、热管理系统等方面的结构件上或可与电车协动。