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引言：特斯拉人形機(jī)器人開啟巨大藍(lán)海市場

特斯拉“秘密宏圖”第三篇章正式開啟，人形機(jī)器人有望開啟巨大藍(lán)海市場。2022 年特斯拉 AI Day，馬斯克正式介紹了特斯拉首款人形機(jī)器人 Optimus，機(jī)器人搭載特斯拉同款的自動(dòng)駕駛軟件系統(tǒng)和傳感器，預(yù)計(jì)售價(jià)低于 2 萬美元。并且，特斯拉人形機(jī)器人于今年 7 月亮相上海 2023 世界人工智能大會(huì)。

人形機(jī)器人即具有與人類似的外觀和運(yùn)動(dòng)方式的智能機(jī)器人，工業(yè)和消費(fèi)應(yīng)用場景豐富。在工業(yè)中，人形機(jī)器人或可應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人難以使用的領(lǐng)域，包括倉庫管理/物流管理領(lǐng)域以及簡單但人力負(fù)擔(dān)較重的領(lǐng)域，例如移動(dòng)貨物上下樓梯。在家庭環(huán)境中，人形機(jī)器人將面對(duì)更多樣化的應(yīng)用場景，通過使用對(duì)象識(shí)別、精準(zhǔn)導(dǎo)航等技術(shù)協(xié)助末端執(zhí)行器來完成一系列復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。據(jù) Goldman Sachs Research，人形機(jī)器人有望分別于 2025-2028、2030-2035 年在工業(yè)場景和消費(fèi)場景實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可行性。

特斯拉人形機(jī)器人 Optimus 打響降本第一槍，大幅降本將創(chuàng)造廣闊應(yīng)用空間。過去高昂的成本是制約人形機(jī)器人大規(guī)模量產(chǎn)的關(guān)鍵因素，降本將是人形機(jī)器人商業(yè)化推廣的必由之路。根據(jù) Macquarie Research，早期人形機(jī)器人的硬件總成本約為 4 萬美元。
具體來看，傳感器和芯片成本約 1 萬美元、慣性測量單元和扭矩傳感器 5000 美元、伺服電機(jī)和電機(jī)執(zhí)行器 1 萬美元、精密減速器 8000 美元、電池和電池控制系統(tǒng) 2000 美元系統(tǒng)、其他部件（包括機(jī)身材料）約 5000 美元。隨著技術(shù)的成熟有望實(shí)現(xiàn)大幅度降低成本，如驅(qū)動(dòng)方面由電驅(qū)取代液壓驅(qū)動(dòng)。馬斯克發(fā)布會(huì)稱特斯拉人形機(jī)器人 Optimus的定價(jià)將低于 2 萬美元/臺(tái)，大幅降本將創(chuàng)造廣闊應(yīng)用空間。

復(fù)雜供應(yīng)鏈下大批量穩(wěn)定生產(chǎn)，汽車產(chǎn)業(yè)鏈具備承載機(jī)器人產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢

從整車視角：特斯拉 FSD AI 應(yīng)用場景全面，可實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)裝配

人形機(jī)器人過去難以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；l(fā)展，主要受限于 AI、技術(shù)及成本三方面。1）AI 落地的能力，即 AI 需要與應(yīng)用場景共振，以適應(yīng)不同的應(yīng)用場景需求；2）技術(shù)上的限制，人形機(jī)器人是技術(shù)難度最高的智能機(jī)器人，是機(jī)械設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)控制、人工智能等領(lǐng)域高精尖技術(shù)的綜合體現(xiàn)；3）制造成本是限制人形機(jī)器人推廣的關(guān)鍵掣肘。

隨著 AI 的快速發(fā)展，人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化有望迎來加速。AI 技術(shù)使得人形機(jī)器人能夠更好地理解和適應(yīng)環(huán)境，具有更高的自主決策能力和智能水平。例如，人形機(jī)器人可以通過深度學(xué)習(xí)算法學(xué)習(xí)和識(shí)別人類語言、面部表情等信息，從而實(shí)現(xiàn)更加自然的人機(jī)交互。2023 年以來各企業(yè)相繼推進(jìn) AI+機(jī)器人布局，微軟、Open Al、Engineered Arts、騰訊Robotics X、小米機(jī)器人等相繼宣布入局。5 月，特斯拉展示了應(yīng)用與車同源的 FSD 系統(tǒng)的人形機(jī)器人 Optimus。

特斯拉人形機(jī)器人和自動(dòng)駕駛的感知系統(tǒng)硬件保持基本一致，感知識(shí)別及規(guī)劃算法相似度較高。特斯拉打通 FSD 和機(jī)器人的底層模塊，F(xiàn)SD 算法在機(jī)器人的感知、決策和控制方面起重要作用。自動(dòng)駕駛和人形機(jī)器人其本質(zhì)類似，都是基于“輸入-計(jì)算機(jī)平臺(tái)輸出”模式下服務(wù)于人類的智能化系統(tǒng)。感知硬件：特斯拉 Optimus 和自動(dòng)駕駛感知系統(tǒng)中均采用以視覺為主、雷達(dá)為輔、IMU 完成車身姿態(tài)等方面的測量。算法端：特斯拉Optimus 軟件上通過 Occupancy Network 方式像素化周圍障礙物，完成對(duì)周圍物體的識(shí)別。同時(shí)規(guī)劃算法上采用矢量地圖和自動(dòng)標(biāo)注的方式，大幅度提升機(jī)器人路線規(guī)劃算法效率。

新能源汽車快速發(fā)展解決諸多人形機(jī)器人技術(shù)難題，同時(shí)汽車和機(jī)器人設(shè)計(jì)有眾多相似之處。在技術(shù)層面，先進(jìn)傳感器、人工智能芯片和電池等相關(guān)技術(shù)在新能源汽車快速發(fā)展中得到快速提高。在設(shè)計(jì)層面，汽車和機(jī)器人設(shè)計(jì)有眾多相似之處，如同設(shè)計(jì)汽車相似，盡量精簡零部件數(shù)量及其能耗，將電池、傳感器、冷卻系統(tǒng)等集成到軀干部分；機(jī)器人執(zhí)行器設(shè)計(jì)思路可借鑒汽車驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方法；車用 IMU 和人形機(jī)器人用 IMU 技術(shù)具有相似性等。

從零部件視角：零部件具備高成本降本能力和大規(guī)模量產(chǎn)能力汽車零部件企業(yè)具備高成本降本和大規(guī)模量產(chǎn)能力，汽車產(chǎn)業(yè)優(yōu)秀公司加入有望助力人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。在生產(chǎn)層面，人形機(jī)器人應(yīng)用市場空間廣闊，未來人形機(jī)器人有望成為和汽車一樣對(duì)企業(yè)和家庭重要之物，而目前制造成本是限制人形機(jī)器人推廣的關(guān)鍵掣肘。因此汽車產(chǎn)業(yè)鏈長，零部件企業(yè)具備同步研發(fā)、規(guī)模降本以及在復(fù)雜供應(yīng)鏈下大批量穩(wěn)定生產(chǎn)的量產(chǎn)裝配能力，有望助力人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)高速成長。

從歷史來看，在新行業(yè)崛起時(shí)，零部件供應(yīng)商把握時(shí)代機(jī)遇實(shí)現(xiàn)跨行業(yè)切換的成功案例很多。
1）蓋瑞特：將早期應(yīng)用于飛機(jī)上的成本高昂的渦輪增壓技術(shù)推廣至汽車行業(yè)。1950 年代，公司利用在航空航天工業(yè)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)為公司的開發(fā)公路交通業(yè)務(wù)提供支持，并于 1954 年將渦輪增壓技術(shù)應(yīng)用于美國首輛生產(chǎn)型渦輪增壓柴油車輛，由此汽車進(jìn)入渦輪增壓時(shí)代。1970 年代，在蓋瑞特技術(shù)研發(fā)與降本的推動(dòng)下，幾乎每輛商用柴油車都配備了渦輪增壓器，同時(shí)保時(shí)捷、梅賽德斯等高端乘用車企先行采用渦輪增壓。此后公司持續(xù)深耕渦輪增壓技術(shù)，技術(shù)持續(xù)保持全球領(lǐng)先的同時(shí)制造成本大幅下降，實(shí)現(xiàn)了渦輪增壓技術(shù)在全球范圍內(nèi)的普及，公司乘用車業(yè)務(wù)收入占比持續(xù)提升，目前全球約有超過 1 億輛車輛使用蓋瑞特的增壓技術(shù)。

2）舍弗勒：憑借汽車軸承技術(shù)儲(chǔ)備及精密制造能力將產(chǎn)品延伸至工業(yè)領(lǐng)域，并具備行星滾柱絲杠等人形機(jī)器人所需技術(shù)。舍弗勒由 INA、FAG、LUK 三大工業(yè)企業(yè)合并而來，其中 INA 于 1946 年成立后開創(chuàng)性生產(chǎn)滾針軸承。1952 年，INA 滾針軸承被用來取代大眾甲殼蟲變速箱中的滑動(dòng)軸承，同時(shí) INA 將保持架導(dǎo)向滾針軸承的思想從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，為公司的線性技術(shù)業(yè)務(wù)奠定了基礎(chǔ)。1954 年，自建設(shè)備生產(chǎn)高精度部件。此后 INA 在汽車行業(yè)快速發(fā)展，2000 年前后收購了 LuK 和 FAG，并于 2015 年成為全球最大的軸承制造商。目前公司舍弗勒主要服務(wù)于汽車領(lǐng)域，汽車收入占比超過70%，憑借此前積累的軸承技術(shù)儲(chǔ)備及精密制造能力將產(chǎn)品延伸至工業(yè)領(lǐng)域。

從各環(huán)節(jié)看汽車供應(yīng)鏈對(duì)人形機(jī)器人的支持人形機(jī)器人全身零部件拆解人

形機(jī)器人核心零部件包括芯片&系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)/直線執(zhí)行器、靈巧手、電池組等。特斯拉Optimus 體重 73kg，全身超 200 個(gè)自由度，其中全身 28 個(gè)“關(guān)節(jié)”、手部各 11 個(gè)自由度，用電功率靜坐時(shí) 100W，行走時(shí) 500W。1）旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器：核心零部件包括諧波減速器、無框力矩電機(jī)、傳感器等；2）直線執(zhí)行器：核心零部件包括行星滾柱絲杠、無框力矩電機(jī)、傳感器等；3）靈巧手：每只手 5 個(gè)手指、6 個(gè)執(zhí)行器、11 個(gè)自由度，核心零部件包含空心杯電機(jī)、精密行星齒輪箱等；4）芯片&系統(tǒng)：特斯拉 SOC 芯片、FSD 系統(tǒng)等。

成本構(gòu)成來看，早期機(jī)器人傳感器、芯片和電機(jī)占比較高。根據(jù) Macquarie Research，早期人形機(jī)器人的硬件總成本約為 4 萬美元。具體來看，傳感器和芯片成本約 1 萬美元、慣性測量單元和扭矩傳感器 5,000 美元、伺服電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 1 萬美元、精密減速器 8,000 美元、電池和電池控制系統(tǒng) 2,000 美元系統(tǒng)、其他部件（包括機(jī)身材料）約5,000 美元。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)：系統(tǒng)集成能力為技術(shù)難點(diǎn)，汽車熱管理及線控制動(dòng)供應(yīng)商具有較好研發(fā)基礎(chǔ)

機(jī)器人的“關(guān)節(jié)”執(zhí)行器決定了其做各種動(dòng)作的靈活性，特斯拉電機(jī)驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行器成本更低、商業(yè)大規(guī)模應(yīng)用可能性更高。一臺(tái)行動(dòng)精準(zhǔn)敏捷的人形機(jī)器人的執(zhí)行器必須做到體積小、重量輕、軸向尺寸短、高功率密度、高能量利用效率、精度可控、耐沖擊性等特性，結(jié)合機(jī)器人整機(jī)結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化，才能保證其關(guān)節(jié)動(dòng)作的高效執(zhí)行。這不僅是制約人形機(jī)器人更靈活、自由的關(guān)鍵，同時(shí)也是讓其實(shí)現(xiàn)規(guī)?；慨a(chǎn)、應(yīng)用的重要門檻之一。早期人形機(jī)器人如波士頓動(dòng)力 Atlas 采用液壓驅(qū)動(dòng)雖性能較好，但制造及使用成本高昂等缺點(diǎn)明顯，無法實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，而隨著技術(shù)的成熟，特斯拉采用電驅(qū)取代液壓驅(qū)動(dòng)，大幅降本將創(chuàng)造廣闊應(yīng)用空間。

特斯拉 Optimus 全身將 28 個(gè)執(zhí)行器采用通用的兩類六種伺服關(guān)節(jié)。為了降低研發(fā)和生產(chǎn)成本，特斯拉借鑒汽車驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方法，將全身執(zhí)行器簡化為直線和旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器兩類，分大、中、小共計(jì)六種執(zhí)行器。旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器主要分布于肩髖等需要大角度旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)，用于轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作；線性執(zhí)行器分布于膝肘等擺動(dòng)角度較小的單自由度關(guān)節(jié)和腕踝兩個(gè)雙自由度但是體積相對(duì)緊湊的關(guān)節(jié)，主要負(fù)責(zé)支撐和承力。采用線性執(zhí)行器的主要優(yōu)勢在于其空間利用率高，可沿手臂、腿部縱向布局，充分利用其內(nèi)部空間，進(jìn)而布置更長的電機(jī)提升負(fù)載強(qiáng)度，此外線性執(zhí)行器的螺桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可形成自鎖，從而形成低功耗、穩(wěn)定的底部支架，減少能耗。

執(zhí)行器結(jié)構(gòu)大體可分為電機(jī)、減速器和傳感器三類零部件，系統(tǒng)集成能力為執(zhí)行器最大難點(diǎn)。旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器內(nèi)部主要包括無框力矩電機(jī)、諧波減速器、機(jī)械離合器和傳感器；直線執(zhí)行器內(nèi)部主要包括無框力矩電機(jī)、行星滾柱絲杠和傳感器。由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)零部件種類眾多，系統(tǒng)集成能力為執(zhí)行器最大技術(shù)難點(diǎn)。

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