报告出品方：光大证券
以下为报告原文节选
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1、 人形机器人产业化渐近，上游原材料有望受益
全球机器人产业保持增长态势，中国已是世界最大的工业机器人市场。根据国际机器人联合会（IFR）发布的《2023 年全球机器人报告》， 2022 年全球工厂新安装 55.30 万台机器人，同比增长 5.1%，预计 2026 年全球工业机器人新安装数量将达到 71.8 万台。
按地区划分，2022 年，新安装的工业机器人中有 73%安装在亚洲，15%在欧洲，10%在美洲。
2022 年，中国是世界上最大的工业机器人市场，安装量为 29.03 万台（同比 2021 年安装量增速为 5%，2021 年安装量较 2020 年增长 57%），占全球工业机器人安装量的 52.50%。工业机器人市场份额随中国之后的是日本，其 2022年安装量增长了 9%，达到 50,413 台，超过了 2019 年疫情前的 49,908 台。同时，日本也是世界上主要的机器人制造国，占全球机器人产量的 46%。
工业机器人与人形机器人具备以下区别：
（1）“大脑思维”层面：人形机器人在 AI 感知技术和 AI 语言大模型的加持下，可以自主学习、决策以及推理；而工业机器人的“大脑思维”通常是被事先编码设定的，能够重复做编码设定好的事情而不知疲倦。
（2）“身体体型”层面：人形机器人的身高体型更接近人类的普遍身高体型，十分类似人体，其行为也“类人”。
基于以上两个特点，工业机器人的发展与成熟对于人形机器人奠定了重要基础以及“解锁前置科技点”的作用。
1.1、 人形机器人发展历程复盘，AI 的出现或将成为重要助推
人形机器人拥有会使用人类工具、所需空间少、非连续接触运动等特点，使其更易于人机交互，适应人类工作场景，未来有望对人类的工作起到一定程度的替代作用。
人形机器人技术起步于 1960 年代后期，以日本的研究成果最为显著。根据产品运动和交互功能成熟度，其发展历程可大致分为四个阶段：早期发展阶段（2000 年以前）：1973 年，早稻田大学研发出世界第一款人形机器人 WABOT-1 的 WL-5 号两足步行机。1986 年，日本本田开始进行人形机器人 ASIMO 的研究，并于 2000 年成功发布第一代机型。
高度集成发展阶段（2000-2015 年）：2003 年日本丰田发布“音乐伙伴机器人”，其可以实现吹喇叭、拉小提琴等乐器演奏功能；2011 年，日本本田推出第三代 ASIMO，其具有利用传感器避开障碍物等自动判断并行动的能力，还能用五根手指做手语，或将水壶里的水倒入纸杯。
高动态运动发展阶段（2015 年至今）：2016 年，美国波士顿动力公司发布双足机器人 Atlas，具有极强的平衡性和越障能力，能够承担危险环境搜救任务；2020 年，美国敏捷机器人公司推出双足机器人 Digit，能够在无人干涉的环境下自行选定搬动箱子，适用于物流、仓储、工业等多种应用场景。
在 Tesla 发布其人形机器人产品 Optimus 之后，人形机器人产业化进程加速：Optimus 能够完成多种复杂任务，引起了市场的广泛关注。
2023 年 11 月，工信部印发《人形机器人创新发展指导意见》，提出到 2025年，人形机器人创新体系初步建立，“大脑、小脑、肢体”等一批关键技术取得突破，整机产品达到国际先进水平，并实现批量生产。到 2027 年，人形机器人技术创新能力显著提升，构建具有国际竞争力的产业生态，综合实力达到世界先进水平。
AI 技术的飞速发展，为机器人产业带来了前所末有的机遇。AI 不仅赋予了机器人更高级别的感知能力，还让它们具备了自主决策和学习能力。现阶段的AI 模型可大致分为决策式/分析式 AI 和生成式 AI 两类。从决策式 AI 到生成式AI，机器人的“大脑”变得更加智能，应用也更加广泛，并可以依靠文字、图像、多模态的输入信息学习进步。
具身智能是能理解、推理并与物理世界互动的智能系统。假如将具身智能与机器人结合，则机器人可以实现像人类一样与环境交互、感知、行动。与其他类型的机器人相比，人形机器人更符合人类工程学、更快适应人类的生活及工作环境，而其类似人类的外观可使其在日常生活及工作环境中更容易与人接近。
英伟达于 2023 年 10 月推出的用于训练机器人的 AI Agent——Eureka 使用GPT-4 生成奖励函数，成功教会机器人完成了三十多个复杂任务，其中包括打开抽屉和柜子、抛球和接球，甚至是快速转笔这样难度较高的动作。Eureka 在超过 80%的任务中超越人类专家，并可以让机器人平均处理任务效率提升 50%以上。
1.2、 人形机器人：十年内有望达千亿 RMB 产值
从全球范围来看，人形机器人已有商业应用场景落地预期，例如巡逻、物流仓储；商业化进程领先的人形机器人产品则有 EVE 和 Digit。具体而言，美国 1X technologies 公司与 ADT commercial 公司共同研发的人形机器人 EVE 目前已成功应用于巡逻安保场景；Digit 的应用场景主要是在物流仓储环节，进行的任务主要包括卸载货车、搬运箱子、管理货架等，预计将在 2025 年全面上市。
在政策、资本以及技术多维度赋能下，人形机器人的市场潜力有望加速释放。
未来的商业应用场景有望扩展到服务业、制造业等领域。马斯克曾表示其设计Tesla 机器人的远景目标是让其服务于千家万户，比如做饭、修剪草坪、照顾老人等。目前较有潜力的人形机器人发展方向主要为制造业、航天探索、生活服务业、高校科研等，预计 2025 年人形机器人将有望实现制造业场景应用的突破，小批量应用于电子、汽车等生产制造环境。
根据 Precedence Research 的预测，2022 年全球人形机器人市场规模约为16.2 亿美元，预计到 2032 年将达到 286.6 亿美元，折合人民币超越 2000 亿元，2022-2032 年全球人形机器人市场规模复合增长率约为 33.3%。
作为人形机器人行业的先行者，Tesla 创始人兼首席执行官马斯克对该行业的成长性以及市场空间很有信心，早在 2022 年，他便表示 Tesla 的 Optimus人形机器人将以较低的成本实现量产，最终产量将达到数百万台，计划以“可能不到 2 万美元”的价格出售这款机器人；而 2024 年年初，Midjourney 研究实验室的创始人大卫·霍尔茨预测：“我们有理由期待，在 21 世纪 40 年代，地球上将有 10 亿个人形机器人。而到了 21 世纪 60 年代，整个太阳系将有 1000 亿个机器人（主要是外星机器人）。”马斯克对此言论表示赞同。
根据格物致胜在乐观情形下的预测，2029 年全球人形机器人的销量将达到90 万台，到 2030 年这一数字则会突破 100 万台，达到 150 万台的水平，而到了 2035 年随着人形机器人产业化的逐渐成熟，全球人形机器人销量将会进一步放量达到 800 万台的水平。
1.3、 人形机器人上游零部件及原材料梳理
人形机器人的产业链主要由上游的原材料、中游的核心零部件以及下游的人形机器人整机构成。上游以钢材、磁材、铜材等金属原材料为主，中游以无框力矩电机、谐波减速器、行星滚珠丝杠等核心零部件为主。
根据 Tesla 在 Tesla AI Day 2022 上的介绍，其人形机器人 Optimus 主要包含 14 个旋转执行器（对应旋转关节）以及 14 个线性执行器（对应线性关节）。
其中，旋转执行器由无框力矩电机、传感器、谐波减速器、交叉滚子轴承组成；线性执行器则由无框力矩电机、传感器、行星滚柱丝杠、单列向心球轴承组成。
同时，Optimus 还包含两只灵巧手，由空心杯电机、传感器、行星减速器以及绳驱组成。
上述零部件，再加上功能相当于人类大脑的主控制芯片、功能相当于人类眼睛的摄像头、负责整机动力源的电池包以及人形机器人的整体骨骼框架，共同构建了 Optimus 人形机器人。
我们进一步对其核心零部件进行拆解与分析。无框力矩电机是人形机器人旋转执行器与线性执行器都不可或缺的动力来源部件，根据科尔摩根所披露信息，其关键原材料/零部件包括钕铁硼磁材、SS400 系列钢材（对应国内牌号 Q235系列）、电工钢、铜材、树脂、集成电路板等。
谐波减速器为人形机器人旋转执行器中的主要机械传动装置，其内部结构以柔轮、刚轮、波形发生器构成，通常采用波发生器主动、刚轮固定、柔轮输出形式。当波发生器进入柔轮内圆时，迫使柔轮产生弹性变形而呈椭圆状，使其长轴处柔轮齿轮插入刚轮的轮齿槽内，成为完全啮合状态；而其短轴处两轮轮齿完全不接触，处于脱开状态。由啮合到脱开的过程之间则处于啮出或啮入状态。当波发生器连续转动时，迫使柔轮不断产生变形，使两轮轮齿在进行啮入、啮合、啮出、脱开的过程中不断改变各自的工作状态，产生了所谓的错齿运动，从而实现了主动波发生器与柔轮的运动传递。
参考绿的谐波招股说明书，其 2017~2019 年采购的原材料中，以钢材、工装刀具、铝材为主。目前，国内外的谐波减速器柔轮材料基本为 40Cr 合金钢（机械制造业使用最广泛的钢材之一），包括 40CrMoNiA，40CrA，30CrMoNiA，38Cr2Mo2VA，其中 40CrMoNiA 与 40CrA 最为常用；在刚轮方面，各企业使用的材料则有所差异，其中日本哈默纳克几十年来使用的材料均为球墨铸铁，其产品寿命已获得长时间的验证，现在国内一些减速器厂商也开始使用球墨铸铁作为刚轮的制作材料。
工装刀具的使用与制作谐波减速器主要刚柔轮的制造工艺有关，目前国内的主流工艺路线为慢走丝工艺（利用连续移动的细金属丝作电极，对工件进行脉冲火花放电，产生 6000 度以上高温，蚀除金属、切割成工件）或滚齿、插齿工艺（滚齿运用展成法原理，使用滚刀来加工齿轮，相当于一对交错螺旋轮啮合；插齿则是用插齿刀按展成法或成形法加工内、外齿轮或齿条等的齿面）。
从谐波减速器加工工艺的实际效果来看，慢走丝加工精度较高，为目前国内谐波减速器的主要加工工艺，但其多次切割技术的特点，导致生产效率低。此外，慢走丝工艺由于其工作原理只能切割钢材，针对导电性能差的球墨铸铁则无法使用慢走丝加工。
而刚轮的插齿工艺可以应对任何材料，包括钢材和球墨铸铁。滚齿与插齿相较于慢走丝，在效率上提高了近 10 倍，但插齿与滚齿工艺的精度逊色于慢走丝加工工艺，因此，人们希望在插齿工艺上添加相应的附加装置，以此达到与慢走丝工艺一样的精度。综合来看，谐波减速器的柔轮滚齿、刚轮插齿工艺或许在未来会成为更好的加工工艺。
慢走丝所使用的原材料以铜锌合金为主，最早的慢走丝可以追溯到 20 世纪60 年代的紫铜电极丝。
目前运用的慢走丝工艺中，紫铜电极丝已经基本被淘汰；黄铜电极丝是通用化的一种电极丝，适用于一般工况条件下的普通加工；镀锌电极丝是切割精度和表面光洁镀最优的一款电极丝；复合相型电极丝是速度最快的一种电极丝，适合于超高速的加工，如最近几年在市面上出现的一种国产 F 型电极丝，在慢走丝切割领域已经积累了良好的口碑；其它类型的电极丝如伽马型、扩散退火型等类型的电极丝，要根据实际的工况条件和需要来进行选择。
滚齿和插齿工艺所使用的刀具原材料以高速钢为主，而目前硬质合金在滚刀与插齿刀上的使用越来越广泛。硬质合金是一种粉末冶金合成物，包含了一种或一种以上的硬质材料（如碳化钨）以及粘结材料（如钴）。这是一种硬度非常高的材料，其特性通常体现在很高的耐磨耗性以及热稳定性上面。
硬质合金滚刀材料成本较高，且要完全发挥合金滚刀的性能，需要配备性能足够的滚齿机，所以很长一段时间，硬质合金滚刀只在微小模数齿轮领域、汽车转向器小齿轮领域应用。
随着国内大部分变速器齿轮加工厂设备的更新，高速滚齿机越来越普及，干切技术得到大批量应用，粉末冶金材料滚刀制约了大批设备的性能，硬质合金滚刀得到了用武之地。且部分刀厂已经克服合金滚刀的制造瓶颈，能在保证交期的情况下批量供应高精度大外径滚刀。
现在的齿轮加工机床条件可以使切削速度再提升 30%~100%或更高，传统的粉末冶金高速钢不能满足要求。基于硬质合金材料加工的滚刀，能做到更少的加工时间、更高的加工效率，机床的潜能将能得到充分发挥，且硬质合金可以在不增加投入的情况下提高效率、降低刀具成本。
插齿刀方面，硬质合金插齿刀在高速、高刚性、智能型的数控插齿机上高速插销齿轮，大大提高了齿轮的加工精度、表面质量和生产效率。合适的涂层提高刀具的耐用度，延长了插齿时间，减少了换刀次数，降低了齿轮加工成本。
行星滚柱丝杠是人形机器人线性执行器中的主要机械传动装置，其可以将旋转运动转化为直线运动，传动单元为丝杠及螺母之间的滚柱，其由行星架、内齿圈、螺母、滚柱、丝杠等组成。
Rollvis 及 Ewellix 为全球领先的行星滚柱丝杠生产商，研究他们在丝杠中所选用的原材料能够更好地判断现在乃至未来的丝杠原材料选择及趋势。
根据 Rollvis 的设计方案，行星滚柱丝杠中丝杠选用的材料为合金结构钢42CrMo，合金结构钢 42CrMo 强度和淬透性比 35CrMo 有所增高，调质后有较高的疲劳极限和抗多次冲击能力，低温冲击韧性良好，且对合金结构钢 42CrMo需做预处理，表淬硬度不低于 54---60HRC。螺母和滚柱选用的材料为高碳铬轴承钢 GCrl5，高碳铬轴承钢 GCrl5 综合性能良好，淬火和回火后具有高而均匀的硬度，良好的耐磨性和高的接触疲劳寿命，热加工变形性能和切削加工性能均好。
对高碳铬轴承钢 GCrl5 需进行淬火处理，其表面接触硬度为 56-60HRC。
Ewellix 的设计方案中，标准丝杠轴主要由经过预处理的 50CrMo4（或者以42CrMo4）制成，预处理的方式为表面硬化处理。螺母和滚柱使用全硬化 100Cr6轴承钢。而在高达 180°C 的高温工况下运行的丝杠轴，或应用中存在磨损问题，也可以选择 100Cr6。
目前的行星滚柱丝杠主要制造工艺包括磨削及车削工艺。磨削工艺属于精加工，加工量少、精度高，在机械制造行业中应用比较广泛。由于磨粒的硬度很高，磨具具有自锐性，磨削可以用于加工各种材料，包括淬硬钢、高强度合金钢、硬质合金、玻璃、陶瓷和大理石等高硬度金属和非金属材料。
磨削的工艺速度很高，每秒可达 30m～50m；磨削的工况温度较高，可达1000℃～1500℃；磨削过程历时很短，只有万分之一秒左右；通过磨削加工可以获得较高的加工精度和很小的表面粗糙度值；另外，磨削不但可以加工软材料，如未淬火钢、铸铁等，而且还可以加工淬火钢及其他刀具不能加工的硬质材料，如陶瓷和硬质合金等。
关于磨削所使用砂轮的具体材料，可分为普通磨料砂轮（刚玉和碳化硅等）和超硬磨料砂轮（金刚石和立方氮化硼等）。对于行星滚柱丝杠这类以钢材为主的核心零部件，以传统的刚玉砂轮及 CBN 砂轮的材料形式更为适合。
行星滚柱丝杠的制造工艺在未来有望更多使用车削工艺。硬态车削指使用超硬刀具对硬度高于 50HRC 的材料进行精密切削，从而回避或减少使用磨削加工技术。车削的金属去除率是磨削的 3-4 倍，而且节省了砂轮修正时间，效率是磨削加工的 3 倍。
在车削工艺中所使用的车刀制造材料包括高速钢、硬质合金、超硬材料三类。
高速钢刀具：采用高速钢制造，可以不断修磨，是粗加工半精加工的通用刀具。
硬质合金刀具：刀片采用硬质合金制造，用于切削铸铁、有色金属、塑料、化纤、石墨、玻璃、石材和普通钢材，也可以用来切削耐热钢、不锈钢、高猛钢、工具钢等难加工的材料。超硬刀具主要是以金刚石和立方氮化硼为材料制作的刀具，其中人造金刚石复合片（PCD）刀具及立方氮化硼复合片（PCBN）刀具占主导地位。
灵巧手是人形机器人中具备高度灵活和精细控制能力的末端执行器，Tesla Optimus 人形机器人的灵巧手可以使用工具，并最多可以承载 20 磅的重量，其主要结构为空心杯电机、行星减速器搭配传动装置。空心杯电机的主要原材料如同前文所述的无框力矩电机，即钕铁硼磁材；行星减速器原材料可以类比谐波减速器；而传动装置原材料则需要结合具体的传动方案判断。
在现有的灵巧手传动方案中，腱绳传动是目前应用最为广泛的一种。腱绳传动是指通过腱绳和缠绕腱绳的辅助装置把驱动源的力矩传送到手指各个关节上的传动方式，由于传动腱绳具有较高的柔性以及较小的尺寸，使得腱绳传动对驱动器和减速器的结构尺寸要求较低，并且传动路线灵活多样。然而腱绳传动也有其应用难点，主要包括精确控制难于实施等。
在腱绳材料的选择方面，一般使用不锈钢或高分子纤维两大类，其中不锈钢丝绳材料制成灵巧手可以应用于工业、航空（太空操作）以及科研领域。
除了旋转执行器、线性执行器及灵巧手三个核心零部件之外，Optimus 还包含了控制芯片、摄像头、电池包（以 4680 电池为核心）、整体人形骨骼（以轻量化材料为核心）等其他部件，并最终组装成人形机器人产品。
2、 人形机器人质量拆分及重要原材料分析
根据光大证券研究所电力设备新能源团队于 2024 年 1 月 15 日发布的报告《人形机器人：加速发展 全面进击——人形机器人行业系列报告(一)》中的测算，旋转执行器价值量占比最高（42%），线性执行器第二（36%），灵巧手排名第三（14%），其余系统分别为控制系统（5%）、视觉系统（1%）、动力系统（1%）、其他结构件（1%）。
若进一步拆分至核心零部件，则包括无框力矩电机（24%）、力矩传感器（18%）、谐波减速器（12%）、行星滚柱丝杠（18%）、轴承（10%）、空心杯电机（5%）、行星减速器（5%）、FSD 芯片（5%）、摄像头（1%）、电池（1%）、其他（1%）。
2.1、 Optimus Gen2 质量拆分
根据 Tesla AI Day 2021 披露的信息，当时该 Tesla Bot 为 Tesla 人形机器人的概念机，其身高约为 5 尺 8 寸（折合约 1.72 米），重量约为 125 磅（折合约 56.70kg），其中手臂搭载 12 个、腿部 12 个、手腕 12 个、躯干 2 个、脖子2 个，总计 40 个电机驱动。
而到了 Tesla AI Day 2022，Tesla 正式推出了其人形机器人产品，命名为Optimus，其整体重量为 73kg，并公布了更加具体的电机执行器设计方案，包含肩部 6 个、手腕 6 个、髋部 6 个、膝盖 2 个、肘部 2 个、脚踝 4 个、躯干 2个，共计 28 个无框力矩电机驱动，再叠加灵巧手部位一只 6 个，共 12 个空心杯电机，电机数量仍然保持 40 个不变。
同时，Tesla 也公布了其具体的电机执行器的重量参数以及负重参数：小型旋转执行器力矩为 20Nm，质量为 0.55kg；中型旋转执行器力矩为 110Nm，质量为 1.62kg；大型旋转执行器力矩为 180Nm，质量为 2.26kg。小型线性执行器最大受力为 500N，质量为 0.36kg；中型线性执行器最大受力为 3900N，质量为 0.93kg；大型线性执行器最大受力为 8000N，质量为 2.20kg。
2023 年 12 月，Tesla 进一步公布其最新人形机器人 Optimus Gen2 及相应的一些性能参数变化。Optimus Gen2 采用了 Tesla 设计的执行器和传感器、执行器集成电子元件和线束，并包含 2 个自由度驱动的全新颈部和 11 个自由度驱动的全新手部。同时步行速度提高 30%，平衡性能更好，重量减轻 10kg。
结合执行器所在部位、功能，Tesla 公布其执行器的尺寸及性能参数， 我们对 Optimus Gen2 所包含的身体部位共 30（28+2，新增 2 个颈部自由度）个执行器进行具体的拆分，如下：
灵巧手方面，Tesla 官方并未公布其灵巧手的相关质量参数，仅表示其单个灵巧手由 6 个驱动器驱动，并具备 11 个自由度，最高可以提起 20 磅（9.1kg）的物体。我们选择了具有详细产品参数，且与 Tesla 灵巧手具有一定相似度的因时机器人所生产的 RH56DFX 系列灵巧手作为比较对象。在此，我们假设Optimus Gen2 所用灵巧手重量与 RH56DFX 系列灵巧手重量相近，即单只灵巧手质量为 540g，左右两只灵巧手总质量为 1.08kg。
在电池包方面，Optimus Gen2 并未进行进一步的更新，在此我们假设Optimus Gen2 所使用的电池包与 Optimus 中披露的电池方案保持一致，即在躯干处搭载高度集成的 2.3kwh 52v 电池包，我们进一步假设 Optimus Gen2 所使用的电池包为 4680 圆柱电池。而 TroyTeslike（特斯拉生产与销售数据追踪服务商）根据 EPA 发布的关于 Tesla Model Y 续航测试结果进行了计算，发现当前美国小部分标准续航 Model Y 车型中使用的 4680 电池的能量密度为229Wh/kg，据此我们可以计算出 Optimus Gen2 所需电池包的电芯重量至少为10.04kg，考虑到电池包对应的包裹材料及其他材料，我们假设其电池包整体重量大约为 11kg。
在 Optimus Gen2 所使用的摄像头与芯片方面，其采用了纯视觉方案，使用了 3 个不同种类的 2D 摄像头，包括 2 个高清 2D 摄像机和一个广角鱼眼摄像机，以及 FSD 芯片，这些整体的重量不会太大。
奥比中光是行业领先的机器人视觉及 AI 视觉科技公司，致力于构建机器人与 AI 视觉产业中台、打造机器人的“眼睛”，且优必选人形机器人 Walker S 的上游供应链中包含奥比中光，我们假设 TeslaOptimus Gen2 所用摄像头与奥比中光所供应摄像头类似。根据奥比中光官网所披露其 Astra 系列摄像头的重量数据，平均重量约为 218g，我们假设 Optimus Gen2 摄像头与芯片合计质量约为0.7kg。
结合 Optimus Gen2 最新披露其质量将较 Optimus 下降 10kg，即总质量为 63kg，我们可以对其质量分布做一个大致拆分测算：
根据我们的测算，质量占比最大的部分为旋转执行器（28.22%），其由 16个无框力矩电机、16 个谐波减速器及其他配套零部件组成；第二大部分为整体外骨骼（26.38%），其以轻量化材料为核心；第三大部分为线性执行器（25.11%），其由 14 个无框力矩电机、14 个行星滚柱丝杠及其他配套零部件组成；第四大部分为电池包，质量占比为 17.46%。
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精选报告来源：报告派
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