人形机器人专题报告2024：拆解人形机器人结构寻找高价值量细分领域.docx

Lhjkj90拆解人形机器人结构，寻找高价值量细分领域人形机器人专题报告三内容目录1 .以特斯拉人形机器人为例，拆解人形机器人粳件方案51.1. 特斯拉OPtimlIS代表当前商业化人机产品的最快速度与先进技术51.2. 拆解OPtimUS的运控、感知、软件方案71.2.1. 运控执行器方案71.2.2. 感知传感器方案151.2.3. 软件环境感知、思考决策、运动控制软件方案162 .总结特斯拉OPtimUS人机方案，寻找高价值量细分领域243 .投资建议294 .风险提示30图表目录图1：特斯拉OPtimllS产品迭代速度较快（Gen1、Gen2以半年左右为期更新）5图2：OPtimUS可进行物品识别6图3：OPtimUS可进行精细操作6图4：驱动器方案演变历史7图5：特斯拉OPtimUS执行器方案11图6：特斯拉OPtimIlS使用的旋转执行器类型与结构12图7:特斯拉OPtimiJS使用的直线执行器类型与结构13图8：特斯拉C）PtimIJS灵巧手关节结构15图9：OPtimUS采用纯视觉感知方案16图10：特斯拉FSD软件架构梳理17图11：特斯拉OPtimUS软件架构梳理18图12：占用网络模型下，特斯拉汽车的行车场景效果19图13：特斯拉FSD中占用网络模型架构20图14：C）PtimlJS通过占用网络模型来感知外界物体20图15：OPtimUS通过占用网络模型来理解外界物体，并执行抓取的任务20图16：OPtimiJS通过占用网络模型来进行室内三维导航20图17：OPtimilS使用了端到端的神经网络21图18：OPtimlJS运动规划模型全貌（以行走为例）22图19：OPtimuS运动规划模型第一步规划脚步（以行走为例）22图20：C）PtimlJS运动规划模型第二步规划步态轨迹（以行走为例）22图21:OPtimUS运动规划模型第三步保持平衡与协调（以行走为例）22图22：OPtimlJS运动控制模型（以行走为例）23图23：OPtimllS使用纯视觉对肢体关节位置进行自动校准23图24：C）PtimlJS肢体操纵模型23图25：OPtimllS操纵模型第一步生成示范动作（以拿起物体的动作为例）24图26：OPtimlJS操纵模型第二步在线动作适应24图27：人形机器人产业链图谱25图28：不同类型机器人所需传感器类型梳理26图29：以OPtimUS方案为例，估算人形机器人执行器、传感器中硬件零部件价值量占比29图30：以较高性价比方案为例，估算人形机器人执行器、传感器中硬件零部件价值量占比29图31:以高性能硬件方案为例，估算人形机器人执行器、传感器中硬件零部件价值量占比29表1:三种高动态性能机器人的驱动器（执行器）方案比较8表2：典型人机产品执行器方案梳理10表3：OPtimUS执行器方案11表4：线性执行器相比旋转执行器的优缺点14表5：OPtimllS传感器方案16表6：人形机器人与传统机器人（以工业机器人为例）在执行器方案、传感器方案上的对比26表7：人形机器人常见执行器、传感器等硬件零部件方案及价值量梳理271 .以特斯拉人形机器人为例，拆解人形机器人硬件方案1.1. 特斯拉OPtimUS代表当前商业化人机产品的最快速度与先进技术符斯拉人形机器人OPtimUS迭代迅速，短短两年半时间内共迭代3次，Genl/2均为间隔半年更新，期间亦有产品新进展发布。特斯拉2021年8月首次公布人形机器人（以下简称人机）项目，此时OPtimUS（擎天柱）还是人形机器人（TeSIaBot）概念设想。2022年9月特斯拉AlDAY,OPtimUS首次亮相，但并未现场展示相应能力，而是通过DemC）演示，展示了其搬箱子、浇花以及在特斯拉超级工厂工作的画面。2023年3月，特斯拉在2023InvestorDay上展示了关于人形机器人OPtirnUS的最新视频，这个版本的OPtimUS可以到处走动、可进行柠螺丝等工作。2023年5月股东大会，特斯拉展示OPtimUS新的研发成果，包括运控能力进一步提升（具备流畅行走和抓取能力）、实现一定程度FSD（完全自动驾驶）算法复用。2023年9月，特斯拉通过社交平台X发布视频，展示了人形机器人OPtimUS的进化情况：1、可以基于纯视觉和关节位置编码器，自我校准双手、手臂和腿，可以在空间中精准定位四肢；2、学习与处理复杂多任务的效率更高，深度学习神经网络完全基于控制器和纯视觉感知（端到端学习，输入视频、输出控制），如可以自主对物体进行分类，应对外界干扰；3、姿态控制和自平衡能力提升，如能做瑜伽、单腿站立等。2023年12月，特斯拉通过X平台发布第二代OPtimIIS人形机器人（Gen2）,相比上一代（GenD在感知与性能有较大改进，包括颈部与手部灵活度增加、整体重量减轻Iokg、行走速度提高30%、手部增加力传感器（实现了基于触觉的物体抓取以及操作）、脚部仿生设计并增加力传感器等。此外在外观上，颈部使用弹性织物包裹，遮盖内部结构和走线，手臂、膝盖、腿部均有新的覆盖件或装饰件包裹，美观程度有所提升。总的来看运动能力是有超预期表现的，例如手部精细化动作（复杂物体鸡蛋的拿取、放置）、深蹲动作均体现了OPtimUSGen2较强的运动和质心控制能力。从首次公布人机项目（2021年8月）后，尤其在2023年，轴斯拉机器人在硬软件性能上迭代速度校快，几乎在3-4个月的时间就会有新进展。图1：特斯拉OPtimUS产品迭代速度较快（Gen1、Gen2以半年左右为期更新）资料来源：特斯拉2022年AlDAY,特斯拉2023年12月通过X平台发布的第二代OPtimUS人形机器人展示视频，华宝证券研究创新部尽管特斯拉OPtimlIS运动性能不算最强，但工作能力、灵活程度、势态稳定性、智能水平已达到同行先进水平。首先，OPtimUS仿生性较强，从目前公布的数据来看，OPtimUS整身采用28个执行器方案+11自由度灵巧手方案+2灵活度颈部+人体脚部设计，选择更加灵活的负载设计与6种类型的执行器，用来模拟人类的关节以及肌腱状态，已经成为最像人类的人看机器人产品之一。其次，过去较多人形机器人专注于提升运动能力及平稳性，追求高爆发的运行性能，但OPtimUS在物品识别与搬运、易碎物品抓取等偏实际工作应用的运动控制领域已取得一定进展，同时在具身智能方面具备领先优势（FSD自动驾驶系统已部分复用于机器人），在功能方面正加速步入实际应用层面。图2： OPtimUS可进行物品识别图3： Optimus可进行精细操作资料来源：特斯拉2023年9月X官方账号公布的OPtimUS进 展视频，华宝证券研究创新部资料来源：特斯拉2023年12月X官方账号发布的第二代Optimus 人影机器人展示视频，华宝证券研究创新部OPtimUS在具体业务规划和招得节奏上也是加紧步伐，可复用造车技术与供应链，在未来成本有较大降低空间，商业化脚步较快。2022年9月特斯拉AlDAY,OPtimUS首次亮相时马斯克表示3年实现量产、5年实现商用，目标售价在2万美元/台（按汇率美元对人民币7计算，约14万元）内。2023年7月特斯拉二季度财报会上，马斯克表示OPtimUS已经生产5-6台人形机器人，并预计在2023年11月进行行走测试（已推迟），2024年在特斯拉自己的工厂进行实用性测试。2023年10月，特斯拉官网放出了人形机器人多个岗位的招聘信息，包括软件工程师、机电一体化工程师、机器人CAE工程师、嵌入式软件工程师、机器人操作工程师和联合控制工程师等。此外，特斯拉依仗其造车经脸和技术的累积，在人机产品上具备一定后发优势和降本优势，例如车辆硬件制造与测试经验、纯视觉感知系统和FSD自动驾驶系统，均已经或未来可复用在机器人项目中，可降低成本、提高效率。预计2024年将有行走测试结果、硬件方案定型、工厂实用性测试结果等事件公布，OPtimUS商业化落地的效果值得期待。总的来说，椅斯拉人彩机器人代表着当前商业化人机产品的最快速度和先进技术，值得作为案例深入研究。本章节将以特斯拉OPtimUS为例，对人形机器人的运控、感知硬件集构进行拆解，同时对人机软件算法方案进行分析。1.2. 拆解OPtimUS的运控、感知、软件方案1.2.1. 运控执行器方案关节执行器（Actuators,简称为执行器）即机豁人一体化关节，是影响机器人硬件成本和运动性能的关键部分。关节执行器是驱动机器人执行机构（手臂、腿部等）运动的组件，安装在机器人关节处（连杆机构的连接处），通过将电机的旋转运动转化为驱动连杆机构运动，又被成为（关节）驱动器、（关节）致动器、关节模组。执行器有多种零部件组成，主要包括电机（驱动装置）、减速器（传动装置）、编码器（传感装置）、控制板和控制软件（控制装置）等。按照运动类型，执行器可分为旋转执行器（RotaryActuator）线性执行器（LinearActuator）两者区别在于，线性（直线）执行器最终让物体沿直线移动，而旋转执行器则是让物体按一定角度转动，即线性执行器执行往复直线运动，旋转执行器执行旋转运动。执行器中，不同类型的电机可以提供旋转运动（旋转电机）、也可以提供直线运动（直线电机），而不同传动装置也可以将电机的运动进行传递和转化，例如减速器可以将旋转电机的旋转运动以降低速度、提高转矩的方式传递出去，而皮带和滑轮、齿轮箱以及丝杠等减速装置可将电机的旋转运动转换成线性运动。一般来说，旋转执行器主要分布于肩一等需要大角度旋转的关节，线性执行器分布于膝时等摆动角度不大的单自由度关节、腕踩两个双自由度但是体积紧凑的关节。驱动器方案经历了从刚性驱动器到弹性驱动器和准直驱驱动器的发展变化。针对双足机器人（属于人形机器人）的驱动器研究已有30多年的历史，其中有三个关键事件：（1）1983年，早稻田大学研究的WL-IOR机器人使用刚性驱动器（一般被称为常规方案，TraditionalStiffnessActuator,简称TSA）,自此双足机器人开始广泛使用刚性驱动器为关节动力源；（2）1995年，麻省理工学院的Pratt等提出了串联弹性驱动器（SeriesEIasticActuator,简称SEA）的概念，拉开了弹性驱动器研究的序寐，弹性驱动器以SEA为主。（3）2016年，麻省理工学院的WenSing等提出了准直驱驱动器（又被成为本体驱动器、半直驱驱动器，ProprioceptiveActuator或Quasi-DirectDrive,简称PA或QDD）的概念，并将其应用于四足机器人Cheetah和双足机器人Hermes0总的来说，驱动器方案整体设计经历了刚性驱动器到弹性驱动器和准直驱驱动器的变化，准直驱驱动器成为最近几年研究的热点。图4：驱动器方案演变历史刚性力/力矩 高传动比传感器 减速器电机电机弗性驱动器高力矩 密度电机弗性 高传动比编码器 减速器低传动比减管器低惯片胭刚性驱动器准宜驱驱动器H1995资料来源国内外双足人形机器人驱动器研究综述（丁宏衽等） 中国知网 华宝证券研究创新部不同执行器方案在零部件构成、力矩测量方式、能量效率、机械复杂性、成本等方面存在区别，因此各自的应用场景略有差异。刚性驱动器主要由电机、商传动比减速器、编码器、力矩传感器（选配）和控制板等组成。其中，减速器一般使用谐波等大减速比的减速器，以保证足够的扭矩输出；此外过去TSA一般使用位置控制，随着对足式及人