2021 年 8 月，特斯拉 CEO 马斯克于首届“人工智能日”公开展示特斯拉人形 机器人概念机 Tesla Bot。2022 年 2 月，特斯拉在提出概念后短短 6 个月内成功 推出人形机器人原型机，并作为开发平台进行深度研发。2022 年 9 月 30 日，特 斯拉举行第二届“人工智能日”，并发布最新版本的Optimus人形机器人，其可 实现直立行走、搬运、洒水等复杂动作。据马斯克预计，Optimus 将于 3-5 年内 实现量产上市，最终数量将会达到百万级，而成本将降至 2 万美元左右。2023 年 5 月 16 日，特斯拉在 2023 股东大会上发布了 Optimus 人形机器人最新演示视 频。视频中，Optimus 走路更加自然和灵活，完成了一系列复杂任务如电机扭矩 控制，更精确的力度控制、环境探测与记忆等。Optimus 也展示了其基于端到端 AI 学习人类行为的过程对物体进行分类摆放等。特斯拉机器人取得全方位进展， 运动控制与 AI 能力持续提升。马斯克称特斯拉的长期价值将主要来自人形机器 人，并预测人形机器人需求将达 100 亿台。

　　目前特斯拉的人形机器人实现了 28 个自由度，相当于功能的约 1/10。这 28 个自由度主要分布在上半身和下半身。 上半身包括肩部（6 个自由度），肘部（2 个自由度），腕部（6 个自由度）和腰 部（2 个自由度）。 下半身包括髋关节（6 个自由度），膝关节（2 入自由度），和踝关节（4 个自由 度）。 灵巧手单手 6 个执行器，11 个自由度。灵巧手采用金属肌腱带动机器人精确抓 住小而薄的物体。电气与智能系统方面，基于成熟的电动汽车产业链，实现电 池系统集成、FSD 等技术和产品的复用，基于经验积淀，将有助于人形机器人加 速产业化。 特斯拉设计了人形机器人结构和关节分布，优化过程通过仿真模型和实际验证， 在低功耗，低成本和最有质量的目标下，最大效能的发挥各个执行器。经过分 析优化将共 28 个大的执行器(不含手指执行器)，其中包含 14 个旋转执行器和 14 个线 种实际的执行器，包含 3 个系列的直线 个系列旋转执行器。

　　旋转执行器主要分布于肩髋等需要大角度旋转的关节，线性执行器分布于膝肘 等摆动角度不大的单自由度关节和腕踝两个双自由度但是体积紧凑的关节。

　　减速器、伺服电机、线性执行器、滚柱丝杠是人形机器人的运动控制产业链中 价值量较大的硬件设备。 1） 电机：数量更多、品类更丰富，需满足全身各关节的驱动需求，手部需采用 微型电机。 2） 减速器、传动装置：数量更多，旋转执行器延续了对 RV、谐波减速器的需 求，线性执行器中需要用到行星滚柱丝杠作为线） 环境感知：区别工业机器人在固定场景外接机器视觉设备实现识别的方案， 人形机器人场景复杂，需采用激光雷达、摄像头等方案实现环境感知、三维 重建并实现路径规划，对设备品类、算法、实时算力要求更高。 4） 运动控制：类似于工业机器人，运控算法均是厂商自研，开发难度大，是核 心竞争力之一；特斯拉 Optimus 复用特斯拉汽车的感知和计算能力，在全 自动驾驶 FSD 芯片基础上开发适合人形机器人的系统。人形机器人传 感器数量、品类、执行机构复杂程度远高于工业机器人，对实时算力、 集成度要求高。 考虑到当前零部件的国产售价，将特斯拉 Optimus 做成本拆分，旋转关节（电 机+谐波减速器+抱闸+双编码器+力矩传感器+轴承组成）占到 40%，直线/线性关 节（电机+行星滚柱丝杠+位置编码器+力传感器+轴承组成）占到 30%，手部占到 14%，其他部分占比 16%。

　　旋转执行器整体采用电池组供电，搭配电驱伺服关节的形式，基于电机+谐波减 速器的旋转关节。旋转关节整体的输出扭矩密度和当前各大人形机器人厂家的 关节性能类似，突出了力输出能力。 在人形机器人中，用 RV 减速器的可能性比较低，因为 RV 减速器的精度低于谐波 减速器且体积重量大于谐波减速器。RV 减速器更适合高强度高扭矩大负载产品。 谐波减速器更适合小负载小体积小重量的场景。

　　特斯拉使用了行星滚柱丝杠，它属于丝杠类中性能最优异、但也最昂贵的一个 子类。行星滚柱丝杠以其高承载、高刚度、长寿命的特点或成为人形机器人线 性执行器的关键传动装置，通过适配人形机器人需求实现降本是大规模放量的 前提。根据 Tesla AI Day 2022 会上展示的信息来看，Optimus 线性执行器采 用的方案即为行星滚柱丝杠一体式伺服电动缸。我们认为下肢髋、膝、踝关节 及上肢的肘关节的伺服电缸采用高承载、高刚度的行星滚柱丝杠作为传动装置 可能性比较大。行星滚柱丝杠结构复杂、加工难度大因而成本很高，通过调整 设计、工艺方案适配人形机器人的需要来实现降本是其大规模应用的前提。

　　减速器是工业基础元件，是一种较为精密的机械传动装置。减速器利用齿轮的 啮合改变电机转速、扭矩及承载能力，可以用于实现精密控制。可广泛用于机 器人、数控机床、光伏设备、医疗器械等多个行业领域。

　　机器人核心零部件研发制造主要包括伺服系统、减速器和占工业机器人 成本的 70%左右。减速器、伺服系统（包括伺服电机和伺服驱动）及直接 决定工业机器人的性能、可靠性和负荷能力，对机器人整机起着至关重要的作 用。其中成本占比最高的是减速器，占到 35%。

　　之所以能够活动自如，是因为有“骨关节”结构，大部分骨关节经由软骨 保护骨头避免磨损。关节位于各个部位，可以使动作能够更加协调，同时 通过关节活动，可以使完成复杂动作时更为灵巧，更为“精准”。 工业机器人“运动”主要靠伺服电机、减速器和三个主要部件完成。伺 服电机负责驱动，伺服电机的运行特点是转速快、扭矩小，而关节处则需要慢 转速和大扭矩。 减速器是由多个齿轮组成的传动零部件，利用齿轮的啮合改变系统输出的转速、 扭矩及承载能力。它可以精确地将伺服电机转速降低到工业机器人各个部位需 要的速度，提高定位精度、输出更大的扭矩，使机器人运动更加精准。通俗的 说，减速器可以提高机器的定位精度和重复定位精度。

　　减速器在工业机器人中的另一作用是传递更大的扭矩。当负载较大时，一味提 高伺服电机的功率是很不划算的，可以在适宜的速度范围内通过减速器来提高 输出扭矩。 减速器可分为通用、专用、，其中应用于机器人产业的主要为精密 减速器。通用减速器一般指齿轮减速器、蜗杆涡轮减速器和行星减速器，以中 小型为主，广泛应用于各个行业；专用减速器一般以大型、特大型为主，多为 行业专用减速器，比如汽车减速器、光伏减速器、风电减速器。

　　行星减速器过去主要用于工业领域，目前精密行星减速器用在直角坐标工业机 器人，也可以用在人形机器人小型关节（如手指）或者运动关节（如腿部）领 域。精密行星减速器在运行过程中类似于一个太阳轮有多个行星轮绕转，所以 其体积小、质量较轻，相较于其他减速器启动更加平稳，且刚性、精度和扭矩 高。其特点为结构紧凑、低转速大扭矩、价格便宜但减速比低。总体来说，行 星减速器运用到高新能机器人上目前仍有一定难度。 而以微型、小型为主，广泛用于工业机器人、机床、半导体、航空 航天等高精度场景，尤其大量运用在机器人上，主要有两类：谐波减速器和 RV 减速器。

　　谐波减速器具有单级传动比大、体积小、质量小、运动精度高并能在密闭空间 和介质辐射的工况下正常工作的优点。且与一般减速器比较，在输出力矩相同 时，谐波减速器的体积可减少 2/3，重量可减轻 1/2，这使其在机器人小臂、腕 部、手部等部件具有较强优势。RV 减速器传动比范围大、精度较为稳定、疲劳 强度较高，并具有更高的刚性和扭矩承载能力，在机器臂、机座等重负载 部位拥有优势。不过，谐波减速器的负载轻，容许力矩负载在 1,500N·m 以内， 因此限制了其向重负载部位拓展的可能。而 RV 减速器容许力矩负载可达 8,000N·m，其重量重、外形尺寸较大的特性，也使其无法向轻便、灵活的轻负 载领域发展。 两者适用领域不同，还不能互相取代。谐波减速器体积小、重量轻、传动比大 的特点使其能够广泛应用于人形机器人等轻负载领域。 国内谐波减速器价格逐年下降，目前在 1000-3000 元/个，未来在人形机器 规模量产下有望降价至 500-1000 元/个。根据绿的谐波招股书，2018、2019 年 公司谐波减速器单价分别为 1885 元/个、1632 元/个，后续公司未单独披露谐波 减速器收入，以近年来技术成熟从而降低成本为前提，我们预计目前国内谐波 减速器单价在 1500 元/个，后续若人形机器规模量产，价格有望下探到 500-1000 元/个。

　　从需求的角度看，新增的机器人需求是减速器产业发展的主要驱动力。此外， 减速器本身有额定的使用寿命，需要定期更换，即存量市场的更换亦是需求方 向之一。工业机器人的工作寿命一般为 8-10 年，期间减速器作为传动、承重部件，磨损不可避免，其使用寿命通常在两年左右。因而，当前保有的工业机器 人维修保养亦需要大量的减速器替换。 GGII 数据显示，2021 年中国工业机器人减速器总需求量为 93.11 万台，同比增 长 78.06%。其中增量需求 82.41 万台，同比增长 95.05%；存量替换量为 10.7 万 台，同比增长 6.57%。随着 AI 进程的加快推进，机器换人将受益其中，预计未 来几年减速器市场增长的确定性进一步增强，到 2026 年市场总需求量有望超过 270 万台。

　　2022 年，我国工业机器人产量为 44.3 万套，对减速器的总需求量约为 110 万 台。其中，谐波减速器与 RV 减速器的需求量分别为 64 万台与 46 万台，比例约 为 58% ：42%。

　　全球范围内，哈默纳科（Harmonic Drive System）与纳博特斯克（Nabtesco） 分别在谐波减速器和 RV 减速器领域取得了市场主导地位。其依靠长期的研发 技术积累、规模化的生产能力、稳定的产品质量和性能，二者与 ABB、发那科、 库卡、安川等国际工业机器人生产商合作历史悠久，在行业内的市场地位较为 突出。 2020-2021 年，我国谐波减速器市场最大的两个外资品牌——哈默纳科和日本新 宝在中国市场的占有率之和由 46%降低至 42.9%。国内做谐波减速器的企业总共 有 30 多家，实力较强的有绿的谐波、来福谐波、福德机器人、大族传动等企业， 2020-2021 年，这四家企业在中国市场上的占有率之和由 35.9%提升至 41.1%。 整体看来，中国机器人减速器国产化趋势正在形成。根据 GGII 的数据，2014- 2021 年工业机器人国产品牌市场份额由 11%提升至 41%。随着下游需 求持续拓宽，预计未来减速器国产化率还将得到大幅提升。谐波减速器技术较 RV 偏低，因此从技术上看，对国产厂商而言更加易于突破。

　　相较于传统机器人，谐波减速器在单台 Tesla Bot 上的需求量更多、价值量更 大。与传统的工业机器人、协作机器人不同，人形机器人的形态和动作更接近 人类，自由度更多，因而单台 Tesla Bot 需要用到更多的减速器。 例如特斯拉人形机器人共有 28 个自由度，对比六轴工业机器人仅用 6 个减速器， 相较于传统工业机器人或服务机器人，谐波减速器的使用量更多。人形机器人 若能达到消费级体量将驱动减速器市场持续扩容。

　　过去我国工业机器人减速器依赖进口，国产品牌难以突破。为了摆脱海外的技 术限制，中央及地方密集出台政策，扶持全产业链补足短板，行业发展明显提 速。国内减速器厂商迎来发展机遇，充分受益减速器国产替代进程。

　　丝杠是工程机械和精密机械上最常使用的传动部件。丝杠的主要结构由丝杆与 螺母构成，其主要功能为将旋转运动转化成线性运。