特斯拉25Q1財報電話會表示,預計到今年底,將有數千台Optimus 機器人在特斯拉工廠投入使用,並在未來幾年繼續擴大規模。 Optimus 的生產規模擴張速度超過歷史上任何一款產品,盡快達到每年數百萬台。不到五年,也許四年內,實現年產量100 萬台。預計2030 年,Optimus 的年產量將達到100 萬台,也有可能在2029 年實現。
另外,從特斯拉展示的圖片看,第三代機器人比第二代,靈巧手做了更進一步的進化,採用了腱繩方案,且需要微型絲槓,靈巧手作為機器人本體中技術難度最高的環節之一,未來投資機會值得重視。
靈巧手作為人形機器人末端執行器,在機器人與環境的互動中扮演關鍵角色。
靈巧手作為機器人末端執行器,一般安裝於機器人腕部的末端,是直接執行任務的裝置。末端執行器作為機器人與環境相互作用的最後環節與執行部件,對提高機器人的柔性和易用性有著極為重要的作用,其性能的優劣在很大程度上決定了整個機器人的工作性能。
隨著機器人向工業深度應用和服務、健康、軍事、航空航天等領域的不斷拓展,機器人與目標對象和環境的互動需求和能力越來越高,如特斯拉Optimus 已可以完成澆花、分揀電池、疊衣服等複雜動作。
靈巧手功能設計類人化,具備較高自由度要求。若參照人手部的彈性度,手指+腕部共24 個自由度,抓握、拾取等動作需不同手部環節配合。手指環節中,各手指遠離手腕的兩個關節主要完成彎曲/伸展類動作,各手指靠近手腕的關節則兼備彎曲/伸展類、側擺類兩大動作執行功能。此外,腕掌環節為完成手部抓握等動作也具備獨立於手指的自由度。
Tesla 於24 年11 月公佈的Optimus 最新動態中指出其靈巧手已具備22 個自由度,較上一版本的11 個自由度個數大幅提升,已逐步接近人類手部靈活度。
典型靈巧手由驅動系統、傳動系統、感知系統和控制系統構成。
2.1 驅動系統:電驅方案為主流
驅動系統是力量之源,產生運動和力,在驅動結構、放置方式、方案選型等方面均存在不同技術路線,但當前方案基本上採用欠驅動下的電機方案。落實到電機選型上,可選方案包括直流無刷電機、空心杯電機及無框力矩電機,需根據不同場景的需求進行相應組態。
驅動方案包括電機驅動、氣壓驅動、液壓驅動和形狀記憶合金驅動,電機驅動是當前時點最優方案,應用最為廣泛。
電機驅動通過電機產生力/力矩,直接或通過傳動機構將力傳導至關節促其運動。在電氣化率提高背景下,電能獲取及儲存相對容易且電-力的轉化技術相對成熟,電機具有輸出力矩穩定、精度較高、響應迅速、體積較小等優勢,是當前時點的最優驅動方案,包括特斯拉、Figure、智元等在內的主流主機廠均採用電機驅動方案。針對人形機器人第一原理,電機未來或朝著減重、提功率密度等方向發展。
電機選擇方面,主要包括空心杯電機、無刷電機及無框力矩電機。
具體差異對比如下:
2.2 傳動系統:腱繩為主流方案,微型絲槓、微型諧波產業處理程序加速
傳動系統將運動和力從驅動系統傳導至靈巧手各關節,對靈巧手抓取的穩定性、精準度、靈活性有重要作用。傳統系統依傳動等級可分為三級。
其中一級傳動主要用於增強扭力、提升精度,以蝸輪蝸桿、減速器為主;二級傳動包括齒輪、絲槓等;三級傳動用於連接關節末端與驅動系統,包括腱繩、連桿等。
傳動系統分歧較大,預計腱繩或為未來主要方案,微型絲槓、微型諧波減速器可望隨技術成熟而廣泛應用。
不同傳動方案優缺點對比如下:
腱繩兼具遠端傳動、靈活柔性等優勢,可為感測器等部件預留更多空間,是當前應用較多的傳動方案(如本文開始提到的特斯拉最新的靈巧手),但在壽命、負載、精度等方面尚存較大改善空間,或搭配其他傳動機構以實現更優的綜合效果。
在腱繩傳動中,透過絲槓將電機旋轉運動化為直線運動,腱繩一段拉著絲槓螺母,另一端連接靈巧手手指,從而實現手指繞關節軸的轉動。腱繩傳動方案下驅動器與執行器可保持較遠距離,減輕執行器末端的負載和慣量,同時手指運動的彈性程度較好。
此外,腱繩可與絲槓、蝸輪蝸桿等其他傳動方案搭配使用,以實現小空間下的多自由度運動。但腱繩在負載、執行精度、壽命等方面有較大提升空間,且預緊力不穩。
微型絲槓新型傳動方案具備高承載、高效率、高精度、高可靠性等優點,微型絲槓+腱繩複合傳動或成未來主流方案。
2.3 感知系統:感應器是核心
感知是控制和執行的前提,人形機器人可透過感測器實現對外界光、力、聲、電等資訊的感知,為控制和執行提供即時回饋。
感測器是軟體控制和硬體零件的橋樑,根據檢測對像不同,可分為內部感測器和外部感測器,內部感測器用於檢測機器人/靈巧手的運動參數如位置、速度、加速度等,外部感測器主要針對周圍環境資訊的減持,常見的外部感測器包括力感測器、視覺感測器、感測器以及溫濕度感測器等,用於靈巧感測器的感測器主要是感測器力/力矩的感測器主要是力感測器。
力/力矩感應器主要應用於靈巧手手指及手腕處,是實現精準力控的必備零件。
靈巧手手指處搭載的力感測器通常是一維力感測器或微型六維力感測器,而在手腕處通常搭載六維力感測器,為靈巧手提供即時的力和力矩資訊,實現靈巧手對操作對象的力感知,以便靈巧手控制系統進行精密控制。
電子皮膚從泛用性及仿生性角度可能是機器人觸覺的終極方案。柔性觸覺感測器由柔性材料製成,具有良好延展性、柔韌性,結構形式多樣,在醫療電子、機器人、3C 等領域具有良好應用前景。
根據感知原理的差異,柔性觸覺感測器可分為電容式/壓阻式/光電式/壓電式/磁敏式/超聲式感測器,其中電容式/壓阻式/壓電式感測器應用較為廣泛。電子皮膚可實現溫度、濕度、壓力等多功能感知能力,是觸覺感測器的「升級版」。
在特斯拉第二代Optimus 機器人的宣傳影片中,其靈巧手搭載觸覺感測器,完成精準捏住雞蛋的操作。未來Optimus 機器人手指、臉部等部位或搭載電子皮膚以獲得更優秀的感知互動能力。
1.兆威機電:微型傳動領域龍頭企業,與華為合作
國內微型傳動領軍企業,近年經營穩中向好。
本公司主要產品包括微型傳動系統與精密零件,產品可應用於汽車電子、醫療護衛、工業自動化、智慧消費、通訊、人形機器人等領域。
公司深耕精密傳動領域20餘年,已形成了技術+管道的雙重壁壘:
1)技術壁壘:截至2023年底,公司累計取得450項智慧財產權,研發團隊規模達453人,具備從產品設計到規模化量產的全鏈條能力。本公司自主研發的微型行星減速機性能可與德國IMS Gear對標;
2)管道壁壘:公司高度繫結優質大客戶,與比亞迪、長城、蔚來、小鵬、理想等眾多國內知名車企建立了長期且穩固的合作關係,在汽車電子領域積累深厚。
兆威機電前瞻性佈局微型電機領域,目前空心杯電機產品直徑已經可達6-12mm,正努力進行4mm直徑空心杯電機的研發。另外公司高轉矩直流電機和無刷空心杯電機均已形成系列產品,已成功用於人形機器人領域。
2.南山智尚:腱繩產品送樣進展順利,機器人業務彈性大
公司腱繩產品已送樣數家頭部客戶。人形機器人靈巧手用腱繩通常需經過3輪送樣,主要針對直徑、壽命、伸長率、承載力、耐磨等方面的性能進行測試(第二輪需做到0.6-0.8mm直徑);公司配套新的生產裝置後,產品在滿足測試要求外具備更強的耐磨性及耐高溫性。
公司目前已向眾多國內頭部客戶送樣,進展相對較快的如銀河通用等已進入第三輪送測,同時一些知名客戶,以及一批非上市企業客戶均已送樣且進展較為順利。
腱繩高價值量可望帶來翻倍利潤彈性。通常靈巧手中每個自由度若要實現拉+伸雙向動作性能要求需要2根腱繩,若以單只靈巧手平均16個自由度測算,則單隻手腱繩用量在32根、單台機器人64根;#以單根80元計、則單台機器人腱繩量約5120根(僅考慮單根80元)。以100萬台機器人預期,對應50+e市場空間,以遠期20%淨利率預期,則對應10e+利潤空間。
3.浙江榮泰:雲母龍頭守正創新,卡位機器人智啟未來
絕緣雲母材料產業龍頭,主業護城河穩固獲利亮眼。本公司為耐高溫絕緣雲母製品產業龍頭,主要產品用於新能源汽車的電池熱失控安全件,公司前瞻佈局押注新能源汽車產業,繫結頭部車企及電池廠,成為業績成長主要來源。
依託客戶及技術優勢,拓展人形機器人領域。公司為車企Tier1供應商,與頭部車企深度合作,公司以4億元估值收購狄茲精密(KGG)51%的股權,KGG微型絲槓技術實力領先,靈巧手最新代方案對應微型絲槓單台用量預計提升3-4倍,遠期單台價值量有望達1-2萬元,此外KGG行星柱,此外板開啟產品有望成長。
4.雙林股份:絲桿加速成長
公司打通工藝+磨床裝置路徑,絲槓業務佈局加速。本公司2000年起自主開發HDM產品,2014年整合輪轂軸承的規模化生產能力,2023年立項開發滾珠絲槓,2024年行星滾柱絲槓樣品研發成功,2025年1月試制產線全面竣工,3月發佈首款反向行星柱絲絲線產品,技術研發滾輪式。此外,公司2025年2月收購無錫科之鑫,佈局內螺紋磨床技術,可望大幅降低裝置成本,壓縮交付周期。
截至2024年底:1)車用滾珠絲槓計畫2025H2量產;2)機器人滾柱絲槓預計2025年4月第一批樣件交付;3)機器人靈巧手滾珠絲槓開發完成;4)機器人關節模組預計2025年4月首批樣件交付;5)飛行器槓開發完成;4)機器人關節模組預計2025年4月首批樣件交付;5)飛行器電驅動預計2025年電驅動中實現2025年機樣電驅動中。
5.福萊新材:人形機器人電子皮膚稀缺標的
前瞻性佈局柔性感測器,人形機器人電子皮膚稀缺標的。本公司深耕塗布多功能複合材料,近三年積極開展電子級功能材料的研發及生產。目前依託全資子公司歐仁新材料積極佈局觸覺感測器,已獲得10項相關專利。柔性觸覺感測器又稱為電子皮膚,能夠實現與環境接觸力、溫度、濕度、震動、材質、軟硬等特性的檢測,是機器人直接感知環境的重要組成部分。
柔性感應器立項於2023年,目前已率先應用於手機檢測。本公司柔性感測項目於2023年7月立項,除人形機器人應用外,目前手機檢測應用需求對接順利。目前單隻手價值量約4000元,對應單台人形機器人價值量約8000元。
本公司採用電阻式技術路線,與特斯拉Optimus在感測領域的技術方向一致。本公司於2024年12月佈局柔性感應器中試線,關於靈巧手應用與客戶合作開發,後續等更多主流機器人企業接洽。
1.靈巧手是人形機器人重要硬體模組,整合化、多自由度發展,未來潛在技術迭代空間與市場空間都很大,且技術壁壘高。
2.驅動系統中電驅方案為主流,空心杯電機等或將成為主要選擇。
3.傳動系統重腱繩應用廣泛,微型絲槓等新方案未來產業化可望加速。
4.感知系統是智慧化的重要基礎,重點在於電子皮膚等環節核心廠商。 (晴天洞見)