嘉世咨询：2023人形机器人行业简析报告正式版

人形机器人行业简析报告版权归属上海嘉世营销咨询有限公司 商业合作/内容转载/更多报告全球机器人行业进入智能应用期全球机器人行业的发展经历了萌芽阶段（20世纪40-50年代）、初级阶段（20世纪60-70年代）、迅速发展阶段（20世纪80-90年代）、智慧化阶段（21世纪初-至今）等四个阶段。当前阶段，随着感知、计算、控制等技术的迭代升级和图像识别、自然语音处理、深度认知学习等人工智能技术在机器人领域的深入应用，机器人领域的服务化、智能化、通用化趋势日益明显。在日本，机器人的关键性部件—减速器是遥遥领先的，并且已经形成了技术壁垒；德国则在原材料、本体零部件具有很大的优势；美国当前在人形机器人方面、机器人AI技术方面引领潮流。全球机器人历史发展阶段20世纪40-50年代20世纪60-70年代20世纪80-90年代21世纪初至今萌芽阶段初级阶段迅速发展阶段智慧化阶段美国橡树岭等国家实验室德国、日本第二次世界大计算机技术、传感器技术制造业升级，工业自动化，取得初步研究成果战后劳动力短缺，工业基迅速发展机器人代替人础好1945年第一台可编程式按程序重复作业具备初步感知、反馈能力，具有逻辑思维、决策能力机器人诞生，具备了机器在工业生产中广泛应用人雏形数据来源：公开数据整理；嘉世咨询研究结论；图源网络“具身智能”被认为是人工智能的终极形态具身智能（EmbodiedAI）指的是具有身体的人工智能，是AI进入物理世界交互的载体。它包含AI领域几乎所有的技术，包括机器视觉、自然语言理解、认知和推理、机器学习、机器人学等，横跨多个学科方向，是人工智能的集大成者。目前，具身智能已经成为国际学术前沿研究方向，包括美国国家科学基金会在内的机构都在推动具身智能的发展，各大国际学术会议也在越来越多地关注具身智能，美国顶尖高校已经开始形成具身智能研究社区。具身智能为人工智能终极形态进化优化形态生成形态生成形态生成人工设计 强化学习利用形态产生行为 利用行为实现学习形态行为学习利用形态控制行为 利用学习提升行为利用学习优化形态

具身机器人四大挑战机器人不能够像大语言模型一样有一个基础大模型直接一步到位，做到最底层的控制。如何把机器人多模态的感官感知全部融合起来，仍面临诸多难题需要解决。机器人的发展需要收集很多数据，其中也面临很多安全隐私等方面的问题。计算能力的挑战。即使谷歌Transformer模型，要做到机器人控制，距离实际需要的控制水平仍有许多事情要做。数据来源：公开数据整理；嘉世咨询研究结论；图源网络人形机器人有望成为“具身智能”终极载体人形机器人一方面由于其与人类相似，能够更好地服务人类，所以有望成为数量最大的机器人类型；另一方面由于其下游应用广泛，所以有望接触更多复杂场景。得益于未来人形机器人基数大&场景复杂的特性，其有望成为具身智能最好的载体。今年，微软、OpenAl、EngineeredArts、特斯拉等公司相继推进AI+机器人布局，且已有人形机器人投入实际使用，如1XTechnologies披露其人形机器人EVE自今年4月以来已在美国和欧洲投入实际工作（担任保安）。2月微软 4月腾讯、小米 6月英伟达、谷歌•宣布正在探索如何将ChatGPT扩展到机器 •腾讯RoboticsX实验室推出自研机器人灵 •英伟达开发IndustReal用于帮助机器人解人领域，旨在让人类用自然语言控制机器 巧手(TRX-Hand)和机械臂(TRX-Arm); 决仿真中的装配任务;人等硬件平台。 •北京小米机器人技术有限公司成立。 •谷歌DeepMind推出用于机器人的AI智能体。2023年3月OpenAl,EngineeredArts 5月特斯拉、英伟达、1X、优必选 7月达闼、谷歌OpenAl领投挪威人形机器人公司1XTechnologies;EngineeredArts展示接入GPT-3的Ameca.

2023特斯拉股东大会.上展示了接通FSD算法的人形机器人Optimus最新进展;黄仁勋表示人工智能的下一个浪潮将是具身智能;1XTechnologies人形机器人已在美国和欧洲担任保安;优必选发布WalkerX在智慧工厂“中工作的演示视频

达闼展示接入大模型的类人形机器人;李飞飞团队将大模型接入机器人实现零训练行动规划;谷歌发布机器人研究新进展RT-2。数据来源：公开数据整理；嘉世咨询研究结论；图源网络软件决定人形机器人高度人形机器人本质是AI系统落地物理世界的最佳载体，算法是核心，需与硬件匹配。算法对运动能力的控制，包括本体平衡、行走的步态、手部抓取等规划与控制。这需要成熟的感知系统基础、强大的算法分解任务和规划动作、大模型不断仿真训练以及超强的算力支撑，同时要求算法与硬件相匹配。这要求机器人企业需自研算法，并持续更新迭代。人形机器人产业链主要包括上游的核心零部件，例如无框力矩电机、空心杯电机、传感器、专用芯片等；中游为机器人本体制造，包括设计、制造、测试三大环节;下游为人形机器人应用领域，包括工业制造、仓储物流、医疗服务、商业服务、家庭使用等。人形机器人软硬件架构示意图任务层世界模型工艺参数文本编程语言工艺参数图形化编程语音指令工具模型感知模型拖动示范离线编程自助规划实时控制层规划控制建模支持模块接口RT-PlatformRT-Runtime操作系统第三方支持库RT-OSALNonkT-Runtime层支持库操作系统硬件层无框力矩电机空心杯电机编码器丝杠传感器减速器芯片……数据来源：公开数据整理；嘉世咨询研究结论；图源网络软件决定人形机器人高度人形机器人行业产业链上游-核心零部件 中游-人形机器人本体 下游-人形机器人应用无框力矩电机动力电池工业制造商业服务机器人本体设计空心杯电机热管理系统减速器传感器机器人本体制造仓储物流家庭使用编码器专用芯片行星滚柱丝杠执行器总成机器人本体测试医疗服务…………数据来源：公开数据整理；嘉世咨询研究结论；图源网络人形机器人三大驱动模式人形机器人包括液压，气动和电机三种驱动方式。相比于液压驱动、气动驱动，电机驱动可采用多种灵活的控制方案，运动精度高，成本低，驱动效率高，能保证机器人能完成高复杂、高精度的动作。因此，基于电机驱动的人形机器人商业化机会更高。驱动方式液压驱动气动驱动电机驱动液压驱动系统通常由液动机(各种油缸、油马达)、气力驱动系统通常由气缸、气阀、气罐和空压机(电力驱动是利用电动机产生的力矩，直接或经过特点伺服阀、油系、油箱等组成，以压缩机油来驱动或由气压站直接供给)等组成，以压缩空气来驱动减速机构驱动机器人，以获得所需的位置、速度执行机构进行工作。执行机构进行工作。和加速度。操作力大、体积小、传动平稳且动作灵敏、耐冲空气来源方便、动作迅速、结构简单、造价低、电源易取得，无环境污染，响应快，驱动力较大，优点信号检测、传输、处理方便，可采用多种灵话的击、耐振动、防爆性好。维修方便、防火防爆、溜气对环境无影响。控制方案，运动精度高，成本低，驱动效率高。缺点液压驱动系统对密封的要求较高，且不宜在高温操作力小、体积大，由于空气的压缩性大、速度动态形态有限、功率密度有限。或低温的场合工作，制造精度较高，成本较高。不易控制、响应慢、动作不平稳、有冲击。使用范围液压系统具有较大的功率体积比，适合于大负载因气力驱动系统的压强一般只有60MPa左右，此类适合于中等负载，动作复杂、动作轨迹严格的机器人情形:安全要求高的场景。机器人适宜抓举力要求较小的场合。波士顿研发的Atlas东京大学研发的Liberobot本田ASIMO、AgilityRobotics研发的Digit、优必选Walker、特斯拉Optimus应用产品数据来源：公开数据整理；嘉世咨询研究结论；图源网络我国政策引导人形机器人产业发展2023年我国相关政策密集出台，积极推动人形机器人产业发展。2023年5月31日，深圳市提出建设1000亿元人工智能基金群，推动智能机器人发展；6月15日，上海市在三年计划中提出加快人形机器人创新发展；6月28日，北京市提出集中突破人形机器人原型机关键技术；9月13日，工信部以榜单的形式鼓励各社会部门积极突破人形机器人核心技术。目前人形机器人产业尚处发展初期，我国各部门相关政策的密集出台有助于抢占行业先机，为人形机器人产业创建良好的发展环境，未来人形机器人行业有望在政策的持续催化下迎来加速发展的契机。我国政策引导人形机器人产业发展地区文件内容2023/5/31深圳市《深圳市加快推动人工智能高质量发展高水平应用行动方案(2023-2024年)》统筹设立规模1000亿元的人工智能基金群，创建人工智能先锋城市;提出民生诉求平台嵌入民意速办AI机器人，积极孵化高度智能化的生产机器人，孵化高度智能化的生产机器人。.2023/6/15上海市《上海市推动制造业高质量发展三年行动计划(2023-2025年)》深入贯彻制造强国战略，努力打造高端制造业增长极;打造世界级产业集群，提出加快人形机器人的创新发展。加快推动机器人产业创新发展，紧扣机器人智能化、仿生化、模块化发展趋势，打造全球机2023/6/28北京市《北京市机器人产业创新发展行动方案(2023--2025年)》器人产业高地;加紧布局人形机器人，支持高效和企业开展人形机器人研发攻关，集中突破人形机器人通用原型机和通用人工智能大模型等关键技术。加快人形机器人等未来产业的创新发展，鼓励企业、金融机构、科技服务机构、高校、科研2023/9/13工信部《2023年未来产业创新任务揭榜挂帅工作》院积极参与，发掘培育一批掌握关键核心技术、具备较强创新能力的优势单位，突破一批标志性技术产品，加速新技术、新产品落地应用。数据来源：公开数据整理；嘉世咨询研究结论；图源网络人形机器人市场规模或超千亿美元人形机器人应用领域广泛，理论上能应用于绝大多数行业。传统的机器人分为工业机器人、服务机器人和特种机器人三类，能覆盖的下游场景有限，而人形机器人在结构上与人类类似，理论上能覆盖所有涉及人类作业的下游场景，未来有望应用于多个下游行业。据高盛预测，未来10~15年人形机器人市场空间至少达60亿美元，最理想情况下预计2035年人形机器人市场空间有望达1540亿美元。从远期来看，马斯克预计人形机器人数量将远超电动车，假设人形机器人与人口比例为2：1，未来人形机器人需求量有望达到100~200亿台。2022-2028全球人形机器人市场规模预测趋势（亿美元）1601401201008060402002022 2023E 2024E 2025E 2026E 2027E 2028E

2026-2030年全球及中国人形机器人行业市场规模预测(亿美元)全球 中国2502001501005002026E 2030E数据来源：公开数据整理；嘉世咨询研究结论；图源网络人形机器人零部件国产替代空间大2023年人形机器人核心零部件价值量排名前三的是无框力矩电机、减速器和力传感器;2030年无框力矩电机价值量占比下降，力传感器、减速器价值量占比上升，且力传感器将超过减速器，排名第二、三者合计占比仍超过50%。从单机价值量占比来看，无框力矩电机、减速器和力传感器价值量占比较高；从降本空间来看，空心杯电机、无框力矩电机等降本空间较大；而从国产替代空间来看，行星滚柱丝杠、空心杯电机、惯导imu等国产化率较低，国产替代空间大。2023年人形机器人核心零部件价值量分布图预测无框力矩电机减速器28.0%21.0%力传感器丝杠1.0%16.0%空心杯电机4.0%惯导imu14.0%16.0%其他

中国人形机器人行业核心零部件国产替代空间对比核心零部件2023单机国产化率部分代表企业价值量占比无框力矩电机21%中等步科股份、利川科技、昊志机电等减速器16%较高绿的谐波、昊志机电、国茂股份、秦川机床、丰立智能双环传动、中大力德、科风智能等力传感器16%中等柯力传感、昊志机电等丝杠14%低五洲新春、新剑传动、贝斯特、恒立波压、秦川机床、鼎智科技、利川科技、长盛轴承、南京工艺等空心杯电机4%低鸣志电器、鼎智科技(江苏雷利)、托邦股份等惯导imu1%低芯动联科、华依科技、苏州固锝等数据来源：公开数据整理；嘉世咨询研究结论；图源网络中国第一、二产业人形机器人替代市场空间大农业机器人的成本偏高被认为是其发展的最大制约因素之一，制约了市场的增长。随着未来人形机器人成本的下降，农业人形机器人将有巨大的机会。根据中国煤炭工业协会数据，一个人形机器人可以不间断的工作，替代3个矿工，按照1：3的比例，人形机器人在中国煤矿领域潜在的市场空间也达千亿元。未来人形机器人可替代“危、繁、脏、重”施工作业。这部分工作若由人形机器人代替，考虑到建筑行业是世界上数字化程度最低、自动化程度最低的行业之一。即使在1%替代率的保守假设下，按机器人单体30万的价格来计算，国内潜在市场空间也在千亿以上。我国第一、二产业人形机器人替代市场空间预测当前就业人数（万人）机器人单价（万元）预计替代比例（下限）预计替代比例（上限）潜在市场空间下限（亿元）潜在市场空间上限（亿元）农业17700301%5%531026550建筑5164301%10%154915492当前就业人数（万人）机器人替人比例机器人单价（万元）机器人数量（万）潜在市场空间（亿元）煤矿1221：330411220制造业104711：3.330317395194数据来源：公开数据整理；嘉世咨询研究结论；图源网络中国第三产业人形机器人替代市场空间在家庭服务机器人领域，“陪伴”是一个未被解决的刚需。陪伴机器人就是以情感识别为特征，聚焦家居陪伴，涵盖儿童陪伴、老人陪伴、宠物陪伴等场景，而人形机器人的独特优势正有望替代家政清洁和家庭陪伴两种刚需场景，可有粘性地融合于家庭，成为智慧家庭的一部分。物流工作重复性、机械性较强，且工作时长较长，较大的工作强度使得机器人方案具备合理性。这部分物流的工作若由人形机器人代替，即使在5%替代率的保守假设下，仅国内潜在市场空间就在千亿以上。在商用领域，仅假设餐饮、旅游和酒店三个细分赛道，用保守5%的人形机器人替代率，未来国内市场空间就可以达到百亿元。我国家庭/物流行业人形机器人替代市场空间预测当前就业人数（万人）机器人单价（万元）预计替代比例（下限）预计替代比例（上限）潜在市场空间下限（亿元）潜在市场空间上限（亿元）家庭服务3760305%30%564033840细分领域当前就业人数（万人）机器人单价（万元）预计替代比例（下限）预计替代比例（上限）潜在市场空间下限（亿元）潜在市场空间上限（亿元）物流服务快递300305%30%4502700外卖700305%30%10506300合计100015009000我国商用行业人形机器人替代市场空间预测细分领域当前就业人数（万人）机器人单价（万元）预计替代比例（下限）预计替代比例（上限）潜在市场空间下限（亿元）潜在市场空间上限（亿元）餐饮253305%30%3792275商用旅游28305%30%42252酒店274305%30%4112466合计5558324993数据来源：公开数据整理；嘉世咨询研究结论；图源网络各家企业持续推动人形机器人降本过去高昂的成本是制约人形机器人大规模量产的关键因素，降本将是人形机器人商业化推广的必由之路。过去一台Atlas造价高达200万美金，这也导致其至今难以走出实验室、走向商业化。在电机驱动方案中，伺服驱动器将位置、速度、扭矩传输给伺服电机，伺服电机将接收到的电压信号转换为扭矩、转速，虽然扭矩密度远低于液压驱动，但电机驱动可以通过搭配减速器来加以补足，其现有技术已能满足机器人的多数运动需求，同时拥有能量转化效率、易维护、低成本、零件规整等优势。使用电机驱动和液压驱动方案的人形机器人对比比较项特斯拉Optimus优必选WalkerX小米CyberOne波士顿动力Atlas成本2万美元以下(目标)10万美元以下10万美元左右200万美元.驱动方式电机驱动电机驱动电机驱动液压驱动动力扭矩峰值-200Nm300Nm890Nm(旧版)数据来源：公开数据整理；嘉世咨询研究结论；图源网络人形机器人的竞争格局随着零矩点（ZMP）稳定性理论被攻克，人形机器人逐步由静态机转向动态机发展。波士顿动力、软银、亚马逊等企业纷纷布局人形机器人行业，2021年特斯拉强势入局，推动了全球人形机器人行业加速发展。在全球人形机器人产业逐步成长的背景下，2000年国内首台人形机器人“先行者”（国防科大发布）问世，并涌现了优必选、小米、傅利叶、达阔等一批人形机器人主机厂。各主机厂人形机器人布局型号生产商国家发布时间参敷产品特点ASIMO本田日本2000年身高13m,体重48g,最大速度是9km/h,全身57个关节实现小跑、单脚跳、上下楼梯以及踢足球等系列复杂运动Adas波士顿动力美国2013年身高1.5m,体重80g,速度1.5m/s,依靠28个液压执行器实现各种高难高动态的运动性能，能做高难度运动动作度运动Walker优必选中国2016年身高1.3m,体重63kg,具备36个高性能伺服关节突破了波动地形上的自平衡，力位混合控制，不平整地面行走等技术GingrXR-1达阔中国2019年身高16m,重62kg,能够最快以1m/s速度移动，全身共34个智能柔性具备抓取负载能力,能完成端茶倒水、穿针引线等高难度复杂动作关节SCAAmecaEngincredAts英国2021年高1.87m,重49kg,身体共有52个模块，支持51种关节运动实现人类面部表情的高度模仿，但运动功能非常有限CyberOne小米中国2022年身1.77m,体重52kg,单手握持1.5千克重物、多达21个自由度感知人类情绪，具有视觉建模能力Optimus特斯拉美国2022年身高1.72m,重量73kg,负载9kg,全身共28个自由度，灵巧手11个自具有自由行走和自我组装的能力;可以在不同的环境中自主导航由度GR-1傅利叶中国2023年身高1.65m,体重达到55kg,全身自由度多达40个，步行速度可达到采用自研FSA高性能一体化执行器，拥有强大且灵活的运动性能5km/h，负重50kg远征A1智元中国2023年身高1.75m,体重S53kg,最高步速可达7km/h，全身49个自由度，成本价不到20万元，自研核心关节电机PowerFlow,灵巧于5kilHand,统一软件整机承重80kg,单臂最大负载5g框架AgiROS,语言任务模型WorkGPT,具身智脑E1-Brain架构数据来源：公开数据整理；嘉世咨询研究结论；图源网络大模型有望促进人形机器人加速落地人工智能算法是人形机器人的“灵魂”。人形机器人软件架构自下而上可大致分为算力、操作系统、人工智能算法与应用四个层级，其中人工智能算法包括感知算法、运动控制算法、大语言模型与其他AI算法，是人形机器人“智能性”的来源。大模型蓬勃发