亚商投顾-人形机器人快速发展，原材料会不会是下一个新风口？（附股）

 

事件驱动：越来越多市场声音认为具身智能可能将是AI的终极形态，而人形机器人是实现具身智能的最佳形态之一，代表着未来人工智能发展大方向。人形机器人本身对于硬度和轻量化的要求，制作材质就势必要从金属转变为高分子材料，因此主要核心零部件伺服电机连接器、减速器等构成的主要材料，未来需求量也将进一步上升。

 

行业透视

 

Tesla Optimus 人形机器人掀起行业巨浪，诸多科技公司纷纷入局，当前人形机器人行业迅速迭代，产业处于“0-1”的突破阶段。未来随着人形机器人的逐步放量，上游重要原材料钕铁硼、镁合金等有望深度受益。（文末附相关上市公司梳理）

 

一、人形机器人未来发展：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%。

 

 

二、人形机器人上游零部件及原材料梳理

 

1.人形机器人全景产业链图

 

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。

 

 

2.产业化渐近，上游原材料有望受益

 

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。

 

接下来进一步对其核心零部件进行拆解与分析。

 

1）无框力矩电机

 

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。

 

 

2）谐波减速器

 

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。

 

 

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。

 

 

3）行星滚柱丝杠

 

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，螺母和滚柱选用的材料为高碳铬轴承钢 GCrl5。

 

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。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。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。

 

4）灵巧手

 

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，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。

 

三、人形机器人质量拆分及重要原材料分析

 

1.人形机器人的质量拆分

 

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.重要原材料分析

 

1）稀土磁材：无框力矩电机及空心杯电机核心材料

 

如前所述，第三代稀土永磁材料钕铁硼，为人形机器人中重要核心零部件无框力矩电机、空心杯电机的核心材料，其作用主要为电产生磁场，从而与线圈相互作用，实现电能到机械能的转换。

 

除人形机器人电机应用以外，钕铁硼广泛应用于变频空调的压缩电机、风电直驱电机、新能源车、汽车 EPS 转向系统、汽车微电机、3C 端的 VCM 和听筒、工业机器人等诸多领域。

 

根据测算，2023 年钕铁硼下游应用需求仍较为分散：新能源汽车、工业电机和传统车的需求量占比较高，分别达到 16.5%、8.5%和 6.8%；工业机器人、风电和变频空调的占比分别为 6.8%、6.3%和 5.4%。

 

 

钕铁硼的供给方面，目前主要上市企业的总产能达到了 13 万吨（2022 年），并有相当数量的企业都有扩产规划。不仅以稀土磁材为主业的各大企业如金力永磁、宁波韵升、正海磁材、中科三环等在快速扩张，部分上游的稀土企业或其他企业也在进入稀土磁材板块。大量的产能增长意味着行业竞争加剧，磁材厂商可凭借客户优势、技术优势以及早期积累的市场占有率维持自身的领先地位。

 

 

2）工装刀具：铜镀层丝与硬质合金刀具

 

在前文对人形机器人所涉及的工装刀具做了简要介绍。在谐波减速器的制造工艺中，慢走丝工艺主要使用铜镀层丝，而滚插齿工艺则使用工具钢刀具或硬质合金刀具；在行星滚柱丝杠的制造工艺中，磨削工艺主要使用传统的刚玉砂轮及 CBN 砂轮材料，车削工艺中车刀使用材料包括高速钢、硬质合金、超硬材料三类。

 

结合前文数据，单卷镀层丝质量为 5kg，可用于慢走丝加工 20 小时，那么我们可以进一步计算得出单个谐波减速器消耗镀层丝质量为：5kg/（20/2.72）=0.68kg。Tesla Optimus Gen2 目前搭载谐波减速器共 14 个，那么 Optimus Gen2 单机镀层丝消耗量约为 0.68*14=9.52kg。参考博德高科官网采购数据，其慢走丝工艺用镀层丝的平均价格大约为 85 元/kg，据此我们可以计算出单个Optimus Gen2 镀层丝的价值量大约为 809 元。

 

硬质合金刀具通常会使用在行星滚柱丝杠的车削工艺及谐波减速器的滚插齿工艺中（需要注意工艺之间的替代性）。目前大多数硬质合金刀具采用最低成本耐用度，即经济耐用度。其数值一般是：在通用机床上，硬质合金车刀耐用度大致为 60～90min；硬质合金端面铣刀耐用度大致为 90～180min。

 

根据前文所测算数据，单个谐波减速器的平均加工时间大约为 2.72 小时，对于硬质合金刀具，我们取交集，即耐用度为 90min（1.5 小时），那么每一个谐波减速器将使用 1.81 份左右的硬质合金刀具（若使用滚插齿工艺）。假设单个行星滚柱丝杠（车削工艺）对于硬质合金刀具的使用量与谐波减速器相同，那么单个Optimus Gen2 对于硬质合金的消耗量约为 1.81*14*2*275g/1000≈13.96kg。

 

3）镁合金：人形机器人关键轻量化材料

 

Optimus Gen2 总质量为 63kg，相比于前代 Optimus 质量减少 10kg，未来 Tesla 目标在 Optimus Gen2 的质量基础上再减重 10%。由于 Tesla 目前并未公布其轻量化材料的具体使用，市场上关于轻量化材料种类的选择以推测为主，其中 PEEK 材料被认为是具备较大应用潜力的一种材料，其重量较轻、性能较优是其脱颖而出的理由。

 

Tesla 以生产汽车起家，我们参考汽车目前热度较高的两种轻量化材料：铝合金和镁合金，与 PEEK 进行性能对比。

 

 

从对比中国可以看出，PEEk材料非常好，但PEEK 材料相比镁合金与铝合金更加昂贵。当前，国内 PEEK 材料价格约为30 万元/吨至 40 万元/吨（300~400 元/kg），国外则高达 80 万元/吨至 100 万元/吨（800~1000 元/kg）。而镁合金价格为 21 元/kg（2024 年 3 月第一周），铝合金价格为 18.8~20.5 元/kg（2024 年 3 月 13 日），PEEK 材料的价格为镁合金/铝合金价格的十倍以上。

 

在我们此前对 Optimus Gen2 的质量分布计算中，旋转执行器与线性执行器的质量总计为 33.6kg，电池包质量为 11kg，2 个灵巧手总质量为 1.08kg，摄像头+芯片总质量为 0.7kg，那么以轻量化材料为核心的整体外骨骼总质量为16.62kg，这是以 Optimus Gen2 相比于前代 Optimus 减重 10kg（即总重量为63kg）作为前提假设计算出来的结果。

 

进一步地，我们计算根据 Tesla 后续优化方案提出的继续减重 10%，即达到人形机器人概念机体重 57kg 时轻量化材料的平均密度。我们假设其他部件的设计都不会出现重大改变，即减重 10%全部由轻量化材料的替代实现，那么以轻量化材料为核心的整体外骨骼总质量为 16.62-63*10%=10.32kg，除以人体肌肉平均体积 6013cm3，即 10.32g*1000/6013cm3≈1.72g/cm3，与镁合金密度相当。

 

由于 Tesla 并未公布其轻量化材料的设计方案，目前只能推测其选用轻量化材料种类。综合考虑材料性能参数、材料成本差异、材料密度匹配度，认为镁合金同样有可能成为关键核心轻量化材料。

 

 

4）其他材料：钢材及球墨铸铁

 

除去前文所述的几种主要原材料（稀土磁材、工装刀具、轻量化材料）以外，人形机器人的其他原材料以钢材为主，其中谐波减速器的刚轮会使用球墨铸铁，柔轮材料使用合金钢材；无框力矩电机则会使用电工钢及碳素结构钢；行星滚柱丝杠、灵巧手的腱绳材料同样以合金钢、不锈钢等为主要原材料。

 

3.弹性测算

 

分析了人形机器人的主要原材料和应用环节，并计算了主要原材料的单机消耗量，主要包括钕铁硼、镀层丝、硬质合金刀具、镁合金、铝合金、钢材等。

 

 

分别计算了 Optimus 使用三种不同轻量化材料情形下的 100 万台人形机器人出货对上游原材料的需求拉动顺序，具体计算结果为 PEEK（64.5%）>镁合金（1.81%）>钕铁硼（1.20%）>铝合金（0.07%）>钢材。

 

对相关的上市公司，就机器人相关产品的价格上涨 1%对公司的业绩弹性进行测算。主要包括金力永磁（钕铁硼）、宁波韵升（钕铁硼）、正海磁材（钕铁硼）、中科三环（钕铁硼）、博威合金（镀层丝）、宝武镁业（镁合金）。

 

 

四、主要相关企业梳理

 

人形机器人的主要原材料包括钕铁硼、镀层丝、硬质合金、镁合金、铝合金、钢材等，随着人形机器人产业化的临近，这些材料相关的上市公司有望受益，如金力永磁（磁材）、宁波韵升（磁材）、正海磁材（磁材）、中科三环（磁材)、大地熊(磁材)、英洛华(磁材)、博威合金(镀层丝)、宝武镁业(镁合金)、星源卓镁(镁合金)。

 

1）金力永磁：Tesla重要供应商，新能源、机器人均有布局。

2）宁波韵升：老牌磁材生产企业，持续开拓新能源领域。

3）正海磁材：稀土磁材与新能源电机驱动双轮驱动。

4）中科三环：拥有雄厚理论与优秀技术的稀土磁材企业。

5）英洛华：电机业务打开全新增长空间。

6）宝武镁业：背靠宝钢，镁业龙头。

7）星源卓镁：突破镁合金压铸领域。

 

 

风险提示：上游原材料价格波动风险、人形机器人技术路线变化风险等

 

参考资料：20240323--光大证券—人形机器人金属材料深度报告；网络公开资料

 

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