特斯拉机器人零部件专题报告:Tesla bot和车供应链异同点分析.docx
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1、一、和而不同:供应链可共用,产品导向存在异质性1、不同点1:供应链主要在海外特斯拉机器人零部件厂商主要来自海外,重点关注在海外独立建厂的汽车零部件供应商。拓普集团、三花股份、宁德时代和鸣志电器等均已在海外建厂,汇川技术、恒帅股份等均规划海外建厂.据特斯拉发布会,机器人将率先于美国生产,因此,在美洲已有工厂的鸣志电器(美国已建)、三花智控(墨西哥)和拓普集团(美国在建)等均有较强区位优势,特别是三花智控、拓普集团已分别成为特斯拉车端热管理和金属结构件供应商,鸣志电器、恒帅股份和汇川技术有望凭区位优势和成本优势在未来切入机器人供应链。2、不同点2:成本结构差异大,电池成本占比降低,电机占比最大电池
2、在电车/机器人成本占比分别为38%2%,变动幅度较大.AIDay披露,机器人带电量为23KWh,对应价值量约3000元,而Musk预测量产机器人整体成本约14-15万元,因此电池成本占比约2%,电池在电车成本中占比约38%,两者差距较大。但3-5年后机器人出货量若如Musk所言达百万台,对应电池市场增量空间约30亿元。图表2:智能电动车成本结构:电池占比约38%7%5%6% 电池 电机 电控车身底盘内饰 电子电器其他工.行业圾手帆展电机电控单位价值量大幅提升,由12%上升至约40%Optimus包含28个关节电机和12个手部电机,根据需要搭配减速器使用,手部和脚部等位置都包含传感器,当前各部件
3、仍由海外厂商供应,特别是28个(6类)关节电机均定制而成,价格高昂,国内对应环节的成本低、技术高的企业如鸣志电器(美国建厂+步进电机和空心杯电机)、双环传动(RV减速器技术灵敏性)、中科三环(特斯拉合作磁材厂商)、恒帅股份(美国筹建工厂+微电机隐形冠军)等公司均有望为特斯拉机器人供货。3、不同点3:电机和减速器要求更高的操作精度车端主要采用动力电机,机器人主要采用控制电机。汽车底盘驱动单元对电机的功率要求高,同时侧重于电机的启动、运行和制动方面的性能指标,因此采用动力电机。机器人各关节对控制精度和响应速度要求更高,因此采用控制电机,其中伺服电机在控制精度、低频特性、过载能力和响应速度等许多性能
4、方面都优于步进电机,更适用于机器人领域。特斯拉OPtimUS便采用了伺服电机中的空心杯电机(用于手部)和其他普通伺服电机用于身体关节.机器人电机更多,但平均扭矩更小,总体价值量在量产后更小.由于车辆整体重量更高(model3基础款整备质量为1761kg,Optimus机器人规划体重约),需要更大的动能,车端使用的电机最大功率基本约200kw,除了3D3电机外,扭矩均超过300Nm,相比机器人螺旋电机最高扭矩180Nm差别较大。但OPtimUS线性执行器性能较强,单个能直接拉起一台半吨重的音乐会三角钢琴。机器人驱动单元完成的动作更为复杂,对企业建模和算法能力等要求更高.电动车一般只有两个驱动单元
5、,主要应用场景是零百加速、城市巡航、高速驾驶、赛车等固定场景,而机器人有28个执行器,执行器的任务也更加复杂,需要多个关节组合配合完成行走、爬楼梯、下蹲、回避、负重前行、用一只手拿起物体等复杂动作。特斯拉需要通过模拟各个动作完成时各关节的数据来选取最合适的相关零部件。图表7:特斯拉电动车5种电机参数I电机最大最大电机功率H型号功率扭矩类型密度I3D1202kW5000rpm404Nm永磁同步高3D3137kW6380rpm219Nm交流异步中3D5180kW6000rpm326Nm永磁同步高3D6220kW5000rpm440Nm永磁同步高3D7194kW5400rpm340Nm永磁同步行蟠赢
6、卷减速器是目前执行机构中技术壁垒最高的环节。减速器是连接动力源和执行机构的中间机构,具有匹配转速和传递扭矩的作用.减速器是由多个齿轮组成的传动零部件。由于多数机械设备不适宜用原动机直接驱动,减速器可将传动设备在高转速时的动力,通过输入轴上的小齿轮啮合输出轴上的大齿轮,以达到降低转速和增大扭矩的目的。谐波减速器率先应用于OPtimUS,输出扭矩较大且质量和体积更小。应用较广的减速器中,谐波减速器在额定工况下的输出扭矩较大,代表其承载能力较强,同时整机体积较小,传动精度高和传动效率较高。RV输出扭矩更大,但体积、质量、传动精度和传动效率上效率参数较略差。因此滔波减速器更适用于轻量化要求高的人形机器
7、人,特斯拉发布会便披露使用谐波减速器.减速器技术壁垒较高,绿的谐波优势明显.因为谐波减速器做逆向工程难度大,各公司产品的原理和模型不太明确,通过模仿难以赶上竞争对手。而当前除了绿的谐波、哈默纳科和日本新宝外,暂无第四家实力较强的竞争对手出现。4、不同点4:视觉算法与车端相似,重塑运动算法在车端自动驾驶的感知算法基础上,机器人的视觉算法对环境数据进行了重新收集和训练.机器人的计算机视觉网络神经算法直接从自动驾驶系统获取,唯一改变的是对环境数据进行了重新收集和训练.车端对当期环境、未来预计路径、路径上事物活动路径的计算方法都有成熟的算法,为机器人对不同行动路径建模提供了可迁移性非常强的框架。机器人
8、运动控制算法远比车端更复杂,控制维度更多。身体自我意识、节能态势、避免摔倒、四肢协作是决定机器人运动维度的重要算法.机器人需要采用传感器了解自己和环境的状态,采用最节能的运动姿势,避免摔倒,而且需要双手和双脚同时协作完成任务。与车不同的主要是车不容易摔倒,且车端前驱和后驱执行器运动组合较为简单,两个驱动器工作便可让车辆运动,但机器人需要几十个关节同时配合,各自采用不同的转速、扭矩、偏转角度才能实现期望的动作,因此机器人运动控制算法更为复杂,以便于实现室内导航、接待服务、制作产品等相关动作。S13:机M人运动算法需要冏时检制多个电机短合无员多样化的动作NaturalMotionReference
9、sHumanDemonstrationMotionCopturWholBodyController行5、相同点1:依托车端FSD技术,Dojo超算平台赢在起跑线云端训练平台dojo和车一样使用自动标注与数据挛生,它将感知系统获取到的信息转化为计算机能理解的信息,用于构造机器人眼中的世界。数据挛生英文名为digitaltwin(数字双胞胎),是将环境中各种事物创造一个数字版的克隆体。自动标注即自动图像标注,是让计算机自动地给无标注的图像加上能够反映图像内容的语义关键词,类似自动抠图。超海量数据&超强数据识别+训练技术,机器人可沿用车端的智能行驶数据闭环,站在巨人的肩膀上前行.特斯拉已通过强大的车
10、队训练和超300万辆已售智能车搜集海量数据,将算法进行不断优化,目前FSDbeta用户超16万人,拥有超过14.4亿帧视频数据,同时撰弃近千人的标注团队,对数据标注流程进行了全面优化,训练速度提高30%机器人可沿用车端成熟的算法来识别世界和探索室内和室外世界。其他光谱波长技术加持,自动驾驶汽车与机器人协同,应用场景拓宽:除可见光视角下的感知,其他光谱波长亦能辅助构建客观世界,因此未来在其他波长(如红外、毫米波、激光等)亦有在特斯拉机器人上应用的潜力。机器人基于特斯拉超算平台和户外数据,将可以独立出门,实现为客户购菜、导盲、遛狗、领航、接送儿童上下学等功能.同时机器人收集到的室内和户外数据可进一
11、步完善全球地图3D网络。其他部位:热管理和语音交互系统单位价值量大幅下降。车端电池较大且对座舱内安全性保障度要求较高,因此需要较为复杂的热管理系统来防止电池过热甚至发生自燃或爆炸现象;特斯拉OPtimUS电池一共仅2.3KWh,相比model3单车60KWh下降了97%,对应热管理需求下降,仅集成在关节机电系统中。语音交互系统对降噪要求下降,对应价值量下滑。车端语音交互面临较多杂音,对噪声处理能力要求较高,对应成本较高.而人形机器人面对的环境以安静的室内居多,对降噪能力要求小。6、相同点2:与车端共享供应建预计OPtimUS与车共享Ak芯片、算法、热管理、摄像头体系。成本和效率上看:车型上已经
12、采用的热管理、摄像头和芯片等硬件,可以直接复用车端零部件,利于后续批量化购买和生产,规模优势助力成本管控,与成熟供应商扩展在机器人领域的合作可以减少前期认证工作等,从而提升开发效率。技术上看:依托特斯拉成熟的自动驾驶技术,OPtimUS核心模块技术领先。根据特斯拉发布会,Optimus会直接采用车端自动驾驶系统已经训练成熟的AL算法和芯片体系,这些环节基本由硬科技(自动驾驶、火箭)技术强大的特斯拉公司自研。OPtimUS机器人类似有双腿无四轮的电动车,与智能电动车的核心运维结构相似,都具有感知系统(摄像头、传感器)、决策系统(AIx芯片、算法)、动力系统(电池)、执行系统(电机、减速器)等,其
13、中决策系统是机器人厂商的主要匹配环节,而特斯拉在车端拥有全球最领先的自动驾驶决策系统,将其移植到机器人身上比其他从零开始研发的机器人更有先天优势。二、寻找高贝塔:关注新材料与新工艺当前特斯拉机器人急需解决能量、质量和成本问题.目前OPtimUS还存在较多问题,如防摔能力差、没有脑子、重量过高、续航能力差,具有较大的进步空间,同时也给相关零部件带来巨大的投资机会。结合特斯拉考虑的能量、质量和成本三因素,参考相关专利和文献,我们认为特斯拉进步的方向主要有轻量化、高输出密度和高抗摔能力。轻量化解决方法:(1)使用破纤维作为躯干材料,由于碳纤维质量轻且具有较好的弹性和强度,可用于机器人的躯干和四肢等细
14、小部位,对于减轻整备质量具有最显著的帮助.(2)使用高能量密度电池,在提供充足电能的同时,具备较小的体积和质量。(3)采用轻质量的运动系统构件,如采用空心杯电机和谐波减速器,对比类似性能竞品可减少30%以上的体积和质量。(4)一体化成形:机电一体化,减少焊接部位的结构件数量和质量。高输出密度解决方法:(1)电池端在材料上采用高镀三元正极材料,同时配备PET铜箔、低厚度隔膜、添加LiFSI等能提升电池能量密度的材料,工艺上选用刀片电池等能提升体积利用率的电池形状和箱体设计,利用CTP等技术直接将电池与机器人躯体进行集成。高抗摔能力解决方法:(1)主动安全:优化避障系统和自动行驶系统,主动降低机器
15、人磕碰和摔倒风险。(2)被动安全:采用安全气囊、防磨损橡胶等。1、一体化关节是最重要的发展方向,性价比亟待提升关节的结构:旋转关节二无框力矩电机+谐波减速器+双编码器+力矩传感器+交叉轻子轴承输出。线性关节=力矩电机+丝杠导轨+力矩传感器。其他关节:手部关节、腰部关节、膝部仿生设计。SA17:模块化关节核心零零件系H梃架电机壳体;绝体设计!谐波减速机;I力矩匹配、无枢力知业机;参做附廿电磁釜容关节是实现机器人行动和执行任务的关键技术部位,技术不成熟对于机器人就相当于人没有健全的四肢。当前机器人的关节面临的问题有:(1)成本高,特斯拉采用海外厂商定制电机和减速器等零配件,综合成本高。(2)体积大
16、,OPtimUS关节一体化程度不高,肩部、大腿等部位的关节体积与2021年特斯拉机器人概念形态仍有差距。一体化机器人关节设计可以提高机器人的灵活性,减少制造时间和总体成本.通过采用模块化关节,拥有标准化的独立工作单元,同时能够与各种其他部件和系统接口匹配,以创建复杂的机器人系统。高度集成的机电模块化关节相比传统机器人系统,有更高的功率密度、更轻的质量、更高的动态性能和可靠性。以科尔摩根为例,其设计了模块化的无框力矩电机、LVDC驱动器、专用谐波减速机、制动器、双反馈系统以及热传感器,同时让体积、重量、性能、可靠性和使用寿命都得到了优化。一体化关节成本占比最高,降本空间最大。成本=原材料+加工费
17、,当前技术溢价高,规模效应小.未来预计通过规模效应大幅降低零部件成本。当前可知道的是各环节成本下界,若原材料成本占比较高,如电机大部分由铜线构成,则铜材料成本可为电机成本提供下界。降本途径:电机=铜成本+加工工艺,未来成本不会低于钢材、致铁硼永磁体和铜线等原材料本身的价格。电机成本预计占关节成本比重约40-50%,成本根据功率和扭矩大小和供应商不同,价格从几百到两千元不等。预计随技术提升和规模效应增加,电机成本会逐步靠近原材料成本。减速器=材料+加工工艺,进口目前约3000元/个,国内一般低于2000元/个。减速器占关节成本比重约20%。其他:驱动模块、传感器、碳纤维等。由于机器人有28个运动
18、关节,内外传感器将达到数十个,且关节电机需要配备驱动模块(包含MCU或ESP等),合计成本占比较高。而碳纤维成本为2-4万元/吨,同时每个部位的加工费用较高,未来预计跟随产能提升而有规模效应。2、低速高扭电机,减少减速器成本人形机器人驱动器经过30年的发展,经历了从刚性驱动器到弹性驱动器再到准直驱驱动器的过程。准直驱驱动器可以提高驱动器的扭矩密度、瞬间响应性和抗冲击能力,同时降低成本,但因为只有电机端有位置编码器,这就面临机器人断电之后,驱动器如何回到机械零位的问题。当前人形机器人关节采用准直驱驱动电机,未来将减少对减速器的需求.最理想的状态是没有减速器,直接由电机驱动关节。直接驱动减少了减速
19、机构,从而减少了传动过程中减速机构产生的间隙和松动,极大地提高了机器人的精度,同时也减少了由于减速机构的摩擦及传动转矩脉动所造成的机器人控制精度降低的问题。因此具有部件少、结构简单、容易维修、可靠性高等特点.实现直接驱动的关键环节是直驱电动机,其应该具有以下特性:(1)输出扭矩大:为传统驱动方式中伺服电动机输出扭矩的50-100倍.(2)转矩脉动小:直接电动机的转矩脉动可以控制在输出转矩的5%-10%以内。(3)效率:与采用合理阻抗匹配的电动机(传统驱动方式)相比,直驱电机是在功率转换较差的使用条件下工作的,因此负载越大,越倾向于选用较大的电动机.但受限于电机工艺和技术,电机直驱驱动器的扭矩密
20、度不能满足机器人应用的需求,因此目前采用折中方案,使用电机的同时运用减速器以增大扭矩。S20:入给机叁人关节逐步柒用水直ms动后低仙动比低惯MW准IY删曲动器.双足仿人机器人2020WAP-3WL-IOR20165V,.*=J、 加”Valkyric Walk-Ma “c3、碳材料质量轻弹性强,机器人轻星化必备碳纤维拥有质量轻、弹性强的特点,用于机器人可以减轻重量并增加弹性和强度。一般手部可使用的破纤维是碳纳米管、破纳米管纤维螺旋纱线、石墨烯纤维螺旋纱线、复合纤维螺旋纱线、石墨烯网格纱线。足部和其他骨骼可用普通碳纤维。手部破纳米管纤维与电池负极使用的碳纳米管原材料相同.破纳米管纤维由破纳米管阵
21、列纺丝制备碳纳米管纤维丝,而后采用酸溶液进行处理和牵伸,合并制备成破纳米管。这种碳纳米管纤维原材料与负极碳纳米管一样,因此未来大批量运用后,天奈科技、集越纳米和黑猫股份等有破纳米管产品储备的公司有望受益。但目前碳纳米管纤维尚无批量运用.4、高比能量需求迫切:电池材料齐上阵,向高能量密度发展正极:高银三元材料比容量密度最高,高镁三元实际比容量约190-220mAhgx中镁三元比容量约150-205mAh/g,而磷酸铁锂仅135-145mAh/g,因此采用高镶三元正极材料实现最高的能量密度,帮助机器人实现较长运行时间或减少整备质量。负极:硅基负极能大幅提升电池性能。目前商业化负极材料主要为石墨类硅
22、负极材料,对应理论比容量密度仅372mAh/g,而畦基负极理论比容量为4200mAh/g是石墨的11倍。目前硅基负极在充放电过程中存在严重的体积收缩和膨胀,因此导致电池循环性能较差。若采用包覆材料通过包覆负极&造粒环节表面修饰将显著提升倍率性能和循环性能,在提升能量密度的同时维持较好的整体性能。集流体:PET铜箔同时帮助电池能量密度提升和成本下降。PET/PP/PI聚酯材料质量较轻,由于材料密度差异,同厚度的PET复合铜箔对比传统铜箔减重效果显著,对提高电池能量密度效果明显,从而有利于提升机器人的续航时间.电解质:LiFSI在高银趋势下有望加大应用。电解液的添加剂LIFSI优势显著,新型锂盐逐
23、步成为行业共识。UFSI的电导率和热稳定性较六氟磷酸锂性能更优,目前以添加剂的形式为主,高镇趋势下有望加速LIFSI的应用。隔膜:(1)在多孔隔膜孔隙中引入固态电解质;(2)通过减小厚度来提升电池能量密度,但减小空间较小。与集流体相似,隔膜厚度降低则单位电池体积缩小,对应能量密度提升。在保证一定机械强度的前提下,隔膜越薄越好,但新能源汽车所用的电池隔膜在40m左右,这是电池大电流放电和高容量的需要,且隔膜越厚则机械强度就越好,在组装过程中不易短路。但未来随着固态电解质发展,需要隔膜环节配套开发适应电解质的新型隔膜,将非离子导体隔膜逐渐替换成离子导体膜是液态电池向全固态电池转变的必经之路。5、安
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