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人形机器人专题报告:人形机器人产业链梳理

发布时间:2022-09-30 11:17:58 来源:bob综合体育app在线 作者:bob综合体育官方app下载

  人形机器人或带来机器人上游核心零部件投资机会。参考工业机器人零部件及 特斯拉公布的人形机器人技术细节和应用场景,人形机器人可能受益的环节有减速器、 电机、结构件、半导体芯片及器件、传感器、面板玻璃和材料等。成本构成方面,工业机器人的核心零部件主要为减速器、伺服系统和控制系统, 分别为 32%、22%和 12%,成本占比超过 65%。我们判断人形机器人零部件中减速器的 价值量较大。

  减速器产品主要可分为 RV 减速器、谐波减速器、摆线针轮行星减速器和精密行 星减速器。减速器的作用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 转矩的作用,减速器将电机等高速运转的动力通过输入轴上的小齿轮啮合输出轴上的大齿轮来达到减速的目的。目前工业领域的机器人主要使用 RV 减速器和谐波减速器, 根据两者的特点各有不同的应用位置。

  RV 减速机与谐波减速机均可应用于人形机器人的不同部位。RV 减速器的特点是 拥有较高的传动效率、输出扭矩和扭转刚性,通常应用于机器人的腿部、腰部和肘部 等承重关节;谐波减速器的特点是噪声小、体积小、重量轻、运动精度高,主要应用 于轻型、小型工业机器人的末端部位。对于人形机器人来说,在进行搬运物品时,承 重较大的腰部、腿部等关节处可配置 RV 减速器,而进行精细化操作时,机器人的小 臂和腕部可配置谐波减速器。

  根据中国通用机械工业协会数据,2020 年中国减速机产量达到 917 万台,较 2013 至 2018 年的平均值增长近 54%。除此之外,近年来谐波减速机规模呈现平稳增加的 态势,2020 年谐波减速机规模达 12.6 亿元。根据《“十四五”机器人产业发展规划》, 到 2025 年,机器人产业营业收入年均增速超过 20%。我们预计到 2025 年我国机器人 谐波减速机规模有望达到 31.4 亿元。

  国内减速机行业领先公司侧重点有较大差别。绿的谐波主要专注于精密谐波减速 机的开发及其销售工作,是中国第一家成功量产谐波减速机的企业,打破了国外企业 长久以来的垄断地位。而国茂股份专注于齿轮减速机、行星减速机领域和提供一体化 的减速电机设备,即减速器+电机机电一体化。宁波东力主要生产专用齿轮箱、非标 齿轮箱、标准减速机、传动装置、特种高效电动机等设备。中技克美以谐波减速机为 其主要产品,而香农芯创、昊志机电也同样拥有谐波减速机产品构成。

  行业整体进入投资积累阶段,非流动性资产逐年提高。从 2017 年到 2021 年, 绿的谐波、国茂股份、昊志机电等国内减速机行业领先企业均处于加大固定资产投资 的阶段,固定资产的投资将有助于企业未来产能释放,进一步提高国产减速机的供给 量和市场占用水平。从图表中我们可以看到绿的谐波、国茂股份、中大力德、香农芯 创等在去年均有超过 30%的增速,处于较高的增长水平。

  行业内公司利润率逐年提升,国产减速机表现良好。国内减速机行业领先企业 近 5 年利润均有较大幅度提升,整体表现良好,其中绿的谐波、昊志机电等公司去年 均实现净利润增长超过 100%,净利润的快速增长意味着公司前期投资已经逐渐得到 回报,国产减速机的质量也得到了其他企业的认可,随着减速机需求的进一步提升, 行业内公司的利润率有望保持较高增长。

  谐波减速器市场格局方面,内资企业渗透率逐渐提升。日企哈默纳科和电产新 宝在 2021 年合计市占率为 43.9%。较 2020 年下滑 2.1 个百分点。内资企业绿的谐波 在近两年国内市占率位于行业第 2 名,2021 年占比(24.7%)相比 2020 年提升 3.7 个百分点。在国产替代的大背景下,内资企业有望进一步提高市场渗透率。

  RV 减速器市场格局方面,日企占据主导地位。日企纳博特斯克和住友在 2020 年 和 2021 年市占率均超过 50%。内资企业双传环动市占率由 2020 年 9.3%提升至 2021 年 15.10%;上市公司中大力德市占率稳中有升,较 2020 年提升 1 个百分点,从行业 第 4 名上升至行业第 3 名。

  双环传动:齿轮领域龙头,RV 减速器国产替代。双环传动是国内汽车齿轮龙头 企业,在行业深耕多年,客户覆盖海内外主流车企。公司自 2012 年开始研发 RV 减速 器,不断在关键领域实现技术突破,目前已成为国内 RV 减速器龙头。公司 2021 年实 现营收 53.91 亿元,同比增长 47.13%,实现归母净利润 3.26 亿元,同比增长 536.98%。

  中大力德:国内 RV 减速器 top2 上市公司。中大力德是从事机械传动与控制应 用领域关键零部件的研发、生产、销售和服务的高新技术企业,主要产品包括精密减 速器、传动行星减速器、各类小型及微型减速电机等,为各类机械设备提供安全、高 效、精密的动力传动与控制应用解决方案。公司 2021 年实现营收 9.53 亿元,同比增 长 25.3%,实现归母净利润 0.81 亿元,同比增长 15.85%。

  绿的谐波:打破海外垄断,国内首家谐波减速器企业。绿的谐波从事精密传动 装置的生产与销售工作,主要产品为谐波减速器以及其他精密设备,早年国内的谐波 减速器领域由海外企业垄断,公司通过技术攻坚打破海外垄断,成为国内首家谐波减 速器厂商。公司 2021 年实现营收 4.43 亿元,同比增长 104.77%,实现归母净利润 1.89 亿元,同比增长 130.56%。

  伺服电机市场持续增长,机器人应用占比基本稳定。伺服电机的下游较为广泛, 包含机床、电子制造设备、包装机械、纺织机械、机器人、塑料机械、医疗机械、食 品机械以及其它领域,随着下游需求的不断提升,伺服电机的市场规模持续增长,据 统计伺服电机规模已从 2011 年的 25 亿元提升至 2020 年的 83 亿元,总体保持稳定增 长态势。从应用占比来看,早期机器人的伺服电机应用占比较低,而在 2015 年已快速提 升至 9%,之后占比保持在 6%-9%的范围内,而随着市场规模整体的扩大,机器人领域所对应的伺服电机规模也将提升。

  除传统的伺服电机外,液冷电机也有望应用于机器人领域。液冷电机的特点在于 通过液体冷却技术同时实现了高效散热以及防水的功能。在高端电子产品、超级计算 机的 CPU 散热中,液冷电机已有一定程度的应用,而在电动车领域绿源电动车也通过 液冷技术来降低电机的工作温度,大幅提高运行效率,有效解决了传统电机因为发热 而导致的性能降低问题,但液冷电机目前依然存在价格较高的问题。

  空心杯电机主要由后盖、接线端子、电刷、杯形绕组(转子)、转轴、定子等部 件构成,其中定子由永磁体、壳体、法兰组成。外壳提供了恒定的磁场,使电机无铁 损耗,所产生的转矩是均匀的,在较高的速度下可以减少振动及噪音,在低速下也能 运行平稳。空心杯电机的主要应用领域为需要快速响应的随动系统,如光驱的随动控制、高 灵敏的记录和检测设备、工业机器人、仿生义肢等产品。针对人形机器人的应用场景, 空心杯电机可使用在机器人的手指部位,实现手指的快速响应以满足工作需求。

  空心杯电机可归类为微特电机,当前微特电机高端市场中由日本电产主导,国内 龙头企业主要为鸣志电器、江苏雷利、大洋电机等。其中仅鸣志电器生产以应用方向 为机器人的空心杯电机,且具有美国沃尔玛 AGV 机器人独供经验。此外,当前鸣志电 器发展路径与世界龙头日本电产相似,通过横向并购海外公司并发展海外业务。

  工业机器人控制系统分为硬件类控制器和软件类控制软件。控制器可分为上位主 控计算机和下位多轴关节伺服控制器,主控计算机负责下达指令以控制各伺服驱动装 置,实现对机器人的工作顺序、位置、运动速度、时间间隔的控制。工业机器人的控 制方式包括运动控制和力控制。运动控制主要控制机器人的位置,而力控制则控制机 器人末端执行器的作用力与力矩,主要用于会与环境接触的加工机器人、装配机器人。控制器产品的精密性会极大影响机器人的工作表现,目前海外部分企业的控制器 产品在性能表现上较为领先,能够满足绝大多数应用的需求,国产控制器产品仍有较 多提升空间。

  目前国内伺服电机市场主要由海外企业所主导,2020 年国内汇川技术、台达、禾川科技的市占率合计为 22.2%,国内许多企业的伺服电机产品仍主打中低端市 场,随着伺服电机相关核心技术的进一步突破,国内厂商在未来有望上攻高端市场加 速国产化替代进程。

  汇川技术:工控领域龙头,伺服国内第一。汇川技术早期从事变频器供应,目前 已成为机电液综合产品及解决方案供应商,公司的工控产品广泛应用于各制造业装备, 其中伺服系统在 2021 年以 15.9%的市占率居于国内首位。公司 2021 年实现营收 179.43 亿元,同比增长 55.87%,实现归母净利润 35.73 亿元,同比增长 70.15%。

  禾川科技:国内工业自动化控制设备领军企业,伺服系统国产品牌位列第二。禾川科技是一家技术驱动的工业自动化控制核心部件及整体解决方案提供商,主要从 事工业自动化产品的研发、生产、销售及应用集成。禾川科技的主要产品包括伺服系 统、PLC 等,覆盖了工业自动化领域的控制层、驱动层和执行传感层和工业富联、宁 德时代、顺丰控股、三通一达、隆基股份、捷佳伟创、先导智能、蓝思科技、埃夫特 等多家行业龙头企业。公司 2021 年实现营收 7.51 亿元,同比增长 38.13%,实现归 母净利润 1.1 亿元,同比增长 3%。

  鸣志电器:借力技术储备优势,空心杯电机前景广阔。鸣志电器利用早期在直 流无刷系统的研发中所储备的技术优势,进一步研发出独特的无齿槽空心杯无刷电机, 具有无齿槽转矩、低振动噪音及运转平顺等特点,控制模型线 万转,在生物医疗、小型精密机器人等领域拥有广泛的应用前景。公司 2021 年实 现营收 27.14 亿元,同比增长 22.66%,实现归母净利润 2.80 亿元,同比增长 39.27%。

  传统的工业机器人的结构件主要包含外部壳体、驱动装置、传动机构等部件。特 斯拉通过自身丰富的供应商资源,或可在汽车结构件与机器人结构件之间形成联动, 共享供应商资源。

  2021 年 12 月,特斯拉全球副总裁陶琳表示,特斯拉上海工厂已经实现超过 90% 的供应链本土化。参考特斯拉汽车国内供应链占比,人形机器人量产阶段或将引入 国内供应商,国产结构件供应商有望迎来新增量。我们认为人形机器人量产阶段或依 托现有汽车供应链体系,其中结构件部分技术难度低于动力系统和 AI 系统,国内龙 头企业已形成规模,切入机器人供应链的可能性较高。

  拓普集团:汽车 NVH 龙头,技术行业领先。拓普集团在汽车 NVH(即减振降噪以 及舒适性控制)领域的技术水平居于国内前列,是国内较早进入全球整车配套零部件 采购体系的自主品牌汽车零部件供应商。公司是特斯拉供应链中极为重要的一环,自2016 年正式成为特斯拉供应商,主要负责提供底盘系统、副车架、内饰等,2020 年 依托特斯拉成功开拓汽车热管理业务,2021 年 1-9 月特斯拉升至拓普集团第一客户, 占总营收比重为 41.47%,未来人形机器人量产有望为拓普集团带来增量。公司 2021 年实现营收 114.63 亿元,同比增长 76.05%,实现归母净利润 10.17 亿元,同比增长 61.93%。

  旭升股份:深耕铝合金压铸件,产品受主流客户认可。旭升股份的主要产品为 热成型压铸锻造的精密铝合金零部件,下游应用领域覆盖汽车行业及其他机械制造业, 曾荣获特斯拉“杰出合作伙伴”。公司与特斯拉的合作基础深厚,自 2014 年起与特斯 拉全面合作,由个别零部件供应商逐渐发展为全面供应传动系统、悬挂系统等结构件 供应商。同时,自 2015 年起,特斯拉一直是旭升股份第一大客户,总营收贡献率数 年在 40%以上。此外,在人形机器人轻量化发展的方向中,公司深耕汽车轻量化和精 密铝合金领域或将具备先发优势。公司 2021 年实现营收 30.23 亿元,同比增长 85.77%, 实现归母净利润 4.13 亿元,同比增长 24.16%。

  安洁科技:绑定头部客户,横跨消费与汽车两大赛道。安洁科技为各类智能数 码产品以及新能源汽车提供精密功能性器件的生产,在存储器和电脑业务方面切入微 软和苹果供应链,汽车领域已进入特斯拉供应链并为 Powerwall 储能系统和 Model3 进行零部件供应。公司 2021 年实现营收 38.84 亿元,同比增长 33.68%,实现归母净利润 1.99 亿元,同比增长-57.50%。

  人形机器人需要多种半导体产品。特斯拉的人形机器人定位于执行家庭服务与工 业生产中更复杂的任务,最终实现劳动力替代。参考智能网联汽车架构,人形机器人 在具体完成某项任务时的基本流程也可分为感知、决策和执行三个层面,因此我们认 为人形机器人在半导体产品的使用上可以参考特斯拉的 Model 系列轿车:包括实现数 字、图像、声音等多类型数据处理的主控芯片、各类功能实现所需要的控制单元芯片 MCU 和动力单元所需要的核心器件 IGBT。

  汽车端决策层生态完善,FSD 芯片助力人形机器人。特斯拉在智能汽车的决策层 具备非常深厚的技术积累:在硬件层面公司已经开发了自有的 FSD(Full Self-Drive) 全自动驾驶系统及 FSD 芯片,FSD 芯片主要作用是将视觉系统采集到的图像信息通过 神经网络模型相关算法进行处理并做出实施决策。以 2019 年在 Model 3 上批量交货 的 FSD 芯片为例,该芯片采用三星的 14nm FinFET 工艺,面积约为 260 平方毫米,集 成了 CPU、GPU、NPU、ISP 和各种硬件加速器。与智能汽车类似,人形机器人也是通 过摄像头等感知传感器对周边的信息进行采集,我们认为特斯拉基本会使用自研的 FSD 芯片作为人形机器人的主控芯片,高性能的 FSD 芯片将会帮助人形机器人实现一系列的复杂功能。

  人形机器人对 MCU 的需求量大。根据特斯拉在 2021 年“人工智能日”公布的数 据,人形机器人全身共有 40 个左右的机电执行器,我们初步判断每个人形机器人至 少需要搭载 30~40 颗 MCU,考虑到人形机器人的控制对于精度的要求非常高,所使用 的控制器应该为更高端的 32 位 MCU。

  MCU 市场规模稳步提升,汽车和工控为前两大应用领域。在汽车智能化、电动化 和积极推动双碳政策的大背景下,汽车和工控领域继续推动全球 MCU 市场规模增长, 根据 IC Insights 数据,2021 年全球 MCU 市场需求旺盛,全年销售额增长 23%至 196 亿美元,预计 2022 年将增长 10%至 215 亿美元,2026 年将达到 272 亿美元,2022-2026 年 CAGR 为 6.77%。2020 年全球 MCU 市场下游应用中,汽车与工业占比位列前二,分 别为 35%和 24%;国内 MCU 市场下游应用中,消费电子占比最大达到 26%,其后分别 为计算机与网络(19%)、汽车电子(15%)等。

  国内厂商积极布局工控与汽车领域,建议关注兆易创新。在 MCU 领域,国内 4 位、8 位和 16 位的 MCU 自给率较高,已经在消费电子领域实现了替代,但在性能 要求较高的工控、汽车领域自给率还较低,市场主要被国外厂商占据。2021 年由于 全球 MCU 产能的紧张以及下游需求出现高景气,全球 MCU 市场出现了供不应求的 情况。在此背景下,国内 MCU 龙头兆易创新积极完善产品矩阵,已成功量产 35 个 系列约 400 种型号的 MCU 产品,可以满足高、中、低端各种市场需求,公司 40nm 车规级 MCU 已经完成流片并进入客户测试,车规 MCU 产品的性能要求相较工业类 MCU 更高,我们认为未来人形机器人也有望成为兆易创新的业绩增长的驱动力之一。

  动力总成系统:IGBT 是人形机器人不可或缺的器件。人形机器人进行任何任务 的执行均离不开动力总成系统,动力总成系统包括动力电池、驱动电机、电池管理系 统等。特斯拉在动力电池及电池管理系统领域具备较强的技术积累,参考特斯拉 Model 汽车配置,我们认为人形机器人也需要电机(逆变器)、充电模块(类似新能 源汽车 OBC)等,这增加了对于功率器件 IGBT 的需求。IGBT 在人形机器人中的作 用包括:在逆变器中将直流转换为交流,从而驱动电机运行;在充电器中实现交流到 直流的转换并进行高低压变换。

  IGBT:电气电子领域的“CPU”。IGBT 全称为绝缘栅双极型晶体管,它由绝缘 栅型场效应管和双极型三极管两个部分组成,其兼具 MOSFET 输入阻抗高、控制功 率小、驱动电路简单、开关速度快和 BJT 通态电流大、导通压降低、损耗小等优点。IGBT 可分为单管、IPM 和 IGBT 模块:IGBT 单管主要用于小功率家用电器、分部式 光伏逆变器、小功率变频器,制造工艺为环氧注塑工艺;IPM 模块应用于白色家电中 的变频空调、变频洗衣机,制造工艺为环氧注塑工艺;IGBT 模块应用于大功率变频 器、电焊机、新能源车、集中式光伏等领域,制造工艺为灌胶工艺。按照电压等级划 分,600V 以下的低压 IGBT 主要应用于消费电子领域,600V~1200V 的中压 IGBT主要应用于新能源车、光伏、工业等领域,1700V 以上的超高压 IGBT 主要应用于轨 交、风电、智能电网领域。

  第三代半导体 SiC 功率器件厂商有望受益。目前新能源车使用的 IGBT 基本为硅 基器件,基于第三代半导体 SiC 的功率器件在新能源领域还未大规模使用。相比于 硅材料,SiC 材料的击穿电场强度更高,可以达到硅材料的 10 倍以上,因此基于 SiC 制备的功率器件具备更高的耐压性,同时还具备更好的耐高温特性和更低的开关损耗。

  SiC 功率器件主要应用领域包含新能源汽车、电力供应、光伏、UPS 通信、轨交以 及航天军工等,其中新能源汽车市场有望在 2023 年迎来快速上量,成为 SiC 器件市 场增长的主要驱动力,光伏领域的发展也将进一步刺激市场增长。根据 Yole 数据, SiC 功率半导体市场产值到 2025 年将达到 25.62 亿美元,2019-2025 年 CAGR 为 29.6%。作为特斯拉最热销的车型之一,Model 3 是新能源汽车领域第一款使用 SiC 功率器件(SiC MOSFET)的车型,基于此我们认为人形机器人功率器件部分也会使 用一定比例的 SiC 器件,国内的 SiC 厂商有望迎来新的增量领域。

  人形机器人时代关注国内 IGBT 和 SiC 优质厂商。我们认为产品种类齐全、性 能出色和下游进入汽车或光伏领域,实现批量出货的 IGBT 企业将会率先进入人形机 器人产业链,因此我们建议关注国内 IGBT 模块龙头斯达半导和轨交领域 IGBT 龙头 时代电气;第三代半导体领域国内企业以产业链单一环节为主,行业技术壁垒高,海 外龙头企业如意法半导体、英飞凌均采用 IDM 模式。

  感知层:视觉方案为主,辅以毫米波雷达。特斯拉是纯视觉方案践行者,即使用 单一的摄像头实现自动驾驶功能。我们认为人形机器人应用场景相对于自动驾驶汽车 更加封闭,人性机器人在室内需要实现更高精度定位,因此除了使用摄像头外,还应 该使用少量毫米波雷达配合摄像头实现在室内的精准定位,提升机器人任务执行的准 确率。除了会使用进行环境感知的传感器外,与普通工业机器人一样,人形机器人也 需要普通的位置、压力、速度、力矩等测量类型的传感器。

  以车载摄像头为例:镜头与图像传感器价值量较高。普通的车载摄像头由图像 传感器、光学镜头、图像信号处理器及各种结构件组成,根据 ON SEMI 数据,车载摄 像头中图像传感器、模组封装和镜头的成本占比分别为 50%、25%和 14%,因此我们主 要关注光学镜头以及图像传感器赛道相关机会。

  人形机器人使用性能更优的玻璃镜头。光学镜头按照制备材料不同可分为玻璃镜 头(G)、塑胶镜头(P)和玻塑混合镜头(G+P),玻璃镜头相比塑胶镜头在折射率、 稳定性、环境耐受性等性能上具有更好的表现,但成本和制备难度也更高。玻璃镜头 制备工艺主要包括模造成型工艺、晶圆级光学器件工艺(WLO,Wafer Level Optics) 和晶圆级玻璃工艺(WLG,Wafer Level Glass)。人形机器人主要通过摄像头对周边 环境信息进行采集,因此我们认为人形机器人也采用与特斯拉汽车 ADAS 相同的玻 璃镜头。

  模造成型工艺是制备玻璃镜头的主流工艺,技术壁垒高。模造成型工艺技术发 展较为成熟,是当前行业内制备玻璃镜头的主流工艺,该方法的基本原理是将预加工 的玻璃胚胎放置于精密成型模具中,加热升温使玻璃软化,再向模具表面加压使玻璃 成型。模具的设计与加工是该方法的核心,技术和工艺的壁垒较高,模具的精度将会 直接影响玻璃镜头的生产良率与光学性能。

  机器视觉成为光学镜头重要增长领域。根据中国机器视觉产业联盟数据,机器视 觉系统中游零部件环节成本占比最大(45%),其次为软件开发(35%)、组装集成(15%) 和维护(5%),中游零部件主要包括光源、镜头、相机和视觉控制系统等。根据奥普特公司机器视觉整体解决方案显示,光学镜头约占中游零部件成本的 15.6%。益于智 能制造加速,基础建设投资力度加大,我国机器视觉市场规模由 2018 年的 102 亿元 增长至 2020 年的 144 亿元,2021 年市场规模达到 181 亿元,预计 2022 年将达到 229 亿元。根据中游成本结构测算,2021 年国内机器视觉领域光学镜头市场规模为 12.7 亿元,预计 2022 年将达到 16.1 亿元,4 年 CAGR 为 23.8%,市场规模增长较 快。

  CMOS 图像传感器逐步占据市场主导地位。在摄像头模组中,图像传感器决定 着摄像头的成像品质以及其他组件的结构和规格,CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)图像传感器和 CCD(Charge-Coupled Device)图像传感器 是当前主流的两种图像传感器。其中 CCD 电荷耦合器件集成在单晶硅材料上,像素 信号逐行逐列依次移动并在边缘出口位置依次放大,而 CMOS 图像传感器则被集成 在金属氧化物半导体材料上,每个像素点均带有信号放大器,像素信号可以直接扫描 导出,即电信号从 CMOS 晶体管开关阵列中直接读取,不需要逐行读取。

  从 20 世纪 90 年代开始,CMOS 逐步取代 CCD 占据市场主导地位,CMOS 图像传感器的优 势包括:1)成本层面上,CMOS 图像传感器芯片一般采用适合大规模生产的标准流 程工艺,在批量生产时单位成本远低于 CCD;2)尺寸层面上,CMOS 传感器能够 将图像采集单元和信号处理单元集成到同一块基板上,体积得到大幅缩减,适用于移 动设备和各类小型化设备;3)功耗层面上,CMOS 传感器相比于 CCD 保持着低功 耗和低发热的优势。

  CMOS 图像传感器根据感光元件安装位置可分为:前照式结构(FSI)、背照式 结构(BSI)。1)前照式结构为 CMOS 图像传感器传统结构,即自上而下的五层结 构,分别是透镜层、滤色片层、线路层、感光元件层和基板层。光从正面入射时,采 用 FSI 结构的 CMOS 图像传感器需要光线经过线路层的开口后到达感光元件层进行 光电转换。前照式结构的主要优点是工艺条件较易实现、制造成本较低,存在较大的 局限性:随着像素尺寸变小,可接收的入射光量下降,金属布线反射和吸收的损耗在 线路层变得愈发严重,极大限制传感器的整体性能;

  2)背照式结构 CMOS 图像传感 器将感光元件位置更换至线路层上方,感光层仅保留部分逻辑电路。采用背照式结构 光线可从背面入射直接到达感光元件层,电路布线阻挡和反射等因素带来的光线损耗 大幅减少。与前照式相比,背照式感光效果显著提升,但设计和工艺难度均较大且成 本较高。

  CMOS 图像传感器根据快门曝光方式不同分为:卷帘快门(RS,Rolling Shutter) 和全局快门(GS,Global Shutter)。1)卷帘快门通过控制光敏元逐行或逐列进行 曝光来扫描完成所有像素单元的曝光。在感光度和低噪声成像上较全局快门有一些 优势,但需要足够的曝光时间,适合远距离拍摄静止或移动速度较慢的对象;2)全 局快门图像传感器可使全部光敏元像素点在同一时间接收光照,是高速摄影等应用 场景下的最佳快门方式,在需要实时进行精准的影像捕捉以及识别的场景(例如快 速行驶的汽车车牌、无人机飞行时的避障系统等),全局快门传感器已经成为首选。

  AIoT 和 5G 为机器视觉注入活力。机器视觉指的是通过计算机、图像传感器及 其他相关设备模拟人类视觉功能的技术,以赋予机器“看”和“认知”的能力。从使用场 景来看,随着 AI 和 5G 技术的商用落地,机器视觉不再局限于传统的工业中的应用 (主要包括产线检测、不良品筛检、条码识别、自动化流水线运动等),新兴下游应 用市场不断涌现,包括无人机、扫地机器人、AR/VR 等,为机器视觉行业发展注入 新活力,同时对图像传感器的技术水平也提出了更高的要求。

  在机器视觉新兴应用领 域中,全局快门的应用广度与深度都在迅速提升。全局快门 CMOS 图像传感器每个 像素处都增加了采样保持单元,使得所有像素可以同时捕获图像,从而避免了在高速 拍摄场景下因每行像素曝光时间差异而形成的“果冻效应”,而卷帘快门 CMOS 图像 传感器难以避免“果冻效应”,因此全局快门技术是众多新兴机器视觉应用领域内的必 要核心技术,应用前景广阔。根据 Frost&Sullivan 数据,全球新兴领域全局快门 CIS 出货量从 2018 年的 1100 万颗增长至 2020 年的 6000 万颗,预计 2025 年将达到 3.92 亿颗,5 年 CAGR 为 27.6%。

  全球 CIS 市场:国外厂商主导,CR5 超过 80%。全球 CIS 市场呈现头部龙头垄 断局面,根据华经产业研究院数据,以出货量口径计算,2020 年 CR5 供应商合计 占据 96%的市场份额,其中格科微以 20.4 亿颗位居全球第一;以销售额计算,2020 年索尼占有 39.1%的市场份额,CR5 为 83.3%。根据 Counterpoint 预测,2022 年 全球 CIS 市场将达到 219 亿美元,索尼将占有 39.1%的市场份额,其次是三星 (24.9%)、豪威科技(12.9%)、格科微(4.7%)、安森美(4.5%)、海力士(3.5%)、 意法半导体(2.5%)和思特威(2.3%),CR5 为 86.1%。

  毫米波雷达:具备精确位置检测性能,分辨率高。特斯拉凭借出色的图像处理 算法在汽车上证明了纯视觉方案的可行性,但是摄像头本身也有其不足的地方,包括 受天气影响大,距离误差大等。人形机器人在室内相对封闭的场合工作时,需要对四 周的墙体有精确的定位,这时如果使用毫米波雷达再配合摄像头即可达到更高的定位 精确度。毫米波雷达按照可测距离分为短距雷达(Short Range Radar,SRR)、中 距雷达(Medium Range Radar,MRR)和长距雷达(Long Range Radar,LRR), 其优点是可以实现精确位置检测,分辨率高,缺点是信号容易被遮挡,感知信号少。

  国内以主流 Tier1 厂商为主,关注国内汽车电子核心供应商。随着自动驾驶的快 速发展,带动毫米波雷达需求上升。根据头豹研究院数据,预计 2026 年中国毫米波 雷达市场将达到约 300 亿元。目前中国毫米波雷达市场还以国外主流的 Tier1 厂商为 主,例如博世、大陆等,它们拥有大量的技术与产品迭代经验,已经形成了庞大且稳 定的客户群体;国内的汽车电子供应商起步较晚,少数企业如德赛西威、华域汽车已 经实现了 24GHz 毫米波雷达的量产,其中德赛西威在投资者互动平台表示公司 77GHz 毫米波雷达已经在多个国内主流车型上实现量产。

  多种内部传感器配合实现机器人自身状态的监测。与普通机器人类似,由于仍 然有许多机械结构件,人形机器人需要通过位置传感器、力矩传感器、压力传感器和 温度传感器等实现对于自身位置、速度和加速度,结构件的角度、角速度和角加速度 等的测量,从而实现对于自身状态的监测。除此之外,这些监测数据还会反馈到控制 系统,帮助人形机器人更好的完成下一步动作。

  人形机器人的应用场景较为丰富,除工业用途外,或可应用于线下门店、福利院、 社区服务以及家庭服务等场景,因此人形机器人不可避免地需要具备人机交互功能。人形机器人的头部正面由一块面板玻璃所覆盖,用户可通过面板玻璃上显示的信息直 观地人机交互。目前与机器人面板玻璃类似的产品已有较多应用,如智能汽车的中控屏、笔记本 电脑屏幕、智能穿戴设备的显示屏等等,未来在人形机器人面部的面板玻璃产品可以 有效地提升人机交互体验。

  特斯拉人形机器人展示PPT 中介绍 Optimus 将采用轻质材料制成。结合观察 当前主流轻量化工业机器人使用材料,多数以碳纤维或铝镁合金等复合材料制作 机械臂。碳纤维具有质量轻、强度高、刚度高、耐疲劳、耐腐蚀等多方面优势,考虑到人形机器人进行搬运工作时,关节处需承受高负荷工作,需抗磨损,因此 碳纤维材料导入概率较大。

  电机轻量化也符合人形机器人发展方向,当前已应用于特斯拉等新能源车、 风电等产业的稀土永磁材料,或将切入机器人供应链,其制成的电机在轻量化、 体积、能耗等方面均具备优势,综合来看符合机器人轻量化需求。此外,高性能 钕铁硼材料已广泛应用于工业机器人领域,2020 年工业机器人消费占高性能钕 铁硼比重达 12.8%,特斯拉机器人或选择稀土永磁及制品作为电机材料。

  聚氨酯全称为聚氨基甲酸酯,是一种新兴的有机高分子材料,可以与塑料、 橡胶、泡沫、纤维等合成。其中软性聚氨酯泡沫塑料广泛用于汽车内饰,可提高 汽车的安全系数,硬质聚氨酯可通过添加阻燃剂增强汽车安全性。在人形机器人 材料的选用当中,聚氨酯可充当内部缓冲的填充材料,以此提升机器人负载能力 和抗冲击能力。

  中科三环:稀土磁材行业龙头,机器人产业或将催化增量需求。公司主要 从事钕铁硼稀土永磁材料和新兴磁性材料的研发和生产,是稀土永磁行业第一家 上市公司,同时是全球最大的钕铁硼永磁制造商之一。公司专利内容覆盖大量永 磁材料制造技术,对高档铷铁硼磁体质量的改善形成技术壁垒。目前公司产品主 要销售对象以汽车领域为主,2016 年与特斯拉签订合作协议提供永磁材料。特 斯拉人形机器人有望抬升稀土永磁电机的需求空间。公司 2021 年实现营收 71.46 亿元,同比增长 53.60%,实现归母净利润 3.99 亿元,同比增长 208.44%。

  金力永磁:全球稀土永磁龙头,兼具机器人产品经验与特斯拉合作关系。公司深耕稀土永磁材料十余年,是新能源汽车、风力发电和节能空调领域的供应 商,其中新能源汽车领域市占率全球第二,2020 年 9 月公司与特斯拉开启合作, 为其供应稀土永磁产品。此外,金力永磁产品广泛应用于机器人及智能制造,且 具有领先优势,助力公司更有可能切入未来机器人供应链。公司 2021 年实现营 收 40.80 亿元,同比增长 68.78%,实现归母净利润 4.23 亿元,同比增长 86.37%。

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