【光大证券】人形机器人金属材料深度报告：人形机器人加速发展，钕铁硼、镁合金显著受益.pdf

2024-03-24

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1、人形机器人产业化渐近，上游原材料有望受益

全球机器人产业保持增长态势，中国已是世界最大的工业机器人市场。根据国际机器人联合会（IFR）发布的《2023 年全球机器人报告》， 2022 年全球工厂新安装 55.30 万台机器人，同比增长 5.1%，预计 2026 年全球工业机器人新安装数量将达到 71.8 万台。按地区划分，2022 年，新安装的工业机器人中有 73%安装在亚洲，15%在欧洲，10%在美洲。 2022 年，中国是世界上最大的工业机器人市场，安装量为 29.03 万台（同比 2021 年安装量增速为 5%，2021 年安装量较 2020 年增长 57%），占全球工业机器人安装量的 52.50%。工业机器人市场份额随中国之后的是日本，其 2022 年安装量增长了 9%，达到 50,413 台，超过了 2019 年疫情前的 49,908 台。同时，日本也是世界上主要的机器人制造国，占全球机器人产量的 46%。

工业机器人与人形机器人具备以下区别：（1）“大脑思维”层面：人形机器人在 AI 感知技术和 AI 语言大模型的加持下，可以自主学习、决策以及推理；而工业机器人的“大脑思维”通常是被事先编码设定的，能够重复做编码设定好的事情而不知疲倦。（2）“身体体型”层面：人形机器人的身高体型更接近人类的普遍身高体型，十分类似人体，其行为也“类人”。基于以上两个特点，工业机器人的发展与成熟对于人形机器人奠定了重要基础以及“解锁前置科技点”的作用。

1.1、人形机器人发展历程复盘，AI 的出现或将成为重要助推

人形机器人拥有会使用人类工具、所需空间少、非连续接触运动等特点，使其更易于人机交互，适应人类工作场景，未来有望对人类的工作起到一定程度的替代作用。

人形机器人技术起步于 1960 年代后期，以日本的研究成果最为显著。根据产品运动和交互功能成熟度，其发展历程可大致分为四个阶段：早期发展阶段（2000 年以前）：1973 年，早稻田大学研发出世界第一款人形机器人 WABOT-1 的 WL-5 号两足步行机。1986 年，日本本田开始进行人形机器人 ASIMO 的研究，并于 2000 年成功发布第一代机型。高度集成发展阶段（2000-2015 年）：2003 年日本丰田发布“音乐伙伴机器人”，其可以实现吹喇叭、拉小提琴等乐器演奏功能；2011 年，日本本田推出第三代 ASIMO，其具有利用传感器避开障碍物等自动判断并行动的能力，还能用五根手指做手语，或将水壶里的水倒入纸杯。高动态运动发展阶段（2015 年至今）：2016 年，美国波士顿动力公司发布双足机器人 Atlas，具有极强的平衡性和越障能力，能够承担危险环境搜救任务； 2020 年，美国敏捷机器人公司推出双足机器人 Digit，能够在无人干涉的环境下自行选定搬动箱子，适用于物流、仓储、工业等多种应用场景。在 Tesla 发布其人形机器人产品 Optimus 之后，人形机器人产业化进程加速：Optimus 能够完成多种复杂任务，引起了市场的广泛关注。 2023 年 11 月，工信部印发《人形机器人创新发展指导意见》，提出到 2025 年，人形机器人创新体系初步建立，“大脑、小脑、肢体”等一批关键技术取得突破，整机产品达到国际先进水平，并实现批量生产。到 2027 年，人形机器人技术创新能力显著提升，构建具有国际竞争力的产业生态，综合实力达到世界先进水平。

AI 技术的飞速发展，为机器人产业带来了前所末有的机遇。AI 不仅赋予了机器人更高级别的感知能力，还让它们具备了自主决策和学习能力。现阶段的 AI 模型可大致分为决策式/分析式 AI 和生成式 AI 两类。从决策式 AI 到生成式 AI，机器人的“大脑”变得更加智能，应用也更加广泛，并可以依靠文字、图像、多模态的输入信息学习进步。具身智能是能理解、推理并与物理世界互动的智能系统。假如将具身智能与机器人结合，则机器人可以实现像人类一样与环境交互、感知、行动。与其他类型的机器人相比，人形机器人更符合人类工程学、更快适应人类的生活及工作环境，而其类似人类的外观可使其在日常生活及工作环境中更容易与人接近。英伟达于 2023 年 10 月推出的用于训练机器人的 AI Agent——Eureka 使用 GPT-4 生成奖励函数，成功教会机器人完成了三十多个复杂任务，其中包括打开抽屉和柜子、抛球和接球，甚至是快速转笔这样难度较高的动作。Eureka 在超过 80%的任务中超越人类专家，并可以让机器人平均处理任务效率提升 50%以上。

1.2、人形机器人：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%。

作为人形机器人行业的先行者，Tesla 创始人兼首席执行官马斯克对该行业的成长性以及市场空间很有信心，早在 2022 年，他便表示 Tesla 的 Optimus 人形机器人将以较低的成本实现量产，最终产量将达到数百万台，计划以“可能不到 2 万美元”的价格出售这款机器人；而 2024 年年初，Midjourney 研究实验室的创始人大卫·霍尔茨预测：“我们有理由期待，在 21 世纪 40 年代，地球上将有 10 亿个人形机器人。而到了 21 世纪 60 年代，整个太阳系将有 1000 亿个机器人（主要是外星机器人）。”马斯克对此言论表示赞同。根据格物致胜在乐观情形下的预测，2029 年全球人形机器人的销量将达到 90 万台，到 2030 年这一数字则会突破 100 万台，达到 150 万台的水平，而到了 2035 年随着人形机器人产业化的逐渐成熟，全球人形机器人销量将会进一步放量达到 800 万台的水平。

1.3、人形机器人上游零部件及原材料梳理

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。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。

我们进一步对其核心零部件进行拆解与分析。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。

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。当波发生器进入柔轮内圆时，迫使柔轮产生弹性变形而呈椭圆状，使其长轴处柔轮齿轮插入刚轮的轮齿槽内，成为完全啮合状态；而其短轴处两轮轮齿完全不接触，处于脱开状态。由啮合到脱开的过程之间则处于啮出或啮入状态。当波发生器连续转动时，迫使柔轮不断产生变形，使两轮轮齿在进行啮入、啮合、啮出、脱开的过程中不断改变各自的工作状态，产生了所谓的错齿运动，从而实现了主动波发生器与柔轮的运动传递。

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。

工装刀具的使用与制作谐波减速器主要刚柔轮的制造工艺有关，目前国内的主流工艺路线为慢走丝工艺（利用连续移动的细金属丝作电极，对工件进行脉冲火花放电，产生 6000 度以上高温，蚀除金属、切割成工件）或滚齿、插齿工艺（滚齿运用展成法原理，使用滚刀来加工齿轮，相当于一对交错螺旋轮啮合；插齿则是用插齿刀按展成法或成形法加工内、外齿轮或齿条等的齿面）。从谐波减速器加工工艺的实际效果来看，慢走丝加工精度较高，为目前国内谐波减速器的主要加工工艺，但其多次切割技术的特点，导致生产效率低。此外，慢走丝工艺由于其工作原理只能切割钢材，针对导电性能差的球墨铸铁则无法使用慢走丝加工。而刚轮的插齿工艺可以应对任何材料，包括钢材和球墨铸铁。滚齿与插齿相较于慢走丝，在效率上提高了近 10 倍，但插齿与滚齿工艺的精度逊色于慢走丝加工工艺，因此，人们希望在插齿工艺上添加相应的附加装置，以此达到与慢走丝工艺一样的精度。综合来看，谐波减速器的柔轮滚齿、刚轮插齿工艺或许在未来会成为更好的加工工艺。慢走丝所使用的原材料以铜锌合金为主，最早的慢走丝可以追溯到 20 世纪 60 年代的紫铜电极丝。

目前运用的慢走丝工艺中，紫铜电极丝已经基本被淘汰；黄铜电极丝是通用化的一种电极丝，适用于一般工况条件下的普通加工；镀锌电极丝是切割精度和表面光洁镀最优的一款电极丝；复合相型电极丝是速度最快的一种电极丝，适合于超高速的加工，如最近几年在市面上出现的一种国产 F 型电极丝，在慢走丝切割领域已经积累了良好的口碑；其它类型的电极丝如伽马型、扩散退火型等类型的电极丝，要根据实际的工况条件和需要来进行选择。

滚齿和插齿工艺所使用的刀具原材料以高速钢为主，而目前硬质合金在滚刀与插齿刀上的使用越来越广泛。硬质合金是一种粉末冶金合成物，包含了一种或一种以上的硬质材料（如碳化钨）以及粘结材料（如钴）。这是一种硬度非常高的材料，其特性通常体现在很高的耐磨耗性以及热稳定性上面。硬质合金滚刀材料成本较高，且要完全发挥合金滚刀的性能，需要配备性能足够的滚齿机，所以很长一段时间，硬质合金滚刀只在微小模数齿轮领域、汽车转向器小齿轮领域应用。随着国内大部分变速器齿轮加工厂设备的更新，高速滚齿机越来越普及，干切技术得到大批量应用，粉末冶金材料滚刀制约了大批设备的性能，硬质合金滚刀得到了用武之地。且部分刀厂已经克服合金滚刀的制造瓶颈，能在保证交期的情况下批量供应高精度大外径滚刀。

现在的齿轮加工机床条件可以使切削速度再提升 30%~100%或更高，传统的粉末冶金高速钢不能满足要求。基于硬质合金材料加工的滚刀，能做到更少的加工时间、更高的加工效率，机床的潜能将能得到充分发挥，且硬质合金可以在不增加投入的情况下提高效率、降低刀具成本。插齿刀方面，硬质合金插齿刀在高速、高刚性、智能型的数控插齿机上高速插销齿轮，大大提高了齿轮的加工精度、表面质量和生产效率。合适的涂层提高刀具的耐用度，延长了插齿时间，减少了换刀次数，降低了齿轮加工成本。

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，合金结构钢 42CrMo 强度和淬透性比 35CrMo 有所增高，调质后有较高的疲劳极限和抗多次冲击能力，低温冲击韧性良好，且对合金结构钢 42CrMo 需做预处理，表淬硬度不低于 54---60HRC。螺母和滚柱选用的材料为高碳铬轴承钢 GCrl5，高碳铬轴承钢 GCrl5 综合性能良好，淬火和回火后具有高而均匀的硬度，良好的耐磨性和高的接触疲劳寿命，热加工变形性能和切削加工性能均好。对高碳铬轴承钢 GCrl5 需进行淬火处理，其表面接触硬度为 56-60HRC。 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。由于磨粒的硬度很高，磨具具有自锐性，磨削可以用于加工各种材料，包括淬硬钢、高强度合金钢、硬质合金、玻璃、陶瓷和大理石等高硬度金属和非金属材料。

磨削的工艺速度很高，每秒可达 30m～50m；磨削的工况温度较高，可达 1000℃～1500℃；磨削过程历时很短，只有万分之一秒左右；通过磨削加工可以获得较高的加工精度和很小的表面粗糙度值；另外，磨削不但可以加工软材料，如未淬火钢、铸铁等，而且还可以加工淬火钢及其他刀具不能加工的硬质材料，如陶瓷和硬质合金等。

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。硬态车削指使用超硬刀具对硬度高于 50HRC 的材料进行精密切削，从而回避或减少使用磨削加工技术。车削的金属去除率是磨削的 3-4 倍，而且节省了砂轮修正时间，效率是磨削加工的 3 倍。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。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，Tesla Optimus 人形机器人的灵巧手可以使用工具，并最多可以承载 20 磅的重量，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。除了旋转执行器、线性执行器及灵巧手三个核心零部件之外，Optimus 还包含了控制芯片、摄像头、电池包（以 4680 电池为核心）、整体人形骨骼（以轻量化材料为核心）等其他部件，并最终组装成人形机器人产品。

2、人形机器人质量拆分及重要原材料分析

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%）。

2.1、 Optimus Gen2 质量拆分

根据 Tesla AI Day 2021 披露的信息，当时该 Tesla Bot 为 Tesla 人形机器人的概念机，其身高约为 5 尺 8 寸（折合约 1.72 米），重量约为 125 磅（折合约 56.70kg），其中手臂搭载 12 个、腿部 12 个、手腕 12 个、躯干 2 个、脖子 2 个，总计 40 个电机驱动。而到了 Tesla AI Day 2022，Tesla 正式推出了其人形机器人产品，命名为 Optimus，其整体重量为 73kg，并公布了更加具体的电机执行器设计方案，包含肩部 6 个、手腕 6 个、髋部 6 个、膝盖 2 个、肘部 2 个、脚踝 4 个、躯干 2 个，共计 28 个无框力矩电机驱动，再叠加灵巧手部位一只 6 个，共 12 个空心杯电机，电机数量仍然保持 40 个不变。同时，Tesla 也公布了其具体的电机执行器的重量参数以及负重参数：小型旋转执行器力矩为 20Nm，质量为 0.55kg；中型旋转执行器力矩为 110Nm，质量为 1.62kg；大型旋转执行器力矩为 180Nm，质量为 2.26kg。小型线性执行器最大受力为 500N，质量为 0.36kg；中型线性执行器最大受力为 3900N，质量为 0.93kg；大型线性执行器最大受力为 8000N，质量为 2.20kg。

2023 年 12 月，Tesla 进一步公布其最新人形机器人 Optimus Gen2 及相应的一些性能参数变化。Optimus Gen2 采用了 Tesla 设计的执行器和传感器、执行器集成电子元件和线束，并包含 2 个自由度驱动的全新颈部和 11 个自由度驱动的全新手部。同时步行速度提高 30%，平衡性能更好，重量减轻 10kg。

灵巧手方面，Tesla 官方并未公布其灵巧手的相关质量参数，仅表示其单个灵巧手由 6 个驱动器驱动，并具备 11 个自由度，最高可以提起 20 磅（9.1kg）的物体。我们选择了具有详细产品参数，且与 Tesla 灵巧手具有一定相似度的因时机器人所生产的 RH56DFX 系列灵巧手作为比较对象。在此，我们假设 Optimus Gen2 所用灵巧手重量与 RH56DFX 系列灵巧手重量相近，即单只灵巧手质量为 540g，左右两只灵巧手总质量为 1.08kg。

在电池包方面，Optimus Gen2 并未进行进一步的更新，在此我们假设 Optimus Gen2 所使用的电池包与 Optimus 中披露的电池方案保持一致，即在躯干处搭载高度集成的 2.3kwh 52v 电池包，我们进一步假设 Optimus Gen2 所使用的电池包为 4680 圆柱电池。而 TroyTeslike（特斯拉生产与销售数据追踪服务商）根据 EPA 发布的关于 Tesla Model Y 续航测试结果进行了计算，发现当前美国小部分标准续航 Model Y 车型中使用的 4680 电池的能量密度为 229Wh/kg，据此我们可以计算出 Optimus Gen2 所需电池包的电芯重量至少为 10.04kg，考虑到电池包对应的包裹材料及其他材料，我们假设其电池包整体重量大约为 11kg。

在 Optimus Gen2 所使用的摄像头与芯片方面，其采用了纯视觉方案，使用了 3 个不同种类的 2D 摄像头，包括 2 个高清 2D 摄像机和一个广角鱼眼摄像机，以及 FSD 芯片，这些整体的重量不会太大。奥比中光是行业领先的机器人视觉及 AI 视觉科技公司，致力于构建机器人与 AI 视觉产业中台、打造机器人的“眼睛”，且优必选人形机器人 Walker S 的上游供应链中包含奥比中光，我们假设 TeslaOptimus Gen2 所用摄像头与奥比中光所供应摄像头类似。根据奥比中光官网所披露其 Astra 系列摄像头的重量数据，平均重量约为 218g，我们假设 Optimus Gen2 摄像头与芯片合计质量约为 0.7kg。

根据我们的测算，质量占比最大的部分为旋转执行器（28.22%），其由 16 个无框力矩电机、16 个谐波减速器及其他配套零部件组成；第二大部分为整体外骨骼（26.38%），其以轻量化材料为核心；第三大部分为线性执行器（25.11%），其由 14 个无框力矩电机、14 个行星滚柱丝杠及其他配套零部件组成；第四大部分为电池包，质量占比为 17.46%。

2.2、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。根据我们的测算，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。

展望未来，我们认为钕铁硼磁材的重要上游氧化镨钕的供应相对有限，国内矿山的供应量主要受开采指标控制，未来仍将有序释放。国外矿山进口量主要来自于三处：缅甸矿、澳大利亚莱纳斯公司和美国 Mountain Pass 矿山。根据我国 2024 年第一批稀土开采、冶炼分离总量控制指标，矿产品生产总量为 135,000 吨，相较 2023 年第一批指标同比增加 12.5%，增速同比下降 6.5pcts；冶炼分离指标为 12.7 万吨，同比增长 10.4%，增速同比下降 7.9pcts，指标增速呈现放缓趋势。

纵观近年来我国稀土开采指标的变化情况与钕铁硼磁材的产量情况，整体表现出较强的正相关性；观察两者的增速情况，则能发现 2 个特点：1）钕铁硼的产量增速不会超过稀土氧化物开采指标的增速；2）近年来钕铁硼产量增速与稀土氧化物开采指标增速出现分化：2022 年我国稀土氧化物开采指标增长达 25%，较 2021 年上升 5 个 pcts，而 2022 年我国钕铁硼产量增速仅为 11.32%，较 2021年下滑 5.12 个 pcts，这可能是由于磁材厂对稀土价格的波动避险、维持企业安全生产而累积一定量的稀土库存所导致。

具体看，据中国稀土行业协会数据，2022 年上半年全国烧结钕铁硼毛坯产量为 11.6 万吨，同比增长 15%；粘结钕铁硼产量 4490 吨，同比增长 2%。假设 2022 年下半年钕铁硼产量与上半年一致，则 2022 年全国钕铁硼的整体产量为 24.10 万吨，结合前文我们对于主要钕铁硼生产企业的产能梳理，则可以计算出 2022 年全国其他小型磁材企业的钕铁硼整体产能约为 10.78 万吨，我们进一步假设 2023~2025 年全国其他小型磁材企业的钕铁硼产量增速为 2018~2022 年全国钕铁硼产量增速的平均值，那么 2023~2025 年全国其他小型磁材企业的钕铁硼产量分别为 11.79/12.90/14.12 万吨。国外钕铁硼厂商主要包括日本日立金属、信越化学、TDK 以及德国 VAC 等。目前全球钕铁硼的产能主要集中于国内，国外产能我们参考弗若斯特沙利文的预测数据，即 2022/2023/2024/2025 年海外企业钕铁硼的产量分别为 2.2/2.3/2.4/2.6 万吨。结合上述国内企业与海外企业的总产量，我们测算 2022/2023/2024/2025 年全球钕铁硼总供给分别为 26.30/29.86/35.57/40.19 万吨。

需求端，机器人成为稀土磁材增长新引擎。2023 年 6 月 28 日，北京市人民政府办公厅印发《北京市机器人产业创新发展行动方案（2023-2025 年）》，明确到 2025 年，北京市机器人核心产业收入达到 300 亿元以上，打造国内领先、国际先进的机器人产业集群。2023 年 1 月 19 日，工业和信息化部等十七部门联合发布《关于印发“机器人+”应用行动实施方案的通知》，目标到 2025 年，制造业机器人密度较 2020 年实现翻番。

根据我们于 2022 年 2 月 7 日发布的《低成本高弹性的全球稀土龙头——北方稀土（600111.SH）投资价值分析报告》中的测算，全球工业机器人产量将从 2020 年的 49 万台上升至 2025 年的 113 万台，按照每台消耗 25kg 的钕铁硼计算，我们预计 2025 年全球工业机器人消耗的钕铁硼可达到 2.84 万吨，2020 年 -2025 年 CAGR 为 18.1%。除了工业机器人以外，人形机器人对钕铁硼的需求更具想象空间。我们在此前的叙述中已经简单介绍了钕铁硼在人形机器人中的使用环节，即 30 个（28+2）个无框力矩电机以及 12 个空心杯电机。根据文硕咨询所披露的数据，单个 Optimus Gen2 人形机器人所需的高性能钕铁硼将达到 3.5kg/台（仅为估计数据，实际设计中不同厂家的设计方案对钕铁硼的需求量也不同）。根据张英建等人发表的《中国钕铁硼市场发展现状及未来发展趋势分析》一文，电动汽车单电机钕铁硼用量仅为 2kg，人形机器人钕铁硼单机用量已超过电动汽车单机用量。马斯克表示，未来该机器人产量应该可以达到数百万台，3 至 5 年间即可量产上市。假设按照 Tesla 上市 100 万台人形机器人测算，对应钕铁硼将新增需求量 0.35 万吨，以 2025 年全球钕铁硼需求量作为基数测算，工业机器人+Tesla 人形机器人钕铁硼需求量占总需求比例为 7.7%。

综上，我们对 2022~2025 年全球钕铁硼的供需缺口做进一步测算。从测算结果看，2022~2025 年全球钕铁硼供需紧平衡的格局将持续，其中 2024 年是各磁材厂扩产计划的预期投产时间，因此或将出现小幅过剩。我们预计 2022/2023/2024/2025 年的全球钕铁硼供需缺口（供给-需求）将分别为 -1.55/-1.30/0.68/-1.24 万吨。

磁组件或将为磁材公司打开全新增长空间。磁组件是磁性材料（钕铁硼、钐钴等）与金属、非金属等材料通过粘接、注塑等工艺装配而成的组合件，如 EPS 上转子、风电磁极、电机定转子、直线电机组件、传感器等。磁组件产品是磁材公司向磁材下游产业链的延伸，可以为客户减少装配时间和制造成本。考虑到人形机器人用磁材具备扭矩大（增加承重）、磁偏角小（减少动作误差）、电机体积小，单位磁性能要求高等特点，人形机器人企业可能会与磁材公司合作研发设计所需要的电机组件，考虑到目前数家上市磁材公司已经开始布局稀土永磁材料的磁组件产品，人形机器人企业对磁材企业的需求可能也将从简单的磁性材料升级至磁组件产品。

磁组件的价值量相比于单纯的磁性材料往往会有较大的提升。由于目前 Optimus Gen2 的具体设计方案未知，我们参考现有汽车的永磁同步电机中磁组件与磁性材料的价值量对比情况来假设人形机器人中磁组件价值量相对于磁性材料价值量的增长幅度。近年，包括 Tesla Model 3 在内，几乎所有 EV 和 HEV 都装有内置式永磁体同步磁阻电机（IPMSynRM）。这类电机的转子总成主要由转子轴、转子铁芯、永磁体（又称磁钢）及其前后挡板等部件构成。

永磁同步电机的制造原材料主要有钕铁硼、硅钢片、铜和铝等，其中永磁材料钕铁硼主要用于制造转子永磁体，硅钢片主要用于制作定转子铁芯。定子与转子的质量与性能直接决定了驱动电机的能效及稳定性等关键指标，价值量在整个驱动电机中分别占比 19%、11%。

从汽车用驱动电机价值量拆分看，转子占比大约为 11%。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，Optimus 单机无框力矩电机与空心杯电机的价值量总和大约为 44800 元。转子永磁体（磁组件）占电机价值量占比大约为 11%，那么 Optimus 单机磁组件价值量约为 4928 元。 2024 年年初，中国国内钕铁硼（38EH）市场均价约为 400 元/kg，结合前文所述 Optimus 单机钕铁硼消耗量约为 3.5kg，则 Optimus 单机钕铁硼价值量约为 1400 元，据此测算，磁组件价值量为钕铁硼价值量的 3.52 倍。

2.3、工装刀具：铜镀层丝与硬质合金刀具

在前文中我们已经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。慢走丝（铜镀层丝）单耗方面，可以结合镀层丝的单卷质量、单个谐波减速器的加工时间等数据计算得到。根据微信公众号《博德高科》相关的披露数据，单卷镀层丝的质量为 5kg，可用于慢走丝加工 20 小时。

根据绿的谐波招股说明书，2017 年下半年至 2018 年上半年，绿的谐波的每个生产班次约能生产 1.25 万件次，按照两班倒，每年 300 个工作日计算，公司机加工总产能为 750 万件次/年。按照绿的谐波的产能规划，其中 360 万件次产能用于生产谐波减速器相关零部件，而生产 1 台谐波减速器平均需要机加工 40 件次，据此计算该公司谐波减速器产能为 90,000 台/年。此外，绿的谐波招股说明书中还披露了其 2020 年拥有设备数量，其中数控专用机床（慢走丝工艺用设备）数量为 51 台。我们再假设每个班次工作时间为 8 个小时，我们可以计算得到单个谐波减速器需要加工时间： 300*2*8/(90000/51)=2.72 小时。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）。硬质合金的刀具耐用度制约切削速度，引起换刀及磨刀次数的变化，从而影响生产率和成本。若耐用度定得过高，虽然可以减少换刀及磨刀次数，但必定会降低切削速度，影响生产率的提高；如果耐用度选得过低，虽然可以提高切削速度，但必然增加换刀和磨刀的次数，增加成本。因此提高生产率和降低成本有时往往是矛盾的。使用中只有从具体生产条件出发，选择合适的耐用度，才能使最高生产率和最低成本达到统一。

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）。硬质合金刀具的单位质量方面，由于现有的机械加工刀具一般遵循“好钢用在刀刃上”的道理，仅在刀片端使用昂贵的硬质合金原材料。根据微信公众号《金属加工》所披露的数据，硬质合金切削环重量为 275g。我们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。

2.4、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。

镁合金同样具有较多优点：其密度仅为 1.8g/cm3，在所有结构用合金中最轻；比强度、比刚度高：镁合金的比强度明显高于铝合金和钢，比刚度与铝合金和钢相当，而远远高于工程塑料，为一般塑料的 10 倍；耐振动性好：在相同载荷下，减振性是铝的 100 倍、钛合金的 300～500 倍；电磁屏蔽性佳：3Ｃ产品的外壳（手机及电脑）要能够提供优越的抗电磁保护作用，而镁合金外壳能够完全吸收频率超过 100db 的电磁干扰；散热性好：一般金属的热传导性是塑料的数百倍，镁合金的热传导性略低于铝合金及铜合金，远高于钛合金，比热则与水接近，是常用合金中最高者。镁合金同时也有两个不可忽视的缺点：镁合金易燃烧，其化学性能很强，在空气中易氧化、易燃烧；另外，镁合金耐腐蚀性差：各种类型气体均会对镁产生程度不同的腐蚀，因此，工业生产中镁锭必须镀膜钝化，涂油及以蜡纸包覆。从 2018 年至今（截至 2024 年 3 月 12 日）的镁铝价格比的历史走势来看，镁铝价格比基本落在 1-1.5 区间范围内，历史平均镁铝比为 1.28（2021 年下半年能耗双控使镁供给端受限，后续 12 月份环保督察进一步加剧镁在供给端的压力，镁铝比大幅上涨）。根据镁铝的密度关系，镁的密度比铝小 1/3，因此按照重量计价时，镁价理论上可以是铝价的 1.5 倍，实际生产过程中，由于镁相对容易出现表面腐蚀的情况，部分镁产品需要进行表面处理，产生额外的成本，因而镁铝比可能低于 1.5。截至 2024 年 3 月 13 日，镁铝比为 1.01，当前的镁铝比较低，有利于镁下游领域的广泛使用。

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。

由于 Optimus Gen2 展现出了与人类高度相似的制造与结构，我们选择人类作为其使用轻量化材料的体积的参照物，考虑到若直接使用人体体积作为人形机器人体积，会多纳入诸如脏器（电池包）、骨骼（执行器）等不应计入人形机器人轻量化材料体积的其他部分，我们选择以人体肌肉体积作为人形机器人整体体积的参照。根据 Menno Henselmans 所披露数据，人体肌肉的平均体积为 6013cm3，我们计算 16.62g*1000/6013 cm3≈2.76g/cm3，即 Optimus Gen2 所使用轻量化材料的平均密度大约为 2.76g/cm3，与铝合金密度相当。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，我们认为镁合金同样有可能成为关键核心轻量化材料。

2.5、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。在前文的测算中，我们计算出旋转执行器（无框力矩电机+谐波减速器）的总质量为 17.78kg，其中钕铁硼用量约为 1.75kg（总用量 3.5kg，其中旋转执行器使用量占 50%），那么剩余 16.03kg 为电工钢+合金钢+球墨铸铁使用量；线性执行器（无框力矩电机+行星滚柱丝杠）的总质量为 15.82kg，其中钕铁硼用量约为 1.75kg（总用量 3.5kg，其中线性执行器使用量占 50%），那么剩余 14.07kg 为合金钢使用量；灵巧手总质量为 1.08kg，我们假设其质量全部由不锈钢钢材贡献。那么人形机器人钢材方面的使用量约为 16.03+14.07+1.08=31.18kg。

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）