最近一段時間，人形機器人(HumanoidRobot)成為了市場熱點之一。
在7月初的第六屆世界人工智能大會(WAIC2023)上，特斯拉只展出了一個人形機器人模型，特斯拉首席執(zhí)行官馬斯克在視頻發(fā)言中表示，特斯拉人形機器人正在開發(fā)中，其目標是幫助人們處理瑣碎的工作，完成人類不愿做的無聊、重復或危險的任務，因此，它不需要很高的智能水平就可以勝任這些工作。
同時，他還提出了一個有趣的問題：隨著時間推移，機器人與人類的比例會是多少?而他認為，在將來某個時刻，二者的比例可能超過1:1，這意味著機器人將比人類多，甚至是多很多，這一趨勢已經十分明顯。
1、是概念炒作，還是機遇？
從目前的情況來看，在仿生人形機器人開發(fā)領域較為活躍的中外廠商及其代表產品有：特斯拉及其Optimus(擎天柱)、波士頓動力及其Atlas、小米及其CyberOne、優(yōu)必選及其WalkerX、傅利葉及其GR-1等等。人形機器人的市場規(guī)模邏輯在于替代人工，一是人口老齡化下的勞動力短缺;二是特定行業(yè)(尤其是重復性低端行業(yè))的勞動成本降低;三是危險、高精度要求行業(yè)中同等成本下效率和作業(yè)能力的提升。
而另一個現實是，現階段，通用人形機器人的量產難度仍然較大，從特斯拉的視頻介紹中可以看到，即使是執(zhí)行器的設計也是難度和工作量極大的系統(tǒng)工程。而早在2022年3月，在本田汽車公司東京總部，仿人機器人阿西莫(ASIMO)正式宣布退役，結束了長達22年的職業(yè)生涯，本田方面給出的原因除了公司發(fā)展規(guī)劃上的轉變之外，ASIMO的研發(fā)成本也是一個重要的考慮因素。
一個市場要走向成熟，技術、產品與應用缺一不可。在技術層面，人形機器人的核心技術在于人機交互、環(huán)境感知、運動控制，很多領域仍有待攻關和突破。以特斯拉機器人機械團隊自主設計的執(zhí)行器為例，針對電磁、齒輪組選擇和參數化、定制電機設計等主要環(huán)節(jié)，需要持續(xù)進行仿真測試和演練，得出最佳的機器人運動學參數，并不斷優(yōu)化執(zhí)行器的結構和封裝，在機器人系統(tǒng)的集成工作量呈指數型增長的趨勢下，完成簡潔、緊湊的封裝設計，最終促成整體系統(tǒng)交付時間的加快，這對于規(guī)模化應用是至關重要的。
在產品層面，應用成本是一個關鍵點，馬斯克在特斯拉的開放日上提出，特斯拉人形機器人的最終售價將下降到2萬美金以下，與目前產業(yè)鏈的成本來看，還有很大的降本空間，但也是目前最有可能實現商業(yè)化落地的廠商。在應用場景方面，工廠生產、生活服務、勘探、救援及科研是目前這類廠商重點開拓的目標市場，而從應用規(guī)模來看，工廠生產和生活服務是最有可能引發(fā)人形機器人大批量應用的主力市場，特別是前者，因為后者還牽涉到人類情感接受和社會融入等議題。無論是從特斯拉本身的工廠發(fā)展，還是最近日本機器人初創(chuàng)公司Telexistence與富士康建立合作伙伴關系，進行下一代機器人模型“GHOST”的大規(guī)模生產，都反映出全球制造業(yè)對機器人的需求已是迫在眉睫。
圖1全球典型仿生人形機器人一覽(資料來源：網絡公開信息)
綜上所述，可以看出，仿生人形機器人的開發(fā)大多數還處于商業(yè)化的初級階段，特斯拉等一批廠商是這一領域的風向標。但著眼于未來，僅僅滿足“替代重復性勞動”的應用標準，特斯拉一類超級工廠的使用需求并非空中樓閣，人形機器人市場也許并不遙遠，緊跟趨勢，挖掘新的機會和商機，加快布局人形機器人產業(yè)供應鏈，也是中國制造業(yè)高質量發(fā)展的一個重要方向。
2、電驅動力系統(tǒng)助力商業(yè)化
從整個人形機器人的構造來看，肩、手、腿三個部位的動力系統(tǒng)最為關鍵，它們所牽引的關節(jié)活動能力直接影響到機器人全身的靈敏度。在技術開發(fā)上，這些動力系統(tǒng)大致又分為液驅和電驅兩種方式。
特斯拉等廠商采用的電驅方式中，肩部一般采用的是旋轉執(zhí)行器、腿部用的是線性執(zhí)行器、手部則強調靈巧手設計(圖2)。具體來看內部的零部件，在肩部關節(jié)的旋轉執(zhí)行器中，包括諧波減速器、無框力矩電機、力矩傳感器、軸承;在腿部的線性執(zhí)行器中會有無框力矩電機、力矩傳感器、滾珠絲杠、軸承;為了保證人形機器人手部的靈活性，要用到空心杯電機、步進電機、多級行星減速器、滾珠絲杠、觸覺傳感器、力矩傳感器、紅外探測器等等。
圖2特斯拉Optimus人形機器人核心零部件分布示意圖(圖片來源：網絡公開信息）
與其不同的是，波士頓動力在人形機器人的動力系統(tǒng)中采用的則是液壓驅動方式，Atlas機器人包含28個液壓驅動器來提供動力，驅動器為充滿加壓流體的氣缸，以很大的力驅動活塞;定制化伺服閥優(yōu)化設計演變得更小、更輕，Atlas內部由流體管線連接液壓驅動器。
兩者比較而言，電驅方式對比液驅方式主要的劣勢在于力密度(更大的力密度帶來人形機器人更優(yōu)質的運動性能)，并且液驅更大的慣量也可保障人形機器人的運動更加平穩(wěn)，這些使得電驅目前在人形機器人領域仍無法完全取代液驅方式;但就產業(yè)化發(fā)展而言，電驅有望替代液驅實現高運控性能，以低成本優(yōu)勢打開消費市場。電液驅動在慣量比、響應速度、力密度等方面具備顯著優(yōu)勢，而伺服電機系統(tǒng)通過電機性能迭代、精密減速器優(yōu)化等途徑，未來3-5年內有望在各項指標上實現突破，且目前國內外廠商及科研院所在的各環(huán)節(jié)均發(fā)力研發(fā)，考慮到電驅在成本、維護、體積重量等方面均優(yōu)于液驅，因此這一技術路線將會是商用人形機器人的不二選擇。
在電驅方案中，以特斯拉人形機器人的BOM表為例，據統(tǒng)計，各類零部件的價值分布大致上分別為：各種電機占29%，滾珠絲杠占9%，諧波減速器占6%，力矩傳感器占3%，行星減速器占2%。由此可見，步進電機、無框力矩電機和空心杯電機等，以及各種減速器、傳感器等都是仿生人形機器人運動控制的核心部件。
在電機方面，有廠商表示，在人形機器人大關節(jié)的使用上，無框力矩電機產品可以滿足其功能需求，未來需要看不同廠家對人形機器人呈現的產品形態(tài)，可能會在尺寸和功率段內有一些差別和調整，但是從無框力矩電機的基礎設計和工藝來看，可能沒有特別大的差別。
圖3仿人五指靈巧手(圖片來源：因時機器人官網)
空心杯電機主要應用在人形機器人的手部，它是直流永磁同步電機的一種，也是小功率段功率密度較大的一類電機。在此基礎上，新的產品形態(tài)也在出現，以因時機器人推出的微型伺服電缸為例，它是一種小型一體化直線伺服系統(tǒng)，其內部集成了高精密減速器、高性能空心杯電機、絲桿機構、傳感器以及伺服控制系統(tǒng)，在保證更小體積的基礎上實現驅控一體化，具有體積小、精度高、負載大等技術特點。基于這一技術開發(fā)的仿人五指靈巧手依靠的是內置的六個微型伺服電缸，可實時反饋手指的受力情況，以實現對每一個手指抓握力的實時控制，并可對不同軟硬程度、不同形狀、不同尺寸、不同材質的物體具有更好的適應性和交互安全性。
步進電機則是一種可以控制旋轉角度和位置的電機，適用于機器人的定角度運動。它通過脈沖信號驅動來控制步進角度，具有結構簡單、體積小、承載力強等特點，多被應用于人形機器人的定位和步進運動中。
3、機械傳動模組化形態(tài)興起
減速器連接動力源和執(zhí)行機構，它將傳動設備在高速運轉時的動力，通過齒輪比傳動(輸入軸上的小齒輪嚙合輸出軸上的大齒輪)或是差齒傳動(由于輸入端和輸出端齒輪數量差異產生減速)，達到降低轉速和增大扭矩的目的。
人形機器人對減速器的精度、體積重量、減速性能等均提出了很高的要求，要模擬人類的運動模式，就需要具備高精度、高穩(wěn)定性的特點，且減速器必須輕量化，因此在人形機器人的膝關節(jié)、髖關節(jié)等大關節(jié)處，RV減速器具備良好的應用前景，它是傳統(tǒng)擺線針輪和行星齒輪傳動裝置的一種新的混合型產品，RV減速器的傳動比較大;而在小關節(jié)處，諧波減速器是較為理想的解決方案。
也有廠商認為，諧波減速器具有體積小、傳動比大的優(yōu)點，但是在抗沖擊能力方面稍差;行星減速器則具備剛性大、抗沖擊能力強、價格低的優(yōu)勢，但速比大小直接影響到體積大小，所以空間上受限;從技術角度出發(fā)，兩者都可以實現在人形機器人上的應用，但都會做出特殊的設計調整，不是以單個零件的模式，而是以模組化形態(tài)融入，令精度更高、體積更小。
此外，值得關注的還有人形機器人產業(yè)化所帶來的滾珠絲杠的市場需求，在特斯拉目前尚未公布的線性執(zhí)行器具體方案中，人們預測的可能方案有兩種：一種是4個滑動絲桿+8個行星滾柱絲杠;另一種是14個滾珠絲杠。根據專業(yè)機構的統(tǒng)計，2022年全球滾珠絲杠的市場規(guī)模約為20.4億美元，如果不考慮人形機器人產業(yè)化，預計行業(yè)將保持低速穩(wěn)定成長，到2029年，市場規(guī)模有望達到30.9億美元，2023年至2029年的年復合增速為6.1%。
4、主要核心零部件廠商動態(tài)
從目前國內產業(yè)界來看，真實的情況是大部分廠商并沒有真正進入人形機器人市場供應鏈，還處在技術跟蹤、密切關注的狀態(tài)。在公開信息中，只有鳴志電器等少數幾家企業(yè)透露有獲得該領域頭部企業(yè)的關注以及合作意向，全套技術方案及樣機正在做可靠性及實際應用的測試驗證。
昊志機電目前應用于機器人領域的產品包括數控系統(tǒng)、諧波減速器、DD電機、驅動器、編碼器、六維力矩傳感器、剎車機構、機器人關節(jié)模組、低壓驅動、末端執(zhí)行等，但公司生產的諧波減速器等產品目前尚未應用于人型機器人領域。公司憑借在機器人領域深厚的技術積累，以及通過與瑞士Infranor集團研發(fā)人員的交流、學習和合作，先后攻克了智能機器人用“高性能諧波減速器”、“高精度編碼器”、“一體化關節(jié)模組”、“六維力傳感器”、“控制系統(tǒng)”等一系列核心功能部件技術。未來，公司在機器人領域產品方面將繼續(xù)深化減速器等產品研發(fā)，加強協(xié)作機器人市場開拓力度，拓展公司減速器等產品的下游應用領域，包括工業(yè)應用領域以及醫(yī)美業(yè)領域，推進產品的產業(yè)化生產。
步科自動化開發(fā)的無框力矩電機可用在人形機器人的大關節(jié)上，公司目前正在密切跟蹤特斯拉整體產品的開發(fā)情況，并且也在和一些客戶進行相關產品的共創(chuàng)工作。在技術方面，無框力矩電機在磁路和工藝設計方面都會有一定的技術要求，隨著公司產品規(guī)模的擴大和工藝的創(chuàng)新，產品會存在一定降本空間，力爭使公司的無框力矩電機產品的售價更具競爭優(yōu)勢;同時公司還開發(fā)出了多系列的電機產品，使得產品規(guī)格、尺寸、功率等覆蓋面更全，以滿足不同客戶的需求，據介紹，目前公司的第三代無框力矩電機產品可以對標國際領先產品，部分型號已具備一定優(yōu)勢。
圖4小米CyberOne(鐵大)(圖片來源：小米官網)
鳴志電器在人形機器人應用領域專注于手掌模組及指模所用的控制電機模組的研發(fā)和制造。據悉，基于公司已具備了該類控制電機模組的核心研發(fā)與制造技術，因此獲得了該領域頭部企業(yè)的關注以及合作意向，公司目前已經向該領域頭部客戶提交了全套技術方案及樣機，供客戶做可靠性及實際應用的測試驗證。
中大力德在近期的投資者關系活動中表示，公司長期深耕于工業(yè)自動化領域，目前在機器人部分主要圍繞工業(yè)機器人和協(xié)作機器人展開，不斷開發(fā)新的應用場景，并且針對人形機器人這一目前熱點話題，公司也在時刻保持高度關注。
江蘇雷利稱，公司微型行星滾柱絲桿、滑動絲桿可以用于人形機器人，其中滑動絲桿技術含量最高，主要用于重負荷、主關節(jié)，公司的產品在樣品測試階段已得到客戶認可，目前已經完成開發(fā)并在成本上實現突破，量產時點需根據客戶進度確定。
5、機器人新浪潮時代來臨
按照馬斯克的計劃，特斯拉人形機器人有望在3-5年時間內交付，產量可達到數百萬臺，價格可能不到2萬美元，這也許是人形機器人和人類社會最近的一次距離。人形機器人之所以能夠成為今年以來除ChatGPT人工智能新技術之外的又一個熱點，自然有其市場及資本運作的規(guī)律在做支撐，但從實業(yè)角度出發(fā)，看見未來，未雨綢繆，也是每一位企業(yè)家的職責所在。
就像馬斯克的星鏈項目即使一次次的失敗，但大多數人并不會嘲笑視之，而是非常欽佩他的勇氣，他頗具遠見和獨特的商業(yè)模式也獲得了愈來愈多投資者的青睞。人類對未來的探索從未停止，每一次成功的背后都是以千萬次的挫折為代價，人形機器人的開發(fā)也是一樣，它是對人類本身資源缺陷的一次大膽嘗試。
實際上，除了本文重點探討的運動控制技術及核心部件的研發(fā)之外，人們有理由相信，在AI算法的持續(xù)迭代、包含激光雷達在內的多模態(tài)視覺感知模組在機器人領域滲透率的不斷提升，以及電驅系統(tǒng)性能不斷升級的助力之下，人形機器人將在不久的未來真正打開C端消費市場的空間。在這一新的賽道上，工控自動化企業(yè)將迎來又一次的產業(yè)革新，新的產品形態(tài)、新的產業(yè)生態(tài)圈，將會以令人稱奇的速度涌現在人們面前。
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