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(biāo)是幫助人們處理瑣碎的工作，完成人類不愿做的無聊、重復(fù)或危險的任務(wù)，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(jīng)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(lǐng)域較為活躍的中外廠商及其代表產(chǎn)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(fù)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(xiàn)實是，現(xiàn)階段，通用人形機器人的量產(chǎn)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(shè)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(jié)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(zhuǎn)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(shù)、產(chǎn)品與應(yīng)用缺一不可。在技術(shù)層面，人形機器人的核心技術(shù)在于人機交互、環(huán)境感知、運動控制，很多領(lǐng)域仍有待攻關(guān)和突破。以特斯拉機器人機械團隊自主設(shè)計的執(zhí)行器為例，針對電磁、齒輪組選擇和參數(shù)化、定制電機設(shè)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(xué)參數(shù)，并不斷優(yōu)化執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)和封裝，在機器人系統(tǒng)的集成工作量呈指數(shù)型增長的趨勢下，完成簡潔、緊湊的封裝設(shè)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(yīng)用是至關(guān)重要的。
在產(chǎn)品層面，應(yīng)用成本是一個關(guān)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(chǎn)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(xiàn)商業(yè)化落地的廠商。在應(yīng)用場景方面，工廠生產(chǎn)、生活服務(wù)、勘探、救援及科研是目前這類廠商重點開拓的目標(biāo)市場，而從應(yīng)用規(guī)模來看，工廠生產(chǎn)和生活服務(wù)是最有可能引發(fā)人形機器人大批量應(yīng)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(guān)系，進行下一代機器人模型“GHOST”的大規(guī)模生產(chǎn)，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(wǎng)絡(luò)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(shù)還處于商業(yè)化的初級階段，特斯拉等一批廠商是這一領(lǐng)域的風(fēng)向標(biāo)。但著眼于未來，僅僅滿足“替代重復(fù)性勞動”的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，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(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈，也是中國制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的一個重要方向。
2、電驅(qū)動力系統(tǒng)助力商業(yè)化
從整個人形機器人的構(gòu)造來看，肩、手、腿三個部位的動力系統(tǒng)最為關(guān)鍵，它們所牽引的關(guān)節(jié)活動能力直接影響到機器人全身的靈敏度。在技術(shù)開發(fā)上，這些動力系統(tǒng)大致又分為液驅(qū)和電驅(qū)兩種方式。
特斯拉等廠商采用的電驅(qū)方式中，肩部一般采用的是旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器、腿部用的是線性執(zhí)行器、手部則強調(diào)靈巧手設(shè)計(圖2)。具體來看內(nèi)部的零部件，在肩部關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)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(wǎng)絡(luò)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(qū)動方式，Atlas機器人包含28個液壓驅(qū)動器來提供動力，驅(qū)動器為充滿加壓流體的氣缸，以很大的力驅(qū)動活塞;定制化伺服閥優(yōu)化設(shè)計演變得更小、更輕，Atlas內(nèi)部由流體管線連接液壓驅(qū)動器。
兩者比較而言，電驅(qū)方式對比液驅(qū)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(zhì)的運動性能)，并且液驅(qū)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(qū)目前在人形機器人領(lǐng)域仍無法完全取代液驅(qū)方式;但就產(chǎn)業(yè)化發(fā)展而言，電驅(qū)有望替代液驅(qū)實現(xiàn)高運控性能，以低成本優(yōu)勢打開消費市場。電液驅(qū)動在慣量比、響應(yīng)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(nèi)有望在各項指標(biāo)上實現(xiàn)突破，且目前國內(nèi)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(qū)在成本、維護、體積重量等方面均優(yōu)于液驅(qū)，因此這一技術(shù)路線將會是商用人形機器人的不二選擇。
在電驅(qū)方案中，以特斯拉人形機器人的BOM表為例，據(jù)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(guān)節(jié)的使用上，無框力矩電機產(chǎn)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(xiàn)的產(chǎn)品形態(tài)，可能會在尺寸和功率段內(nèi)有一些差別和調(diào)整，但是從無框力矩電機的基礎(chǔ)設(shè)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(wǎng))
空心杯電機主要應(yīng)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(chǔ)上，新的產(chǎn)品形態(tài)也在出現(xiàn)，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(nèi)部集成了高精密減速器、高性能空心杯電機、絲桿機構(gòu)、傳感器以及伺服控制系統(tǒng)，在保證更小體積的基礎(chǔ)上實現(xiàn)驅(qū)控一體化，具有體積小、精度高、負載大等技術(shù)特點。基于這一技術(shù)開發(fā)的仿人五指靈巧手依靠的是內(nèi)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(xiàn)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(zhì)的物體具有更好的適應(yīng)性和交互安全性。
步進電機則是一種可以控制旋轉(zhuǎn)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(qū)動來控制步進角度，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、承載力強等特點，多被應(yīng)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(gòu)，它將傳動設(shè)備在高速運轉(zhuǎn)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(shù)量差異產(chǎn)生減速)，達到降低轉(zhuǎn)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(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)等大關(guān)節(jié)處，RV減速器具備良好的應(yīng)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(chǎn)品，RV減速器的傳動比較大;而在小關(guān)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(shù)角度出發(fā)，兩者都可以實現(xiàn)在人形機器人上的應(yīng)用，但都會做出特殊的設(shè)計調(diào)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(guān)注的還有人形機器人產(chǎn)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(yù)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(jù)專業(yè)機構(gòu)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(chǎn)業(yè)化，預(yù)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(fù)合增速為6.1%。
4、主要核心零部件廠商動態(tài)
從目前國內(nèi)產(chǎn)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(yīng)鏈，還處在技術(shù)跟蹤、密切關(guān)注的狀態(tài)。在公開信息中，只有鳴志電器等少數(shù)幾家企業(yè)透露有獲得該領(lǐng)域頭部企業(yè)的關(guān)注以及合作意向，全套技術(shù)方案及樣機正在做可靠性及實際應(yīng)用的測試驗證。
昊志機電目前應(yīng)用于機器人領(lǐng)域的產(chǎn)品包括數(shù)控系統(tǒng)、諧波減速器、DD電機、驅(qū)動器、編碼器、六維力矩傳感器、剎車機構(gòu)、機器人關(guān)節(jié)模組、低壓驅(qū)動、末端執(zhí)行等，但公司生產(chǎn)的諧波減速器等產(chǎn)品目前尚未應(yīng)用于人型機器人領(lǐng)域。公司憑借在機器人領(lǐng)域深厚的技術(shù)積累，以及通過與瑞士Infranor集團研發(fā)人員的交流、學(xué)習(xí)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(guān)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(shù)。未來，公司在機器人領(lǐng)域產(chǎn)品方面將繼續(xù)深化減速器等產(chǎn)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(chǎn)品的下游應(yīng)用領(lǐng)域，包括工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域以及醫(yī)美業(yè)領(lǐng)域，推進產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。
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(guān)節(jié)上，公司目前正在密切跟蹤特斯拉整體產(chǎn)品的開發(fā)情況，并且也在和一些客戶進行相關(guān)產(chǎn)品的共創(chuàng)工作。在技術(shù)方面，無框力矩電機在磁路和工藝設(shè)計方面都會有一定的技術(shù)要求，隨著公司產(chǎn)品規(guī)模的擴大和工藝的創(chuàng)新，產(chǎn)品會存在一定降本空間，力爭使公司的無框力矩電機產(chǎn)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(chǎn)品，使得產(chǎn)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(jù)介紹，目前公司的第三代無框力矩電機產(chǎn)品可以對標(biāo)國際領(lǐng)先產(chǎn)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(wǎng))
鳴志電器在人形機器人應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ｗ⒂谑终颇＝M及指模所用的控制電機模組的研發(fā)和制造。據(jù)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(shù)，因此獲得了該領(lǐng)域頭部企業(yè)的關(guān)注以及合作意向，公司目前已經(jīng)向該領(lǐng)域頭部客戶提交了全套技術(shù)方案及樣機，供客戶做可靠性及實際應(yīng)用的測試驗證。
中大力德在近期的投資者關(guān)系活動中表示，公司長期深耕于工業(yè)自動化領(lǐng)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(yīng)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(guān)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(shù)含量最高，主要用于重負荷、主關(guān)節(jié)，公司的產(chǎn)品在樣品測試階段已得到客戶認可，目前已經(jīng)完成開發(fā)并在成本上實現(xiàn)突破，量產(chǎn)時點需根據(jù)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(nèi)交付，產(chǎn)量可達到數(shù)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(shù)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(zé)所在。
就像馬斯克的星鏈項目即使一次次的失敗，但大多數(shù)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(shù)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(nèi)的多模態(tài)視覺感知模組在機器人領(lǐng)域滲透率的不斷提升，以及電驅(qū)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(chǎn)業(yè)革新，新的產(chǎn)品形態(tài)、新的產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈，將會以令人稱奇的速度涌現(xiàn)在人們面前。
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