人形机器人产业链专题研究
人形机器人产业链专题研究一、热点：特斯拉吹响人形机器人产业化“冲锋号”1.1热点聚焦：特斯拉高调宣布入局人形机器人2022年6月，马斯克宣布将于9月30日发布特斯拉人形机器人原型机。早在2021年8月19日的“人工智能日”活动中，马斯克就宣布了制造人形机器人的计划。2022年6月，马斯克在社交媒体、公开访谈和演讲中多次透露，特斯拉有望在2022年9月30日公开推出人形机器人 “Optimus（擎天柱）”的原型机，海内外市场为之振奋。基本情况：根据2021年8月“人工智能日”展示的信息，特斯拉人形机器人体型和常人类似，身高5英尺8英寸（约1.73m），重125磅（57kg）。TeslaBot可负重45磅（20kg），硬举重量150磅（68kg），行进速度5英里/小时（约8km/h）。马斯克在一次采访中表示，机器人未来的量产成本有望低于一辆汽车，约25000美元（人民币16-17万元）。1.2技术描述：硬件配置强劲，计算实力出彩交互和运动控制：2021年“人工智能日”展示的PPT介绍了特斯拉机器人的具体技术细节：机器人将采用轻质材料制成，面部为屏幕，用于显示信息；它全身共有40个机电执行器，12个位于手部，使机器人的双手拥有像人一样灵活的运动能力；足部为2轴设计，使用力反馈技术感知地面情况，使其在运动中保持平衡。1.3功能定位：执行工业生产和家庭服务中的各种任务的“智能机器人”2022年即将推出的机器人属于原型机，距离真正商业化落地仍有较大距离。但从已发布的信息来看，马斯克对特斯拉机器人未来的应用场景有非常丰富的构想：它将可以用来“消除危险、重复性和无聊的工作”，执行工业生产和家庭服务中的各种任务，包括组装汽车零部件、采购杂货等，并最终“将体力劳动变成一种选择”。1.4底气何在：技术+工程+市场三重能力保驾护航，特斯拉机器人值得期待特斯拉在电动汽车领域已展现出强劲的技术、工程、市场能力，有望在机器人领域大放异彩。特斯拉已具备感知和决策层的技术积淀，且拥有出色的量产落地能力、打造爆款产品和拉动产业链的强劲市场号召力。虽然制造人形机器人充满挑战，但凭借其技术、工程和市场能力，特斯拉仍有望为机器人产业吹响向未来冲锋的号角，其表现值得期待。二、前沿：人形机器人赛道主要参与者及其技术进展2.1人形机器人：形态像人、替代人工作的机器，目前赛道阶段尚早从定义和使用目的出发，人形机器人是具有与人类似的外观和运动方式的智能机器人。人形机器人（humanoidrobots）又译“仿人机器人”，字面意思是模仿人的形态和行为设计制造的机器人。目前人形机器人并没有普遍定义，但根据专业书籍HumanoidRobots的归纳，人形机器人应当能“在人工作和居住的环境工作，操作为人设计的工具和设备，与人交流”。在此前提下，人形机器人最终应具有与人类似的身体结构，包括头、躯干和四肢，使用双足行走，用多指手执行各种操作，并具有一定程度的认知和决策智能。2.2人形机器人技术难点：高精尖技术的综合，运动控制和人工智能是两大核心运动控制和人工智能是人形机器人技术落地的核心难点。一方面，人形机器人的机械构造、驱动和控制的复杂程度都远高于现有的机器人。要使人形机器人像人一样运动，并按要求执行任务，开发者需要设计合理高效的机械结构（骨骼），根据各部位运动需求构建执行精度高的驱动系统（肌肉），并开发具有高度稳定性和适应性的控制系统（神经系统）； 同时供应链层面的材料、芯片、电池系统、零部件等也需要持续提质和创新。另一方面，要赋予人形机器人以一定的自主性完成任务的能力，即实现一定程度的认知和决策智能，尚需要人工智能软硬件（大脑）的高度发展，道阻且长。三、跬步：人形机器人核心零部件产业链梳理3.1传统机器人核心零部件：伺服系统、减速器、控制器、传感器是核心部件人形机器人赛道相对较早期，我们从已有的工业和服务机器人核心零部件出发，分析梳理人形机器人所需的关键部件。伺服系统、减速器和控制器是工业机器人的三大核心零部件。工业机器人应用于特定生产场景，主要强调动作执行的质量，伺服系统、减速器和控制器是其三大核心零部件，分别占据其成本的20%、30%以上和10%以上。传感器是服务机器人的重要部件。服务机器人应用场景相对非标准化，要求对环境的感知能力，传感器是其重要的部件之一。服务机器人品种繁多，此处以亿嘉和招股说明书披露的2017年材料采购成本为例，其室内和室外机器人采用的传感器（包括红外相机、激光雷达等）和导航相关模块成本占据了原材料采购成本的40%以上，价值量较高。3.2驱动系统：机器人的动力装置，分为电机、液压、气动三种方式驱动系统是用来使机器人发出动作的动力机构。机器人驱动系统可将电能、液压能和气压能转化为机器人的动力，使机器人的关节转动或移动。根据能量转换方式的不同，机器人的驱动方式可分为电机驱动、液压驱动、气动驱动等。电机驱动：使用最普遍、最成熟的驱动方式，利用通电线圈在磁场中受力转动的现象制成，将电能转化为机械能。由于产生的运动为高速旋转运动，通常需要搭配减速器来降低转速、提高转矩。现有的绝大多数人形机器人采用电机驱动。液压驱动：采用液体作为介质，通过液体压力实现驱动的方式。具有小型轻质、响应速度快、传动平稳等优势，但维护难度较大。液驱系统在大型、重载、特种机器人中存在一定的应用。波士顿动力的机器人Atlas采用液压驱动方案。气动驱动：与液驱的结构和原理类似，但将空气作为压力传导介质，各组成元件可参考液驱系统。气动系统较液压更小更轻，但控制精度不高，响应速度不够快。气动人工肌肉是气动驱动的一种典型产品，存在一定应用前景。3.3减速器：精密传动装置，机器人主要使用谐波和RV减速器减速器是机器人使用的精密传动装置。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转矩的作用。精密减速器是具有更高控制精度的减速器，主要应用于机器人、数控机床等高端领域，其种类包括谐波减速器、RV减速器、摆线针轮行星减速器等。机器人使用的减速器主要为谐波减速器与RV减速器。谐波减速器是一种靠波发生器使柔轮产生可控的弹性变形波，通过其与刚轮的相互作用，实现运动和动力传递的传动装置。谐波减速器具有单级传动比大、体积小、质量小、运动精度高等特征。3.4控制系统：机器人的神经系统，人形机器人产业生态尚未成为定型控制系统是机器人的神经系统，用于控制驱动系统完成对应运动。在机器人中，控制系统根据指令及传感信息，向驱动系统发出指令，控制其完成规定的运动。控制系统主要由控制器（硬件）和控制算法（软件）组成。主流的工业机器人厂商通常自行开发控制器。对于工业机器人而言，控制器是其核心的组成部分，因此现有的主流工业机器人厂商会不同程度地自行开发控制系统。控制系统主要参与者包括两类：一类是主流的大型机器人厂商，自主研发控制器和控制算法，包括ABB、KUKA、发那科、国内的埃斯顿等；另一类则是专业的控制系统厂商，单独售卖控制器，提供可扩展和二次开发的硬件和软件平台，包括KEBA、贝加莱、倍福、国内的固高科技、英威腾、雷赛智能等。3.5传感器：机器人传感器包括内部和外部传感器，种类繁多机器人传感器根据检测对象的不同可分为内部传感器和外部传感器。内部传感器和外部传感器共同组成了机器人的感知系统，用于获取机器人内部和外部环境的信息，并把这些信息反馈给控制系统。内部传感器：用来检测机器人本身状态（如手臂间角度）的传感器，为控制系统提供反馈信息。工业机器人常用的内部传感器包括位移传感器、速度/角速度传感器、加速度传感器以及多维力传感器，具体有编码器、陀螺仪等。
