仿人機(jī)器人行業(yè)深度報告機(jī)器替人不再是想象

仿人機(jī)器人行業(yè)深度報告-機(jī)器替人不再是想象核心觀點：當(dāng)下市場對仿人機(jī)器人的認(rèn)知仍有重大偏差：目前市場簡單復(fù)刻工業(yè)機(jī)器人的硬件構(gòu)成和技術(shù)要求對其供應(yīng)鏈進(jìn)行分析，認(rèn)為仿人機(jī)器人與工業(yè)機(jī)器人在供應(yīng)鏈上相差無幾。我們認(rèn)為，無論是從研發(fā)設(shè)計角度，還是規(guī)模量產(chǎn)角度，仿人機(jī)器人與工業(yè)機(jī)器人差異非常大，在結(jié)構(gòu)設(shè)計、硬件構(gòu)成、控制算法、核心性能要求以及零部件選擇上都有很大的差異。仿人機(jī)器人技術(shù)壁壘極高，非普通機(jī)器人廠家可短期轉(zhuǎn)型。仿人機(jī)器人涉及工程學(xué)和控制科學(xué)，匯集電子、機(jī)械、自動化控制及計算機(jī)等領(lǐng)域的研究成果，并非簡單買來零部件組裝就可實現(xiàn)仿人功能。仿人機(jī)器人核心設(shè)計要求也與普通機(jī)器人不同，哪怕是國際領(lǐng)先的工業(yè)機(jī)器人廠家也很難短期切入。仿人機(jī)器人賦予機(jī)器“生命”，高度滲透各行業(yè)應(yīng)用場景，未來市場空間非常廣闊。海外高校及研究機(jī)構(gòu)從上世紀(jì)70年代開始研發(fā)仿人機(jī)器人，經(jīng)過多年技術(shù)的探索與積累，仿人機(jī)器人可以實現(xiàn)穩(wěn)步行走，上下樓梯，跳躍，快速奔跑等功能，應(yīng)用于野外探查，災(zāi)區(qū)救援，科技展示，人機(jī)相互等場景，未來市場空間非常廣闊。仿人機(jī)器人：多領(lǐng)域研究成果的跨學(xué)科杰作仿人機(jī)器人（HumanoidRobot），又稱擬人機(jī)器人，具有類人的感知、決策、行為和交互能力。其有類人的外形外觀、感覺系統(tǒng)、智能思維方式，控制系統(tǒng)和決策能力，最終表現(xiàn)“行為類人”。仿人機(jī)器人涉及工程學(xué)和控制科學(xué)，匯集電子、機(jī)械、自動化控制及計算機(jī)等領(lǐng)域的研究成果，不是簡單買來零部件組裝就可實現(xiàn)仿人功能。仿人機(jī)器人按照高度進(jìn)行分類，可分為大仿人機(jī)器人、中小仿人機(jī)器人。仿人為核心，賦予機(jī)器人“生命”回顧仿人機(jī)器人發(fā)展歷程，有三個重要標(biāo)志：第一階段：以早稻田大學(xué)仿人機(jī)器人為代表的早期發(fā)展階段；第二階段：以本田仿人機(jī)器人為代表的系統(tǒng)高度集成發(fā)展階段；第三階段：以波士頓動力公司仿人機(jī)器人為代表的的高動態(tài)運動發(fā)展階段。日本率先開啟仿人機(jī)器人的研究，實現(xiàn)雙足行走1971年，日本早稻田大學(xué)的加藤教授推出了基于液壓系統(tǒng)的雙足機(jī)器人WL-3以及WL-5，實現(xiàn)了步長15cm、周期45s的靜態(tài)步行。之后設(shè)計的基于電機(jī)驅(qū)動的WL-9R以及WL-10DR通過踝關(guān)節(jié)力矩控制，實現(xiàn)動態(tài)行走，單步周期縮短到1.3s。2006年，加藤一郎的學(xué)生高西淳夫教授推出仿人機(jī)器人WABIAN-2R（擁有41個自由度的），實現(xiàn)1.8km/h的行走，且能適應(yīng)軟硬不同的地面。HONDA推出的Asimo代表當(dāng)時最先進(jìn)技術(shù)水平1996年日本HONDA公司研制出第一臺仿人機(jī)器人P1，之后推出P2，可在普通路面行走，后續(xù)推出P3。2000年11月12日，發(fā)布最具代表性的基于電機(jī)控制的雙足機(jī)器人Asimo，高120cm，重52kg，步行速度0~1.6km/h。Cassie體現(xiàn)新型驅(qū)動設(shè)計，豐富驅(qū)動技術(shù)路線1997年，密歇根大學(xué)的Grizzle等人研制了欠驅(qū)動雙足機(jī)器人RABBIT，其可實現(xiàn)無腳動態(tài)行走?；赗ABBIT，相機(jī)研發(fā)了MEBAL，MARLO，ATRIAS一系列欠驅(qū)動行走機(jī)器人，實現(xiàn)了三維欠驅(qū)動的行走。2017年發(fā)布機(jī)器人Cassie，售價約7萬美元，其驅(qū)動電機(jī)位置較高，在腿部加入彈簧，實現(xiàn)高效步態(tài)，同時能靜止站在原地。2022年，在Cassie基礎(chǔ)上推出Digit，具有穩(wěn)健的步行和跑步步態(tài)，具備爬樓梯、自主導(dǎo)航的感知能力，可應(yīng)用于搬運包裹。HRP系列機(jī)器人可實現(xiàn)穩(wěn)定行走，并與人合作1998年，日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究院開始主導(dǎo)的HRP系列計劃，該計劃旨在開發(fā)“在人類作業(yè)、生活環(huán)境中的與人協(xié)調(diào)、共存，能夠完成復(fù)雜作業(yè)任務(wù)的仿人機(jī)器人系統(tǒng)”。HRP-2、HRP-3能夠穩(wěn)定行走，完成多種靈巧的運動（如日本舞蹈），與人合作抬物品，跨越障礙物，從地面搬起物體，跌倒時能夠保護(hù)自己并重新站起來等。Atlas使用自主設(shè)計的液壓驅(qū)動系統(tǒng)，運動能力全球第一波士頓動力公司在美國國防部先進(jìn)研究項目局（DefenseAdvancedResearchProjectsAgency,DARPA）的資助下研發(fā)出了液壓驅(qū)動的四足機(jī)器人BigDog第一代樣機(jī)。2009年10月，波士頓動力公司發(fā)布PETMAN，作為美國實驗防護(hù)服裝設(shè)計的軍事設(shè)備，具有強(qiáng)大的自平衡能力和運動性能，可在受到外部環(huán)境干擾下及時調(diào)整步態(tài)，保持平衡。IIT推出WALK-MAN，在歐洲具有影響力IIT推出的WALK-MAN消防機(jī)器人，加入力控形成有力矩控制的手關(guān)節(jié)，但犧牲了機(jī)器人的部分剛性。2008年，IIT制造了開源仿人機(jī)器人iCub，用以研究感知學(xué)習(xí)與人機(jī)交互，具備非常好的人機(jī)交互性。其參照三歲半兒童的體型設(shè)計，身高1米，共有53個自由度，能夠進(jìn)行行走以及單腿平衡。瑞士研究機(jī)構(gòu)運用被動柔性，進(jìn)一步提升跳躍與地形適應(yīng)能力2011年，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院機(jī)器人與智能系統(tǒng)研究所下屬的機(jī)器人系統(tǒng)實驗室，基于SEA關(guān)節(jié)研制了單腿機(jī)器人ScarlETH，運用機(jī)器人的被動柔性，實現(xiàn)了高能效的跳躍與地形適應(yīng)能力?；诖搜兄瞥隽艘豢铍姍C(jī)驅(qū)動的四足機(jī)器人StarlETH以及ANYmal。HUBO獲得DRC比賽第一名，推動亞洲研究發(fā)展韓國先進(jìn)科學(xué)研究院(KAIST)的雙足機(jī)器人HUBO憑借其輪式與足式混合運動方式，獲得2015年的DRC比賽第一名。在RainbowRobotics的幫助下，HUBO2成為了全球第一個商業(yè)化的人形機(jī)器人平臺。它被世界領(lǐng)先的研究機(jī)構(gòu)（麻省理工學(xué)院、谷歌等）購買作為研究平臺。中小型仿人機(jī)器人研發(fā)如火如荼，豐富擴(kuò)大應(yīng)用場景法國的AldebaranRobotics公司推出NAO典型機(jī)器人，銷量達(dá)一萬多臺，公司一直堅持商業(yè)化的路徑，與波士頓動力，Asimo有很大的差異，后來被日本的軟銀收購。后續(xù)推出Pepper，Romeo機(jī)器人。在高度小于50厘米的小型雙足機(jī)器人，韓國Robotis公司的Darwin-OP機(jī)器人比較出名，可穩(wěn)定行走與顏色識別。韓國Hitec公司推出Robonova-1，國內(nèi)樂聚（深圳）機(jī)器人分公司推出”Aleos“機(jī)器人。國內(nèi)已推出多款機(jī)器人，在“仿人”方面取得巨大進(jìn)步2017年北理工研制BHR-6實現(xiàn)國際首創(chuàng)的摔倒保護(hù)、翻滾、行走、奔跑、跳躍等模態(tài)運動及轉(zhuǎn)換功能，摔倒后可重新站立。浙江大學(xué)研制“悟空“，開展以打乒乓球為例的環(huán)境感知與全身協(xié)調(diào)作業(yè)研究，實現(xiàn)仿人機(jī)器人打乒乓球的演示驗證。中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院研制的仿人機(jī)器人已實現(xiàn)行走、作業(yè)等功能，并報名參加2013年DARPA機(jī)器人挑戰(zhàn)賽。液壓/電機(jī)/氣動驅(qū)動代替人的關(guān)節(jié)，硬件技術(shù)設(shè)計有巧思仿生機(jī)構(gòu)設(shè)計：基于人體骨骼建立簡化模型仿人機(jī)器人是一種具有高自由度、強(qiáng)非線性的動力學(xué)系統(tǒng)，通常采用多剛體動力學(xué)系統(tǒng)和仿真數(shù)值計算結(jié)合的方法進(jìn)行動力學(xué)和運動學(xué)分析。在機(jī)器人運動分析中，包含動力學(xué)分析和運動學(xué)分析，其中運動學(xué)分為正運動學(xué)和逆運動學(xué)。關(guān)節(jié)驅(qū)動路線一：液壓驅(qū)動力量大，爆發(fā)力強(qiáng)優(yōu)點：輸出功率大，不需要減速器，力量大，爆發(fā)力強(qiáng)，可承受機(jī)械沖擊和損傷的能力強(qiáng)。缺點：液壓系統(tǒng)易漏油，體積大，噪聲大，功耗高，必須配置液壓源。關(guān)節(jié)驅(qū)動路線二：電機(jī)驅(qū)動最傳統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單應(yīng)用廣優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，位置伺服精確。缺點：力矩伺服差，傳動損耗高，爆發(fā)力不如液壓驅(qū)動。關(guān)節(jié)驅(qū)動路線三：氣動驅(qū)動質(zhì)量輕，價格低，但控制精度不高優(yōu)點：氣動人工肌肉質(zhì)量輕、價格低、易維護(hù)，與汽缸相比，具有較大的功率體積比和功率質(zhì)量比。缺點：控制精度不高。工作效率較低，工作速度穩(wěn)定性差。平衡控制直接影響行走性能，通常公司自主研發(fā)核心控制算法機(jī)器人狀態(tài)估計的核心問題包含：傳感器的選擇與布置，傳感器數(shù)據(jù)的標(biāo)定，機(jī)器人本體的建模，多傳感器數(shù)據(jù)融合。控制器的設(shè)計選擇中，通常根據(jù)自身狀態(tài)與機(jī)器人模型，進(jìn)行控制策略的選擇，再執(zhí)行控制指令?？刂破鞯脑O(shè)計是機(jī)器人設(shè)計中最核心的部分。仿人機(jī)器人電池？能量優(yōu)先兼顧功率的頂級需求動力電池最新進(jìn)展：CTP3.0“麒麟電池”呼之欲出根據(jù)寧德時代官網(wǎng)，采用CTP3.0技術(shù)的“麒麟電池”可實現(xiàn)255Wh/kg（三元）或160Wh/kg（鐵鋰）的質(zhì)量能量密度、72%的體積利用率、4C快充、5分鐘熱啟動及安全無熱擴(kuò)散的多項性能指標(biāo)。展望未來：仿人機(jī)器人電池材料需求方向是什么可以看出，仿人機(jī)器人對放電倍率、循環(huán)壽命要求不高，但對質(zhì)量、體積能量密度要求高，且對快充能力有潛在要求。所以，具備高能量密度，最好兼顧快充能力的電池及電池材料是仿人機(jī)器人電池的需求方向。隸屬層狀氧化物正極的高鎳/中鎳高電壓三元正極是當(dāng)前的優(yōu)選，未來富鋰錳基正極可能也會占據(jù)一席之地。環(huán)境適應(yīng)能力與行為決策能力強(qiáng)，有別于工業(yè)機(jī)器人追求高精度仿人機(jī)器人關(guān)節(jié)/電機(jī)數(shù)量遠(yuǎn)高于工業(yè)機(jī)器人，價值量更可期在仿人機(jī)器人的硬件結(jié)構(gòu)上，關(guān)節(jié)是其非常核心的部件。人體的下肢決定行走、跑步等運動性能，主要包括三大關(guān)節(jié)髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)。仿人機(jī)器人的關(guān)節(jié)自由度不可能完全像人，需要分析提煉下肢全方位行走時不可或缺的自由度，通過關(guān)節(jié)的設(shè)計來實現(xiàn)。機(jī)器人整體的自由度/關(guān)節(jié)數(shù)量通常為20-50個，甚至更高，設(shè)計和控制難度更高，電機(jī)、減速器價值量更可期。仿人機(jī)器人視覺系統(tǒng)性能要求、數(shù)量需求更高仿人機(jī)器人視覺系統(tǒng)為標(biāo)配，且要求高，大多為雙目視覺（需要2個相機(jī)），有時需用到3D視覺，相機(jī)數(shù)量與整體價格比工業(yè)機(jī)器人視覺更高。工業(yè)機(jī)器人視覺并非標(biāo)準(zhǔn)配置，屬于可選擇的高配選項，通常包含一個工業(yè)相機(jī)，大多為2D視覺。關(guān)節(jié)在仿人機(jī)器人成本里占比50%+，看好國內(nèi)電機(jī)、減速器企業(yè)仿人機(jī)器人的關(guān)節(jié)成本占比最高，達(dá)50%以上，其中包含電機(jī)，減速器和傳感器等，國內(nèi)企業(yè)在性能方面可滿足要求，看好國內(nèi)電機(jī)、減速器企業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈機(jī)會。除去關(guān)節(jié)，成本占比其次是結(jié)構(gòu)件，控制器和電池等，傳感器。國內(nèi)廠商在結(jié)構(gòu)件方面性能較好，選擇余地較多。Teslabot，是實踐物也是打開想象之窗的使者技術(shù)路線預(yù)測：采用準(zhǔn)直驅(qū)QDD方式，控制方法仍使用傳統(tǒng)的modelbase控制方法，8個攝像頭，利用高性能的計算機(jī)芯片進(jìn)行計算。成本方面：我們認(rèn)為成本壓力比較大，40個電機(jī)所帶來的一體化關(guān)節(jié)成本較大，按一個關(guān)節(jié)4000元測算，關(guān)節(jié)成本超10萬人民幣。同時輕質(zhì)柔性殼體材料價格仍較貴，準(zhǔn)直驅(qū)使得電流大，電池也面臨挑戰(zhàn)。但如果實現(xiàn)量產(chǎn)，成本有很大的下降空間。Teslabot實現(xiàn)量產(chǎn)后，新增電機(jī)市場規(guī)模有望達(dá)千億元目前仿人機(jī)器人成本非常昂貴，而準(zhǔn)直驅(qū)的技術(shù)路線對電機(jī)性能提出很高要求。目前來看，進(jìn)口電機(jī)價格通常為5000~6000元，甚至上萬元，國產(chǎn)電機(jī)價格也在2000元以上?？紤]到Teslabot規(guī)模量產(chǎn)后，規(guī)模效應(yīng)帶來成本下降，當(dāng)出貨量分別為50、100、200萬臺時，假設(shè)電機(jī)單價分別為15