最近一段時(shí)間，人形機(jī)器人(HumanoidRobot)成為了市場(chǎng)熱點(diǎn)之一。
在7月初的第六屆世界人工智能大會(huì)(WAIC2023)上，特斯拉只展出了一個(gè)人形機(jī)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(jī)器人正在開(kāi)發(fā)中，其目標(biāo)是幫助人們處理瑣碎的工作，完成人類(lèi)不愿做的無(wú)聊、重復(fù)或危險(xiǎn)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(shí)，他還提出了一個(gè)有趣的問(wèn)題：隨著時(shí)間推移，機(jī)器人與人類(lèi)的比例會(huì)是多少?而他認(rèn)為，在將來(lái)某個(gè)時(shí)刻，二者的比例可能超過(guò)1:1，這意味著機(jī)器人將比人類(lèi)多，甚至是多很多，這一趨勢(shì)已經(jīng)十分明顯。
1、是概念炒作，還是機(jī)遇？
從目前的情況來(lái)看，在仿生人形機(jī)器人開(kāi)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(dòng)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(jī)器人的市場(chǎng)規(guī)模邏輯在于替代人工，一是人口老齡化下的勞動(dòng)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(dòng)成本降低;三是危險(xiǎn)、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(gè)現(xiàn)實(shí)是，現(xiàn)階段，通用人形機(jī)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(jì)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(chē)公司東京總部，仿人機(jī)器人阿西莫(ASIMO)正式宣布退役，結(jié)束了長(zhǎng)達(dá)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(gè)重要的考慮因素。
一個(gè)市場(chǎng)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(jī)器人的核心技術(shù)在于人機(jī)交互、環(huán)境感知、運(yùn)動(dòng)控制，很多領(lǐng)域仍有待攻關(guān)和突破。以特斯拉機(jī)器人機(jī)械團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)的執(zhí)行器為例，針對(duì)電磁、齒輪組選擇和參數(shù)化、定制電機(jī)設(shè)計(jì)等主要環(huán)節(jié)，需要持續(xù)進(jìn)行仿真測(cè)試和演練，得出最佳的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(jī)器人系統(tǒng)的集成工作量呈指數(shù)型增長(zhǎng)的趨勢(shì)下，完成簡(jiǎn)潔、緊湊的封裝設(shè)計(jì)，最終促成整體系統(tǒng)交付時(shí)間的加快，這對(duì)于規(guī)�；瘧�(yīng)用是至關(guān)重要的。
在產(chǎn)品層面，應(yīng)用成本是一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，馬斯克在特斯拉的開(kāi)放日上提出，特斯拉人形機(jī)器人的最終售價(jià)將下降到2萬(wàn)美金以下，與目前產(chǎn)業(yè)鏈的成本來(lái)看，還有很大的降本空間，但也是目前最有可能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化落地的廠商。在應(yīng)用場(chǎng)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(lèi)廠商重點(diǎn)開(kāi)拓的目標(biāo)市場(chǎng)，而從應(yīng)用規(guī)模來(lái)看，工廠生產(chǎn)和生活服務(wù)是最有可能引發(fā)人形機(jī)器人大批量應(yīng)用的主力市場(chǎng)，特別是前者，因?yàn)楹笳哌�牽涉到人類(lèi)情感接受和社會(huì)融入等議題。無(wú)論是從特斯拉本身的工廠發(fā)展，還是最近日本機(jī)器人初創(chuàng)公司Telexistence與富士康建立合作伙伴關(guān)系，進(jìn)行下一代機(jī)器人模型“GHOST”的大規(guī)模生產(chǎn)，都反映出全球制造業(yè)對(duì)機(jī)器人的需求已是迫在眉睫。
圖1全球典型仿生人形機(jī)器人一覽(資料來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)公開(kāi)信息)
綜上所述，可以看出，仿生人形機(jī)器人的開(kāi)發(fā)大多數(shù)還處于商業(yè)化的初級(jí)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(lái)，僅僅滿足“替代重復(fù)性勞動(dòng)”的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，特斯拉一類(lèi)超級(jí)工廠的使用需求并非空中樓閣，人形機(jī)器人市場(chǎng)也許并不遙遠(yuǎn)，緊跟趨勢(shì)，挖掘新的機(jī)會(huì)和商機(jī)，加快布局人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈，也是中國(guó)制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的一個(gè)重要方向。
2、電驅(qū)動(dòng)力系統(tǒng)助力商業(yè)化
從整個(gè)人形機(jī)器人的構(gòu)造來(lái)看，肩、手、腿三個(gè)部位的動(dòng)力系統(tǒng)最為關(guān)鍵，它們所牽引的關(guān)節(jié)活動(dòng)能力直接影響到機(jī)器人全身的靈敏度。在技術(shù)開(kāi)發(fā)上，這些動(dòng)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(qiáng)調(diào)靈巧手設(shè)計(jì)(圖2)。具體來(lái)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(wú)框力矩電機(jī)、力矩傳感器、軸承;在腿部的線性執(zhí)行器中會(huì)有無(wú)框力矩電機(jī)、力矩傳感器、滾珠絲杠、軸承;為了保證人形機(jī)器人手部的靈活性，要用到空心杯電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、多級(jí)行星減速器、滾珠絲杠、觸覺(jué)傳感器、力矩傳感器、紅外探測(cè)器等等。
圖2特斯拉Optimus人形機(jī)器人核心零部件分布示意圖(圖片來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)公開(kāi)信息）
與其不同的是，波士頓動(dòng)力在人形機(jī)器人的動(dòng)力系統(tǒng)中采用的則是液壓驅(qū)動(dòng)方式，Atlas機(jī)器人包含28個(gè)液壓驅(qū)動(dòng)器來(lái)提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)器為充滿加壓流體的氣缸，以很大的力驅(qū)動(dòng)活塞;定制化伺服閥優(yōu)化設(shè)計(jì)演變得更小、更輕，Atlas內(nèi)部由流體管線連接液壓驅(qū)動(dòng)器。
兩者比較而言，電驅(qū)方式對(duì)比液驅(qū)方式主要的劣勢(shì)在于力密度(更大的力密度帶來(lái)人形機(jī)器人更優(yōu)質(zhì)的運(yùn)動(dòng)性能)，并且液驅(qū)更大的慣量也可保障人形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)，這些使得電驅(qū)目前在人形機(jī)器人領(lǐng)域仍無(wú)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(shí)現(xiàn)高運(yùn)控性能，以低成本優(yōu)勢(shì)打開(kāi)消費(fèi)市場(chǎng)。電液驅(qū)動(dòng)在慣量比、響應(yīng)速度、力密度等方面具備顯著優(yōu)勢(shì)，而伺服電機(jī)系統(tǒng)通過(guò)電機(jī)性能迭代、精密減速器優(yōu)化等途徑，未來(lái)3-5年內(nèi)有望在各項(xiàng)指標(biāo)上實(shí)現(xiàn)突破，且目前國(guó)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(hù)、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(huì)是商用人形機(jī)器人的不二選擇。
在電驅(qū)方案中，以特斯拉人形機(jī)器人的BOM表為例，據(jù)統(tǒng)計(jì)，各類(lèi)零部件的價(jià)值分布大致上分別為：各種電機(jī)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(jiàn)，步進(jìn)電機(jī)、無(wú)框力矩電機(jī)和空心杯電機(jī)等，以及各種減速器、傳感器等都是仿生人形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的核心部件。
在電機(jī)方面，有廠商表示，在人形機(jī)器人大關(guān)節(jié)的使用上，無(wú)框力矩電機(jī)產(chǎn)品可以滿足其功能需求，未來(lái)需要看不同廠家對(duì)人形機(jī)器人呈現(xiàn)的產(chǎn)品形態(tài)，可能會(huì)在尺寸和功率段內(nèi)有一些差別和調(diào)整，但是從無(wú)框力矩電機(jī)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和工藝來(lái)看，可能沒(méi)有特別大的差別。
圖3仿人五指靈巧手(圖片來(lái)源：因時(shí)機(jī)器人官網(wǎng))
空心杯電機(jī)主要應(yīng)用在人形機(jī)器人的手部，它是直流永磁同步電機(jī)的一種，也是小功率段功率密度較大的一類(lèi)電機(jī)。在此基礎(chǔ)上，新的產(chǎn)品形態(tài)也在出現(xiàn)，以因時(shí)機(jī)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(jī)、絲桿機(jī)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(shí)現(xiàn)驅(qū)控一體化，具有體積小、精度高、負(fù)載大等技術(shù)特點(diǎn)�；谶@一技術(shù)開(kāi)發(fā)的仿人五指靈巧手依靠的是內(nèi)置的六個(gè)微型伺服電缸，可實(shí)時(shí)反饋手指的受力情況，以實(shí)現(xiàn)對(duì)每一個(gè)手指抓握力的實(shí)時(shí)控制，并可對(duì)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(jìn)電機(jī)則是一種可以控制旋轉(zhuǎn)角度和位置的電機(jī)，適用于機(jī)器人的定角度運(yùn)動(dòng)。它通過(guò)脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)來(lái)控制步進(jìn)角度，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、承載力強(qiáng)等特點(diǎn)，多被應(yīng)用于人形機(jī)器人的定位和步進(jìn)運(yùn)動(dòng)中。
3、機(jī)械傳動(dòng)模組化形態(tài)興起
減速器連接動(dòng)力源和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它將傳動(dòng)設(shè)備在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的動(dòng)力，通過(guò)齒輪比傳動(dòng)(輸入軸上的小齒輪嚙合輸出軸上的大齒輪)或是差齒傳動(dòng)(由于輸入端和輸出端齒輪數(shù)量差異產(chǎn)生減速)，達(dá)到降低轉(zhuǎn)速和增大扭矩的目的。
人形機(jī)器人對(duì)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(lèi)的運(yùn)動(dòng)模式，就需要具備高精度、高穩(wěn)定性的特點(diǎn)，且減速器必須輕量化，因此在人形機(jī)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(dòng)裝置的一種新的混合型產(chǎn)品，RV減速器的傳動(dòng)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(rèn)為，諧波減速器具有體積小、傳動(dòng)比大的優(yōu)點(diǎn)，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(qiáng)、價(jià)格低的優(yōu)勢(shì)，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(shí)現(xiàn)在人形機(jī)器人上的應(yīng)用，但都會(huì)做出特殊的設(shè)計(jì)調(diào)整，不是以單個(gè)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(jī)器人產(chǎn)業(yè)化所帶來(lái)的滾珠絲杠的市場(chǎng)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(cè)的可能方案有兩種：一種是4個(gè)滑動(dòng)絲桿+8個(gè)行星滾柱絲杠;另一種是14個(gè)滾珠絲杠。根據(jù)專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)，2022年全球滾珠絲杠的市場(chǎng)規(guī)模約為20.4億美元，如果不考慮人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化，預(yù)計(jì)行業(yè)將保持低速穩(wěn)定成長(zhǎng)，到2029年，市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)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(dòng)態(tài)
從目前國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)界來(lái)看，真實(shí)的情況是大部分廠商并沒(méi)有真正進(jìn)入人形機(jī)器人市場(chǎng)供應(yīng)鏈，還處在技術(shù)跟蹤、密切關(guān)注的狀態(tài)。在公開(kāi)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(jī)正在做可靠性及實(shí)際應(yīng)用的測(cè)試驗(yàn)證。
昊志機(jī)電目前應(yīng)用于機(jī)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(jī)、驅(qū)動(dòng)器、編碼器、六維力矩傳感器、剎車(chē)機(jī)構(gòu)、機(jī)器人關(guān)節(jié)模組、低壓驅(qū)動(dòng)、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(jī)器人領(lǐng)域。公司憑借在機(jī)器人領(lǐng)域深厚的技術(shù)積累，以及通過(guò)與瑞士Infranor集團(tuán)研發(fā)人員的交流、學(xué)習(xí)和合作，先后攻克了智能機(jī)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(lái)，公司在機(jī)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(qiáng)協(xié)作機(jī)器人市場(chǎng)開(kāi)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(jìn)產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。
步科自動(dòng)化開(kāi)發(fā)的無(wú)框力矩電機(jī)可用在人形機(jī)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(kāi)發(fā)情況，并且也在和一些客戶(hù)進(jìn)行相關(guān)產(chǎn)品的共創(chuàng)工作。在技術(shù)方面，無(wú)框力矩電機(jī)在磁路和工藝設(shè)計(jì)方面都會(huì)有一定的技術(shù)要求，隨著公司產(chǎn)品規(guī)模的擴(kuò)大和工藝的創(chuàng)新，產(chǎn)品會(huì)存在一定降本空間，力爭(zhēng)使公司的無(wú)框力矩電機(jī)產(chǎn)品的售價(jià)更具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì);同時(shí)公司還開(kāi)發(fā)出了多系列的電機(jī)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(hù)的需求，據(jù)介紹，目前公司的第三代無(wú)框力矩電機(jī)產(chǎn)品可以對(duì)標(biāo)國(guó)際領(lǐng)先產(chǎn)品，部分型號(hào)已具備一定優(yōu)勢(shì)。
圖4小米CyberOne(鐵大)(圖片來(lái)源：小米官網(wǎng))
鳴志電器在人形機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ｗ⒂谑终颇＝M及指模所用的控制電機(jī)模組的研發(fā)和制造。據(jù)悉，基于公司已具備了該類(lèi)控制電機(jī)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(hù)提交了全套技術(shù)方案及樣機(jī)，供客戶(hù)做可靠性及實(shí)際應(yīng)用的測(cè)試驗(yàn)證。
中大力德在近期的投資者關(guān)系活動(dòng)中表示，公司長(zhǎng)期深耕于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，目前在機(jī)器人部分主要圍繞工業(yè)機(jī)器人和協(xié)作機(jī)器人展開(kāi)，不斷開(kāi)發(fā)新的應(yīng)用場(chǎng)景，并且針對(duì)人形機(jī)器人這一目前熱點(diǎn)話題，公司也在時(shí)刻保持高度關(guān)注。
江蘇雷利稱(chēng)，公司微型行星滾柱絲桿、滑動(dòng)絲桿可以用于人形機(jī)器人，其中滑動(dòng)絲桿技術(shù)含量最高，主要用于重負(fù)荷、主關(guān)節(jié)，公司的產(chǎn)品在樣品測(cè)試階段已得到客戶(hù)認(rèn)可，目前已經(jīng)完成開(kāi)發(fā)并在成本上實(shí)現(xiàn)突破，量產(chǎn)時(shí)點(diǎn)需根據(jù)客戶(hù)進(jìn)度確定。
5、機(jī)器人新浪潮時(shí)代來(lái)臨
按照馬斯克的計(jì)劃，特斯拉人形機(jī)器人有望在3-5年時(shí)間內(nèi)交付，產(chǎn)量可達(dá)到數(shù)百萬(wàn)臺(tái)，價(jià)格可能不到2萬(wàn)美元，這也許是人形機(jī)器人和人類(lèi)社會(huì)最近的一次距離。人形機(jī)器人之所以能夠成為今年以來(lái)除ChatGPT人工智能新技術(shù)之外的又一個(gè)熱點(diǎn)，自然有其市場(chǎng)及資本運(yùn)作的規(guī)律在做支撐，但從實(shí)業(yè)角度出發(fā)，看見(jiàn)未來(lái)，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(xiàng)目即使一次次的失敗，但大多數(shù)人并不會(huì)嘲笑視之，而是非常欽佩他的勇氣，他頗具遠(yuǎn)見(jiàn)和獨(dú)特的商業(yè)模式也獲得了愈來(lái)愈多投資者的青睞。人類(lèi)對(duì)未來(lái)的探索從未停止，每一次成功的背后都是以千萬(wàn)次的挫折為代價(jià)，人形機(jī)器人的開(kāi)發(fā)也是一樣，它是對(duì)人類(lèi)本身資源缺陷的一次大膽嘗試。
實(shí)際上，除了本文重點(diǎn)探討的運(yùn)動(dòng)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(dá)在內(nèi)的多模態(tài)視覺(jué)感知模組在機(jī)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(jí)的助力之下，人形機(jī)器人將在不久的未來(lái)真正打開(kāi)C端消費(fèi)市場(chǎng)的空間。在這一新的賽道上，工控自動(dòng)化企業(yè)將迎來(lái)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(huì)以令人稱(chēng)奇的速度涌現(xiàn)在人們面前。
