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1、2022机器人行业专题报告：人形机器人1人形机器人，产业趋势还是昙花一现？1. 1特斯拉发布Bot,掀起人形机器人热潮在2021年的Tes1.aA1.Day上，马斯克公布了人形机器人TeS1.aBot(Optimus)的概念。近期，马斯克又将原计划8月19日举办的特斯拉A1.日，改为9月30日举办，因为届时将发布OPtimUS(“擎天柱”)原型机。据官方描述，特斯拉OPtin1.US机器人身高约172CM、体重约56KG,能够硬拉68KG左右，它的诞生是为了消除危险、重复和无聊的任务，以便人类可以专注于更加愉快的工作。长期以来，马斯克对人工智能发展的危险性和缺乏监管的状态直言不讳，但他向外界保
2、证OPtimI1.S是友好无害的，特斯拉机器人的速度被特意设计得很慢，最高时速约为2米/秒,并且比人类更弱。据称，该款人形机器人结合了特斯拉的A1.技术，即基于视觉神经网络神经系统预测能力的自动驾驶技术，具有极强算力的DOJOD1超级计算机芯片，Dojo架构拥有一个大规模计算平面，极高宽带和低延迟。作为Dojo架构的重要组成部分，D1芯片采用7纳米制造工艺，处理能力为每秒1024亿次。由于每个D1芯片之间都是无缝连接在一起，相邻芯片之间的延迟极低，训练模块最大程度上实现了带宽的保留，配合特斯拉自创的高带宽、低延迟的连接器，算力高达9PF1.OPs（9000万亿次）。1.2 人形机器人，各项用途
3、的最大公约数中国电子工业学会将机器人划分为工业机器人、服务机器人、特种机器人三类。其中，1）工业机器人指面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人，在工业生产加工过程中通过自动控制来代替人类执行某些单调、频繁和重复长时间作业；2）服务机器人是指在非结构环境下为人类提供必要服务的多种高技术集成的先进机器人；3）特种机器人指代替人类从事高危环境和特殊工况的机器人。目前，全球机器人发展已有超过半个世纪，但据IFR数据，2019年全球工业机器人保有量仅272万台，按照世界人口网数据2019年全球230个国家75亿人口计算，工业机器人的人均保有量仅为3.63台/万人。2019年，工业机器人受全球贸易摩擦
4、升级影响，新安装量出现下滑，据IFR预计，到2022-2023年才可能恢复至疫情前水平。相比之下，服务机器人、特种机器人因疫情催化“非接触”使用场景增加，发展势头迅猛。回顾过去几十年发展历史，工业机器人发展速度迟缓，除了受宏观经济影响外，还与其初级的智能水平、难以迁移的应用环境有关。传统工业机器人主要是解决传统制造业的效率问题，在静态、结构化、确定性的无人环境中完成重复性作业，其工作特点在于空间相对隔离、与人非接触、预编程或示教再现控制、需要外部安全保障。伴随制造业本身的升级和转型，小批量、多品种、短周期、个性化将成为新兴制造业的显著特点，因此工业机器人的趋势也将是可融入人类生产与生活环境、与
5、人优势互补、合作互助，进而成为具备可变作业能力的人类助手型机器人。机器人最终需要在人类所处的现实环境中工作。开发人形机器人比修改整个环境显得更经济合理。现代社会的环境是为人类自身设计的，例如，走廊的宽度、阶梯的高度、扶手的位置和门把的位置等数不胜数的事物都要适合人的尺寸和运动，这些是社会建造过程中的沉没成本。因此，当机器人具有人的形状并能像人一样活动时，就不需要为机器人而改变人的环境。常见的轮式机器人使用条件苛刻，需要在一个非常平的地面上来使用，没有任何的越障能力，这种理想的工作环境其实是非常少的。如果要想满足它丰富功能的话，还是要做成一个有自主越障能力，所以人形是一个好的选择。1.3 下一代
6、的商业入口人形机器人较其他服务机器人更容易被人们接受。参照“恐怖谷效应”，在中等程度偏上的逼真性以前，无论是静态仿真物还是动态仿真物，人们对它的好感程度是随逼真性的提高而增加。也就是说，中等偏上程度的仿真时最受人们欢迎的，最能够赢得受众。而随着逼真性向较高程度增强，人们的好感度会陡然下降。在“恐怖谷理论“第一段曲线上升部分，人类与人形机器人更容易产生情感上的交流。人形机器人在外形和行为设计上模仿人类，具有手部、足部、头部和躯干等，容易获得人类好感、亲近感并能满足情感认同。并且它们与人类接近程度越高，被接受和认可的程度就越高，具有人的外形是机器人成为人类伙伴并为人们带来乐趣的非常重要的因数。人形
7、机器人有望成为继手机、汽车后的又一入口，商业价值巨大。手机入口整合了通话、地图、工作、娱乐等众多功能，是各功能依托的总入口。而人形机器人功能更加全面，与人互动场景多元更加多元，有望成为新的商业人口。根据艾媒网、Statista数据，2021年我国人均花费在手机上的时间达到3.3小时/天。此外，2021年移动应用的用户支出达到1700亿美元（约合1.08万亿人民币），与去年相比增长了19%o下载量以同比5%的速度继续增长，达到2300亿次。展望人形机器人的未来发展速度，我们认为可以参考特斯拉电动车的放量节奏。回溯历史，Mode1.-S在2012年推出，2013年特斯拉电动车销量达到2.2万辆，2
8、014年达到3.2万辆，2015年实现5.1万辆。随着2017年推出ModeI-3达到大规模生产，销量快速增长，从2017年的10万辆快速增长到2021年的近100万辆。我们认为，特斯拉汽车销量的绝对额增长是从ModeI-3的推出开始加速，起初走的是高端概念型路线，往往是忠实粉丝开始应用，同时搜集各种数据进行改进，然后逐步起量。我们认为人形机器人的发展过程可能也与此有相似之处。不同的是，对于人形机器人，其他科技企业会更快地跟进，国内与国外科技企业都纷纷注意到这个赛道，在做前瞻布局。一些领先企业在做准备，明年也将推出，因而真正放量时不仅要考虑特斯拉，其他国内外企业也会放量。如果人形机器人的放量节
9、奏类似于特斯拉汽车，那么20232024年人形机器人可以大致对应特斯拉2013-2014年的销量，随着其他厂商原型机推出后也逐步起量，2025年开始人形机器人对标2015年全球纯电动车销量。但对于9月30日发布的机器人，我们认为不应抱有过高的预期，原因在于人形机器人对智能化水平、通信、执行、传感等方向的要求非常高，最终较为理想的人形机器人一定是经过多次迭代，不断打磨后的产品。而特斯拉bot的到来，其最重要的意义在于开启了整个产业的快速发展过程，未来一段时间，预计很多科技企业都会向人形机器人的方向努力,争夺赛道，产业趋势可能会加速来到我们面前。2. Optimus的前辈们Tes1.aBot并非首
10、款人形机器人，从21世纪初本田发布首款人形机器人AISMO原型机开始，全球多家科技公司及高校先后发布人形机器人。从设计初衷来看，人形机器人定位多用于生活服务，与人类交互，以及专门用于科研领域。其中，较为知名的不乏有波士顿动力的At1.as机器人、欧洲iCUB软银的PepperA1.derbran公司的Nao机器人，以及优必选Wa1.ker系列。研究他们的设计思路，对Optimus也会有所借鉴。3人形机器人的可能解决方案有哪些？3. 1人形机器人的成本构成与工业机器人有哪些区别？从外形上看，人形机器人采用的是1.型结构，每个关节紧密连接，其集成度要比传统的工业机器人更加紧凑，也更加灵活。而从成本
11、上构成上看，二者也有一定的差异。传统的工业机器人产业链，包括上游零部件供应商、中游本体供应商、下游系统集成和服务提供商，以及终端应用市场。其中有减速器、控制器、伺服系统分别占31%、10%、20%o本体占比在24%,系统集成约占比14%o相比之下，根据我们的产业链调研，人形机器人的本体在成本中占比要低于工业机器人。由于工业机器人对负载的要求更高，通常需要用到铸铁、高强度钢等金属材料制作，而人形机器人通常采用密度更小的金属材料，或者复合材料制作，其本体在整个生产中的占比通常在15%左右，而工业机器人本体在生产成本中占比通常在20%以上。在传感方面，人形机器人全身需要多处传感器，因此在生产成本中也
12、占有较高的比重。3.2 驱动和执行：谐波减速器+空心杯型伺服电机3 .2.1减速器：谐波减速器或为主要解决方案，数量或在45-50个从外形上看，人形机器人采用的是1.型结构，每个关节紧密连接，其集成度要比传统的工业机器人更加紧凑，也更加灵活。而从成本上构成上看，二者也有一定的差异减速器是常用作原动件与工作件之间的减速传动装置，在二者之间起到匹配转速、传递扭矩的作用。其原理在于，把高速运转的动力通过减速机输入轴上齿数少的齿轮啮合输出轴上的大齿轮，以此来达到减速的目的，原因在于绝大多数工作件负载大、转速低，不适宜用原动机直接驱动，需通过减速机来降低转速、增加扭矩。常见的减速器有行星齿轮减速机、RV
13、减速机、谐波减速机等。工业机器人大多使用RV减速器，主要原因在于RV减速器具有疲劳强度大、刚度大，同时可以保持高精度等特点，但其缺点是重量大、体积大。另外，部分末端会用到谐波减速器，谐波减速器的负载能力略低于RV减速器，在力矩输出要求不是特别高的末端可以满足要求，其优点是体积小、重量轻。人形机器人关节处的减速器需要具有传动链短、体积小、功率大、质量轻、易于控制等特点。根据我们的产业链调研，一般的谐波减速器减速比在85-160之间，更大一些的可以达到200,而减速比直接决定了输出力的大小，减速比越高，电机相同转数下输出力越大。体积方面，手指部分可以使用直径20mm的减速器，放置于手掌中，肘部可以
14、使用30-40mm减速器，肩部可以使用50-60mm减速器。目前，国内谐波减速器基本可以满足要求。事实上，在机器人移动一个物体的过程中，真正需要输出力较大的地方主要在于肩部、肘部、腕部等关节，手指等末端关节对力的要求有限，因此部分末端可以使用行星齿轮减速器替代。根据我们的产业链调研，行星齿轮减速器的转速比通常在15-20之间，如果要实现更大的力，只能将齿轮缩小，但齿轮过小时很容易损坏。因此，在体积很小的机器人中，通常可以使用行星齿轮减速器，但要做到消费级机器人，仅可以在末端使用行星齿轮减速器替代谐波减速器。体积方面，谐波减速器由于其结构通常是由三个行星齿轮，以及中间的一个太阳轮组成，因此最小的
15、也只能达到30-4OnIm。对消费级机器人而言，其负载通常不会过大。因为负载较高的情况下，其肩关节、肘关节需要做到很大。另外，机器人本身也需要保持平衡，机器配重不足的情况下很容易倾倒，考虑到其在运动过程中还要加上力和惯性，所以一般要保证机器人静态下的负重是动态负重的2倍左右。另外，在精度方面，消费级机器人的精度不会像工业机器人那么高，在加入编码器的情况下可以达到O.01mm,只要执行到位即可，相比之下，工业机器人，比如加工机床精度需要达到0.002-0.005mmo4 .2.2伺服系统：电机驱动是主流解决方案机器人自由度的运动，可能依靠舵机，电机，推杆，气或者液压的伸缩杆，控制器可以对这些部件
16、进行控制。从过往人形机器人的伺服解决方案可以看出，At1.as采用了液压驱动，其优点在于可以承受高负载。例如在At1.as完成后空翻动作时，落地时冲击力会非常大，如果采用电机方案，可能会导致爆炸，而液压结构更加稳定，除了油压自身的可压缩性，如果使用蓄能器，还能起到减震作用，使肌体更有弹性。但液压肢体结构的问题在于可能会漏油。此外，Poppy机器人则选择了舵机驱动，实际上，舵机也相当于一个完整的伺服系统，里面包含了电机、传感器、伺服控制器等部件，其优点是价格低廉、结构紧凑，但缺点是精度很低，位置镇定能力较差，只能满足一些机器人的初级功能需求。因此除此之外，历史上对于负载没有过高要求的人形机器人，大部分都采用了电机驱动方式。机器人的伺服系统，包括伺服电机、伺服驱动器、指令机构三大部分。其中，伺服电机(SerVermotor)是执行机构，指在伺服系统中，控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象
