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欧宝爱游戏体育:人形机器人开启新长征

作者:欧宝体育app注册入口 来源:欧宝app注册网站 发布时间:2022-08-02 20:05:34

人形机器人开启新长征

  对特斯拉将于9月30日发布的机器人,民生证券认为不应抱有过高的预期。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。

  ■马斯克宣布将于近期发布人形机器人原型机,一石激起千层浪。关于人形机器人是否必要、有何价值、应用场景、放量节奏、技术方案的讨论此起彼伏。本文力图提出我们的思考和测算。

  ■人形是机器人的最大公约数。工业机器人推出已半个世纪,但到2019年全球人均保有量仅3.63台/万人,仍是汽车、家电、3C等标准化制造行业的“独享”。初级的智能水平、难以迁移的应用环境是制约产业规模的瓶颈。服务机器人曾点燃曙光,但其过于细分的应用场景仍不能摆脱工业机器人曾经的窄路。人形机器人以其亲和力、易接受的标准化形式,更易打破厂用、商用、家用的藩篱,实现极大规模硬件复制和长尾应用的广泛覆盖,孕育伟大公司。

  ■人形是最自然的商业入口。商业入口一直是平台企业的必争之地。商业地产、手机、汽车正在或者即将担当我们的商业入口,最大限度地占据我们的时间、吸吮商业价值。更加智能的人形机器人会是我们的好助理、好朋友,是最天然的商业入口,没有科技企业可以忽视。不断涌入的资金、人才、技术会加快技术的迭代演进,产业大势已不可阻挡。

  ■首台样机,不必生而伟大。第一度电的发出,第一列火车的启程都引发了人们对其实际用途的质疑,但逐步提升的性能提升了实用性,消弭了质疑。神经网络算法、语音语义识别、更先进的传感、执行技术都在为人形机器人诞生奠定基础。此时不应被实用性限制,而应更加宽容,允许一个有缺点的新产品诞生。

  ■放量节奏,不宜过度乐观。人形机器人面对开放的应用环境,难以通过简单的编程和短时间的遍历达到足够的智能,需要一定时间的完善。特斯拉Model系列及纯电动车的放量节奏可以作为参考,萌芽期不宜对放量节奏有过高期待。

  ■执行机构,进入大市场,孕育新的技术变革。人形机器人的使用,倍数放大了执行机构的市场空间,且其更有限的机构放置空间、更大的单位体积输出功率要求、更低的成本,都给执行机构的设计提出了新的挑战。新技术、新工艺有望得到应用,抓住机会的厂商有望弯道超车。

  ■伺服系统、谐波减速器是执行机构的核心。立足当前的技术发展现状,我们认为人形机器人会采用开源的控制系统,视觉为主的传感方案、工业塑料或铝合金等轻质材料为本体。驱动-电机-减速器组合会是执行机构的首选方案,在成本中占比最高,成为人形机器人普及的最大受益方。

  ■风险提示:新产品研发及拓展不及预期风险,下游需求不及预期风险,市场竞争加剧风险,宏观经济增速放缓风险。

  在2021年的Tesla AI Day 上,马斯克公布了人形机器人Tesla Bot(Optimus)的概念。近期,马斯克又将原计划8月19日举办的特斯拉AI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 Optimus 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,但他向外界保证 Optimus 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AI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DOJO D1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9PFLOPs(9000万亿次)。

  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。

  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,有望成为新的商业入口。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%。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,Model-S在2012年推出,2013年特斯拉电动车销量达到2.2万辆,2014年达到3.2万辆,2015年实现5.1万辆。随着2017年推出Model-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Model-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奏类似于特斯拉汽车,那么2023-2024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。

  Tesla Bot并非首款人形机器人,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Atlas机器人、欧洲iCUB、软银的Pepper、Alderbran公司的Nao机器人,以及优必选Walker系列。研究他们的设计思路,对Optimus也会有所借鉴。

  从配置上看,双足服务型机器人自由度均在40个左右,多的可以达到50以上,电源采用锂电池,续航时间短则1-2h,长的可以达到十数个小时,电机均采用直流电机,全身配备数十个甚至上百个传感器,本体结构多采用碳纤维、工业塑料等轻质材料,或对质感、触感有要求的橡胶等。

  从外形上看,人形机器人采用的是L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。

  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%。本体占比在24%,系统集成约占比14%。

  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占有较高的比重。

  3.2.1 减速器:谐波减速器或为主要解决方案,减速器数量或在45-50个

  从外形上看,人形机器人采用的是L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。根据公开报道,Tesla Bot体重约为125磅(56.7千克),负载20kg,也可可通过剧中硬拉姿势举起150磅的重物(约68千克),考虑到人形机器人的集成度要求较高,以及其负载要求,谐波减速器基本可以满足人形机器人的要求。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,因此最小的也只能达到30-40mm。

  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0.01mm,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0.002-0.005mm。

  根据我们的产业链调研,人形机器人的减速器一般不少于40个。具体数量主要取决于手指数量、手腕弯曲度、腿部弯曲度等。一般,指关节可以通过拉线、编码器来完成,一根手指最多需要一个减速器,每只手5个手指则需要4-5个减速器。因此,一般两只手臂、一个脊、每只手5个手指的机器人其减速器数量大约在45-50个。

  减速器的价格一般与其体积有关,一般直径越大的减速器价格越高。由于机器人的自由度较高,全身的减速器数量也较多,因此在总成本中,减速器的占比也要略高于工业机器人。

  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进行控制。

  从过往人形机器人的伺服解决方案可以看出,Atlas采用了液压驱动,其优点在于可以承受高负载。例如在Atlas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。

  从数量上看,按照历史上已经发布的几款人形机器人,头部自由度一般至少有2-3个,每只手臂有4-7个自由度,每只手1-5个自由度,每条腿3-6个自由度,躯干(腰部)2-3个自由度。根据澎湃新闻报道,预计特斯拉Optimus人形机器人的脖子、胳膊、手、腿、躯干累计搭载了40个机电传动器。基本与Walker和ROMEO的自由度数量相当。

  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(server motor)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。伺服驱动器(server drives),又称为“伺服控制器”、“伺服放大器”,是用来控制伺服电机的控制器,其作用类似于变频器作用于普通交流马达,伺服驱动器主要用于高精度的定位系统,一般通过位置、速度、力矩三种方式对伺服电机进行控制,属于传动技术的高端产品。指令机构是发脉冲或者给速度用于配合驱动器正常工作的。

  伺服驱动器向电机线圈供应电压、电流,然后通过监控反馈来闭环伺服环路,为伺服电机供电。多数情况下,伺服驱动器含有三个嵌入式伺服环路:电流环(扭矩环、内部换)、速度环、位置环,三个环路相互作用,实现精准的运动控制。

  从外观上看,工业机器人的伺服系统体积较大,有部分机器人伺服系统外置,因此其集成度不比人形机器人。另外,工业机器人通常使用交流伺服电机,对精度要求更高、体积更大,而人形使用的是直流无框力矩电机,可以在较小体积下输出较大的力,而且没有外框,只有一个转子、定子。

  从组成上看,人形机器人的伺服电机、驱动器、编码器、减速器等集成在一起,整体组成一个“空心杯”形状的集合,整个杯形的集合体有输入端、输出端,通过一根总线、一根电源线,跟控制器联系在一起。由于人的手臂、躯干都是圆形,因此做成杯形更利于本体的安装。一般,人形机器人每个关节都要一个杯形的集合体,一个手指上面需要一个电机,手指上各关节可以通过拉线的方式,利用杠杆原理实现弯曲。此外,人形机器人各伺服系统之间是采用串联方式,工业机器人一般采用并联方式。

  伺服系统的设计一般根据机器人应用场景而定,例如机器人的身高、体重、负载等。由于驱动器是围绕关节设计,因此需要根据机器人的需要的力反过来进行推算。另外,电力系统的功率输出最后决定了力的输出,因此执行电机的电流也要据此进行设计。

  根据我们的产业链调研,一般驱动器和后端输出的力的比值应在1.2-1.5倍,之所以保证一定的余量,主要是防止机器人的某个部位被卡住时,电机继续执行,电流达到最大可能会对电机、驱动器造成的伤害。一般解决的方式可以采用逆反馈、电流的反馈,加入一些智能算法,反馈给控制器,保证机器人某个部位被卡住是不会烧坏电机和驱动器。

  伺服系统的难点主要在于,从驱动器上看,其上端需要对接控制器,下端需要对应电机,由于各厂家控制器参数不同,且后端驱动功率、应用范畴、便长城、执行选项等参数较多,如何能够实现通用性、兼容性,并通过让客户能够快速选项是一个挑战。另外,人性格机器人由于对集成度的要求较高,刹车、编码器等都在电机中,是通过总成的形式插入到减速器中,进而连接成一个本体。因此,数量庞大的部件中任何一个出现问题,或者母线出现问题,执行机构就无法正常运转,进而影响整机的性能。

  特别需要注意的是,对于颈关节、肩关节、肘关节、腕关节、腰关节、膝关节、踝关节等大关节来说,可采用标准的电机组合形式。对于手部关节,空间狭小、要求较高,可选方案较多:

  总体上看,采用微型电机进行控制精度更高,一般额定转速能达到2000-3000mm转,及时性更好,加减速都较快,普遍在几十毫秒一下,且可承受三倍余额定转矩的负载,但电机没有防油防水功能,无法再高适度和油侵严重环境下使用,相比之下,电缸的耐腐蚀性比较好,但其精度不如电机。

  3.3 控制系统:独立控制器位于头部或躯干,开源系统或为多场景应用解决方案

  运动控制器的作用,是对来自伺服回路的各种反馈信息进行处理,并据此对电机进行换向。运动控制器与伺服驱动器是经常被混淆的两个概念,实际二者在自动化领域有着微妙的差异。简言之,运动控制器相当于人的“大脑”,伺服驱动器相当于“神经”,而伺服电机相当于人的“手”执行由大脑、神经传递过来的命令。

  作为基于微处理器的设备,运动控制器具有生成脉冲宽度调制(PMW) 波形的复杂算法。而伺服驱动器内的功率晶体管,通过传输电流和电压波形,来为伺服电机供电。因此,二者之间的配合原理是,控制器是将特定命令应用于驱动器中位置、速度或电流环等元件,伺服驱动器再根据控制器的命令向电机提供电压和电流。

  此外,控制器通常具有编程的功能,可以存储和运行程序员提供的代码,其中有大量安全元件,可用于组件发生故障时防止过载,或停止运动控制。相比之下,驱动器往往专注于接收控制器输入的命令,并负责功率晶体管的开关,使产生的电流、电压满足命令的要求。

  工业机器人的驱控一体在人形机器人中很难实现。原因在于人形机器人的伺服驱动器数量高达数十个,因此,如果所有驱动器都配有一个控制器,整个机器人的体积将会非常大,很难实现。因此,人形机器人一般有一个单独的控制器(独立于伺服电机、伺服控制器),也被称作“上位”。通常人形机器人的控制器会被放在头部,如果视觉、激光雷达、听觉传感器等占用空间过大,控制器也可能被放置在躯干中,因为躯干中除了电池之外,还有很大空间可以利用。

  对于人形机器人的控制器而言,其关键主要在于了解客户的应用场景,以及对相关工艺的要求。由于终端对精度要求,每向上一级叠加都需要留出一定的余量,因此驱动器对于最终精度的实现有至关重要的作用。此外,工业机器人一般只有一个固定底座,只有末端有一些视觉识别过程,相比之下,人形机器人的传感器众多,数据来源有多个口径,需要处理的数据也很庞大和复杂,难度较大。另外,由于机器人对每个场景的学习和训练过程也需要一定时间,因此,单独一家厂商还很难将人形机器人做到各个场景的通用。

  一种可能的解决方案是,厂商主要负责生产本体,将控制部分做成开源系统,让不同的人对应用场景进行二次开发,这样特斯拉人形机器人就有可能成为一个标准版的本体,在其能力范围内,由后端的多样化算法来支持多个客户应用场景,例如Poppy机器人、Pepper机器人。

  3.4.1 本体:轻量化的复合材料、金属材料为首选,对触感要求高的部位或采用硅胶

  本体在整个机器人中属于辅助部分,主要起到支撑、连接各个关节的作用,在整个机器人成本占比中也是最低的,原因在于相比内部的核心部件,外部的损伤是较易于修复的。

  人形机器人本体在成本中比重要低于工业机器人。由于负载的要求,工业机器人的本体一般需要由铸铁、高强度钢制成。相比之下,人形机器人的本体一般采用密度更小的复合材料,或密度更小的金属材料,如铝硅、铝镁等,其密度比合金钢更小,但强度、支撑能力也能够满足负载的要求,关键是材质相对更软,可塑性更好。除此之外,有些机器人的本体也会采用碳纤维,在保证横端拉力的情况下,质量也较轻。而在手指等末端、对质感和触感要求较高的部位也会采用硅胶作为材料。

  此外,一些机器人的关键零部件,可能会采用工业级3D打印技术。如历史上法国INRIA Flowers研发的Poppy机器人就是一种3D打印机器人,3D打印可以降低机器人本体重量,并减轻伺服电机等关键部件的压力,从而降低成本,并实现快速制作。另外,像波士顿动力的Atlas机器人关键结构件也是使用工业级3D打印制作,驱动器和液压管路是被嵌入结构当中,所有的动态平衡、传感、过滤、排污阀、动力装置所需的一切零件,都集成在一个3D打印部件中而非由单独的组件制成。

  与人相同的是,人形机器人也需要很多传感器。根据检测对象的不同,可以分为内部传感器、外部传感器。内部传感器一般用来检测机器人本身状态,多为检测位置和角度的传感器。

  外部传感器一般用来检测机器人搜出环境装款,如物体识别传感器、物体探伤传感器、接近觉传感器、距离传感器、力觉传感器、听觉传感器等。

  从已经发布的几款人形机器人来看,视觉、语音、触觉、力觉、测距、姿态等需要基本都需要配备相应的传感器,传感器的数量少则十数个,多则上百个(如Nao机器人)。一般视觉传感多采用双目或多目的高清摄像头、立体摄像机,姿态传感器采用陀螺仪,探测器包括激光雷达、声纳、超音波感应器等,语音识别多以麦克风形式。

  据中国传动网,特斯拉即将推出的“擎天柱”人形机器人运用了特斯拉最先进的AI技术,其头部配备了与特斯拉汽车相同的智能驾驶摄像头,内置FSD芯片,并基于视觉神经网络神经系统预测能力的自动驾驶技术驱动,与汽车共用AI系统。这意味着,特斯拉人形机器人延续了以视觉为主的传感技术路线。特斯拉最著名的 AI算法是其机器视觉中的纯视觉解决方案,预计该算法在人形机器人的制造中将延续。

  由于人形机器人不仅需避障、路径规划,还需要准确识别目标,因此若要完成类似人手的精密操作,机器人视觉系统定位精度需达毫米级,需引入工业级双目/多目相机,单机价值量相对普通服务机器人较高。预计人形机器人的3D传感器成本将远高于普通的服务机器人,但要略低于工业机器人。此外,激光雷达通常会作为视觉传感的辅助,因为在机器人工作过程中,很多物体都是“眼见为虚”的,需要借用激光雷达对景深进行验证。

  除视觉之外,人形机器人还需要加入力传感器,例如对于一个玻璃制成的物体输出的力,不能等同于对一个气球输出的力,而力的大小最终由电流决定,因此加入力学传感和反馈也是必要的。相同的,还有对温度、位置的感知。

  由于要面对大量信息,大量的动作,人形机器人运算量非常大,其所有的元件都在发热,因此,散热也是研制人形机器人需要解决的最重要问题之一。

  在设计机器人时,通常需要通过各种软件的模拟来实现,尽可能让其少发热,或发热相对更集中、更易于散热,这就需要用到一些工程软件。此外,在散热方面,一般有风冷、液冷、散热器、导热材料等方式。

  以风冷为例,机器人的散热结构呆滞包括,表面的机器外壳、内部排气扇,外壳下部设置有进气孔,外壳的上部设置有排气孔,排气扇用于使空气由进气孔进入外壳内部,并由排气孔排出。由于进气孔接近散热结构的最低处,排气孔位于散热结构的最高处,热空气由排气孔排至散热结构外。在此情况下,散热结构内形成低压,外部的空气经进气孔进入散热结构内。冷空气接触设置于外壳内部的电路板组件,达到散热效果。

  除了空冷之外,机器人的散热也需要配合其他方式。一般,主板控制器结构上会根据发热源位置安装散热器,但是,由于发热源于散热器间会出现空袭,因此必须将导热界面原材料弥补在其中传导热量,目的是清除空隙中的气体、增加换热范围、降低传热系数、提升散热性能。导热硅胶片是常见的导热界面原材料之一,一般将其组装在机器人处理芯片与散热器或机壳中间。导热硅胶片具有高导热性、质地绵软、有延展性、压缩率等特点,因此可以密切迎合在芯片和散热器中间,增加换热效率。此外,导热硅胶片还有优良的绝缘性、使用方便、不易损耗等特点。

  除了传统的散热方式之外,目前也有科研机构在不断探索更加类人的散热机制,比如“排汗”。康奈尔大学的谢菲德研究团队开发了一种更利于柔性机器人的散热方式。由于柔性机器人很多部件都是由复合材料制成,其散热性能不如金属,而风扇灯内部散热技术占空间较大,重量也较大,因此,谢菲德发明了机器人的“排汗系统”。

  研究团队通过多材料立体光刻技术,发明机器人“排汗”所必须的纳米聚合物材料,该技术可以通过光将树脂类材料固化为设计好的形状。研究团队利用两种水凝胶材料开发制造了手指形状的驱动器,这种水凝胶具有蓄水功能,而且可以根据温度来调节水分,相当于一个“智能海绵”。当温度达到30摄氏度以上时,由水凝胶制成的驱动器底层会随着温度上升而收缩,从而将水挤压到顶层,顶层由聚丙烯酰胺支撑,密布着微米级的小孔,与地层相同,当温度高于30摄氏度时,为空会自动打开,开始“排汗”。该研究团队表示,该排汗系统可让驱动器表面在30秒之内下降21度,散热效率毕人体排汗系统高三倍,若由风扇灯外置风冷设备,其散热效率还可提升六倍。但该机器人也有一定的缺陷,即移动性较差,而且补水也是一个问题。

  机器人的电池主要有镍氢电池、锂电池、铅酸蓄电池三类。其中,镍氢电池主要用于成本控制严格,不需要大容量和大电流放电、安全性要求较高的玩具机器人、扫地机器人等领域。铅酸蓄电池技术较锂电池更为成熟,但由于比较笨重,移动不方便,基本用于不需要移动的机器人领域,由于污染较为严重,正在逐渐被锂电池取代。

  锂电池主要应用于智能服务机器人、娱乐经纪机器人、探险排爆等特种用途机器人领域。一般,对于成本不敏感的机器人,切要求电池较轻、可提供大电流放电、保障长使用寿命的机器人一般会选择聚合物锂电池,如竞技机器人、特种机器人。

  磷酸铁锂在不需要电池大电流放电、低温性能的AI服务机器人、工业较大型机器人领域应用较多。三元锂电池相比聚合物电池成本更低,且能量密度较磷酸铁锂电池更大,在机器人领域应用较为广泛,尤其是18650锂电池。

  从发展历史上看,几款较为知名人形机器人主要经历了外部供电、电池供电两个发展阶段。电池供电普遍采用锂电池组,其安装的位置最初普遍采用“背包”形式,后逐渐将电池内置。从续航时间上看,大部分双足的人形机器人的连续工作时间都在2小时以内。然而,根据我们的产业链调研,目前机器人的价格主要停留在展示和实验阶段,若实现大规模商业化,其续航时间应达到3-10个小时不等。

  目前,人形机器人普遍采用三元锂电池。相比汽车主要采用的磷酸铁锂电池,三元锂电池的电流密度更高。由于人形机器人需要在有限空间和体重情况下满足更大的动力续航。寿命方面,虽然三元锂电池的循环使用寿命不如磷酸铁锂电池,但目前已有多款消费级人形机器人,如Nao,Walker X均可实现电池的拆卸和组装,因此电池的更换已经可以实现。

  除了最基本的供电功能之外,人形机器人还要考虑到电池的配重问题,保证身体的平衡。以48千克的本田ASIMO机器人为例,其电池重量约为6kg,约为体重的1/8左右,优必选Walker X机器人的电池重量约为3.6kg,约为体重的5.7%。

  但前文提到,目前的几款知名人形机器人主要停留在展示和实验阶段,因此电池做到越轻量越好。而根据我们的产业链调研,若要实现大规模商业化,其带电量和续航可能有更高的要求,相对应地,一般电池重量应占到人形机器人重量的1/3左右。根据OFweek锂电网,目前磷酸铁锂电池的能量密度一般为150Wh/kg,三元电池的能密度约为200Wh/kg。假设特斯拉人形机器人体重56kg,电池重量占比1/3计算,则其锂电池重量约为18.7克,若采用三元锂电池,则带电量约为3.73Wh,续航时长在3.73-7.47小时,若采用磷酸铁锂电池,带电量约为2.8kWh,续航时间在2.8-5.6小时。

  此外,由于目前所有的人形机器人都是直流驱动,用48V、24V、12V的总线将电机、控制器串起来,通过电源分配器分配电流,因此,还要考虑电池的动态管理问题。有些人形机器人由于没有刹车,在电量耗尽的时候会倒下,因此当电量快要耗尽的时候需要预留一些余电在其中,以供机器人回到原位。

  对人形机器人销量的假设:关于人形机器人市场规模,我们认为可以参考特斯拉电动车的放量节奏。回溯历史,Model-S在2012年推出,2013年特斯拉电动车销量达到2.2万辆,2014年达到3.2万辆,2015年实现5.1万辆。随着2017年推出Model-3达到大规模生产,同时达到平价水平,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Model-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,其他科技企业跟进地会更快,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。

  这里,我们假设2023-2024年人形机器人对应特斯拉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。由于2015年全球纯电动车销量数据的确实,这里我们假设2025人形机器人的销量为30万台,2026-2030年对应2016年全球纯电动车销量。

  对人形机器人单价的假设:据观察者网报道,马斯卡在接受采访时表示,预计擎天柱量产后,其成本比汽车要更低,售价约为2.5万美元(约合人民币16.74万元)。这里我们假设2023年价格为25万元,每年降低2万元,到2027年价格降低至17万元。预计到2025年人形机器人市场规模将达到630亿元,到2030年达到3720亿元。

  对各个零部件市场规模的测算:按照前文提到的,减速器、伺服系统、控制器在人性机器人中的占比计算,可以分别测算出三个对应的市场规模,预计到2025年人形机器人减速器、伺服系统、控制器市场规模分别达到126亿元、95亿元、63亿元,到2030年,市场空间分别达到744亿元、558亿元、372亿元。

  对人形机器人电池市场规模的测算:根据我们的产业链调研,一般1kWh对应锂离子电池成本约为1800-2500元,根据前文我们测算,预计在三元锂电池解决方案下,特斯拉机器人的带电量约为3.73kWh,假设以成本加成定价,起初毛利率在100%,则预计2023年擎天柱对应电池单价约为1.6万元,假设此后每年价格下降10%。预计到2025年,人形机器人电池市场规模约为39亿元,到2030年约为167亿元。

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