2024年人形機器人行業(yè)深度報告：中美共振-人形機器人產(chǎn)業(yè)奇點到來

2024年人形機器人行業(yè)深度報告：中美共振_人形機器人產(chǎn)業(yè)奇點到來一、AI賦能機器人及Optimus進展成為雙主線1.1復(fù)盤：AI技術(shù)發(fā)展&產(chǎn)業(yè)巨頭加持&政策支持三重共振行情復(fù)盤：人形機器人從2022年二季度開始進入大眾視野，在多輪行情的交易與博弈中，產(chǎn)業(yè)趨勢的共識逐漸形成。1）2022年4月，馬斯克接受公開訪談，聲稱已在布局人形機器人，隨后產(chǎn)業(yè)鏈消息不斷，行情啟動。2022年6月3日馬斯克在推特預(yù)告，人形機器人原型機“擎天柱”（Optimus）可能在9月30日AIDAY發(fā)布，進一步帶動行情。2）8月中旬板塊達到高點后開始回調(diào)，參與者對AIDAY持觀望態(tài)度。9月30號AIDAY上展示的機器人無超預(yù)期表現(xiàn)，板塊繼續(xù)回調(diào)，之后經(jīng)歷3個月的盤整期，直到AI行情到來。3）2023年年初開始，由于ChatGPT3.5的推出，AI行業(yè)熱度攀升。人形機器人作為AI的終極應(yīng)用，在AI行情的輪動中震蕩上行。4）5月中旬特斯拉在股東大會上展示了人形機器人的最新進展，幾乎同一時間段，英偉達創(chuàng)始人黃仁勛在ITFWorld2023半導(dǎo)體大會上提出“具身智能”概念。受上述兩個事件催化，人形機器人率先由傳感器領(lǐng)漲，后輻射至整個板塊。5）在經(jīng)歷數(shù)月盤整期后，2023年10月絲杠走出獨立行情，但板塊內(nèi)的結(jié)構(gòu)性行情并未明顯拉升人形機器人指數(shù)。6）2023年底至2024年初，板塊跟隨大盤下行，隨后在超跌疊加特斯拉定點的預(yù)期中反彈。經(jīng)歷了多輪行情，我們認為人形機器人的產(chǎn)業(yè)趨勢逐漸得到認可，量產(chǎn)前夕大有可為。至今，機器人行業(yè)已呈現(xiàn)AI發(fā)展&產(chǎn)業(yè)巨頭&政策支撐三重共振特性，在產(chǎn)業(yè)起點積蓄力量。多模態(tài)大語言模型的出現(xiàn)，代表人形機器人“大腦”層面難題取得突破。同時2022年以來產(chǎn)業(yè)巨頭陸續(xù)入局，中、美等國政策支持也相繼推出，在三重共振下，人形機器人有望形成類似于汽車、智能手機的全球性產(chǎn)業(yè)鏈。第一：AI技術(shù)發(fā)展。通用人工智能大模型是實現(xiàn)“具身智能”的關(guān)鍵一環(huán)，近年人工智能快速發(fā)展，機器人裝上“大腦”成為可能。機器人的大腦需要解決解理、決策、執(zhí)行三個層面的問題，以ChatGPT3.5為代表多模態(tài)大語言模型解決了機器人理解人類語言和外部世界的問題；谷歌RT-1模型以圖片序列、自然語言指令作為輸入，是一種視覺語言模型（VLMs），展現(xiàn)了較強的泛化能力和魯棒性，主要解決了前兩個層面的問題；而谷歌RT-2模型則是基于視覺-語言-動作模型（VLA）的端到端模型，加入了動作模態(tài)，提高了機器人的泛化能力、涌現(xiàn)能力和策略的完成率。RT-2已經(jīng)足夠具身化，將機器人執(zhí)行層的感知、任務(wù)拆解、硬件驅(qū)動實現(xiàn)了AI化。第二：產(chǎn)業(yè)巨頭入局。自特斯拉機器人亮相以來，全球產(chǎn)業(yè)巨頭紛紛布局人形機器人領(lǐng)域。特斯拉作為行業(yè)引領(lǐng)者，于2022年9月30日舉辦的AIDAY上首次公開展示人形機器人；2023年年初，三星向本土機器人廠商RainbowRobotics投資590億韓元，約合人民幣3.19億元；2023年3月，OpenAI領(lǐng)投挪威機器人公司1XTechnologies；2023年5月，NVIDIA創(chuàng)始人黃仁勛表示下一波人工智能浪潮是具身智能（embodiedAI）；谷歌在推出有5620億參數(shù)的PalM-E模型后，其旗下AI團隊DeepMind在2023年6月20日展示了用于機器人的AI智能體RoboCat，并于7月發(fā)布機器人大模型RT-2；2024年3月，黃仁勛在機器人大會上公布其GR00T項目，推出人形機器人通用基礎(chǔ)模型ProjectGR00T和一款基于NVIDIAThor系統(tǒng)級芯片（SoC）的新型人形機器人計算平臺JetsonThor。第三：政策支持，中美共振。2022年以來國內(nèi)人形機器人相關(guān)政策頻出，北京、上海、深圳等地都出臺了推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展的地方性政策。2023年10月，工信部印發(fā)《人形機器人創(chuàng)新發(fā)展指導(dǎo)意見》，將人形機器人提升到與計算機、智能手機、新能源汽車同等的戰(zhàn)略高度，并表示人形機器人有望在2027年成為經(jīng)濟增長的新引擎。美國方面，2024年3月，美聯(lián)儲半年度貨幣政策提出，未來幾年美國可能快速采用人工智能和機器人等新技術(shù)，有望提高生產(chǎn)力增長速度。1.22024年多模態(tài)視覺語言模型與機器人的結(jié)合超大眾預(yù)期1.2.1機器人執(zhí)行層三大層面均已突破，未來重點在于軟硬件結(jié)合機器人執(zhí)行主要有三大層面：1）第一層：理解需求和環(huán)境，即通過傳感器等了解周圍環(huán)境，搞明白機器人所處的環(huán)境是室內(nèi)還是室外，整個廚房長什么樣，要拿的蔬菜是什么樣子等等；2）第二層：拆解任務(wù)和路徑規(guī)劃，即機器人明白任務(wù)以后，需要將任務(wù)拆解成哪幾步，并計劃好機器人應(yīng)該走多遠，機械臂和靈巧手該怎么動，每個地方用多大力度等；3）第三層：驅(qū)動硬件執(zhí)行任務(wù)，機器人將任務(wù)拆解完計劃好運動步驟以后，將規(guī)劃轉(zhuǎn)為機械指令給到驅(qū)動系統(tǒng)上，驅(qū)動系統(tǒng)確定完速度、動量等物理因素后，機器人開始執(zhí)行任務(wù)。ChatGPT解鎖了機器人新的范式，將人機交互簡單化，但以其為代表的大語言模型（LLM）只解決了機器人執(zhí)行層第一層部分通用性的問題，準(zhǔn)確性仍有待提升。隨著2023年Chatgpt大火，基于Transformer架構(gòu)的大語言模型逐步走進大眾視野，傳統(tǒng)的機器人驅(qū)動方式需要工程師將任務(wù)轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)代碼，運行過程中工程師需要不停的編寫新的代碼和規(guī)劃來糾正機器人的行為，該過程成本高昂并且效率低下。ChatGPT可以為機器人場景生成代碼，無需任何微調(diào)，就可以控制不同的機器人執(zhí)行各種任務(wù)，且參與人員不僅限定在技術(shù)人員，原本機器人需要通過編程告知所需的執(zhí)行任務(wù)，LLM取代了這個過程，使得人機交互成為更簡單的事情。通過將GPT-4整合到機器人Alter3中有效地連接LLM與Alter3的身體運動，通過程序代碼將人類行為的語言表達映射到機器人的身體上從而實現(xiàn)了直接控制。機器人應(yīng)用模型主要有兩大難點，缺乏大規(guī)模多樣化的數(shù)據(jù)和泛化能力。1）缺乏大規(guī)模和多樣化的機器人數(shù)據(jù)，模擬場景花費高效果一般，現(xiàn)實世界更加復(fù)雜多變，這限制了模型吸收廣泛的機器人經(jīng)驗的能力。對于機器人技術(shù)來說，數(shù)據(jù)收集尤其昂貴且具有挑戰(zhàn)性，因為數(shù)據(jù)集管理需要大量工程自主操作，或使用人類遠程操作收集演示。2）缺乏可表達的、可擴展的、足夠快的實時推理模型，這些模型可以從此類數(shù)據(jù)集中學(xué)習(xí)并有效地進行泛化。為了應(yīng)對以上難點，2022年底Google提出了多任務(wù)模型RT-1，突破了之前機器人的零泛化性能和解決了部分機器人訓(xùn)練數(shù)據(jù)集缺乏的問題。RT-1主要解決的是機器人執(zhí)行層的第二層問題，即任務(wù)拆解和任務(wù)實現(xiàn)路徑規(guī)劃。在RT-1大模型的加持下，機器人在可看見的任務(wù)、非可看見的任務(wù)、背景有干擾和遠景場景四個類別下都表現(xiàn)出遠高于基準(zhǔn)的泛化性和穩(wěn)健性，機器人執(zhí)行從未做過的任務(wù)的成功率大幅上升，即使在有干擾的場景下成功率也大幅上升。此外，研究人員還采用了不同型號的機器人進行來訓(xùn)練模型，若未來大模型能對不同的機器人進行預(yù)訓(xùn)練，那么將會形成機器人AI通用的訓(xùn)練集。2023年是人形機器人與各類大模型結(jié)合有較大突破的一年，從23年7月底GoogleDeepmind推出的RT-2模型，RT-2突破了機器人執(zhí)行層的第三層，即將硬件驅(qū)動執(zhí)行任務(wù)AI化。Googledeepmind研究團隊將動作（action）模態(tài)加入到VLM模型并經(jīng)歷多次訓(xùn)練后，該模型能夠解釋全新的命令，并通過執(zhí)行基本推斷來響應(yīng)客戶的要求，并將動作以文本token的形式表示，再將文本token分解為機器人動作，詳細的機器人動作完全取代過去模型輸出的對執(zhí)行層的的控制信號，形成閉環(huán)控制。在此之前的VLM大模型更多的是在機器人執(zhí)行層對第一、二層進行優(yōu)化，硬件執(zhí)行任務(wù)的驅(qū)動更多還是采用傳統(tǒng)控制論方法，RT-2的VLA所展現(xiàn)的是AI大模型控制機器人的可能性。人形機器人三大執(zhí)行層面均已打通，隨后2024年產(chǎn)業(yè)重點轉(zhuǎn)向大模型與機器人硬件上更好的融合。如斯坦福團隊于2024年初發(fā)布的炒菜機器人MobileALOHA，斯坦福機器人研究團隊核心解決了兩個問題：1）硬件端：打造了即插即用的全身遠程操控硬件和證明了復(fù)雜任務(wù)的高性能雙臂移動操作的可行性，這是機器人廣泛應(yīng)用于各種復(fù)雜場景的關(guān)鍵點；2）軟件端：MobileALOHA展示出了強大的模仿學(xué)習(xí)能力，機器人通過靜態(tài)ALOHA數(shù)據(jù)協(xié)同訓(xùn)練的模仿學(xué)習(xí)，可以學(xué)習(xí)各種精細復(fù)雜的任務(wù)，研究人員通過50次的示范可以把機器人的自主任務(wù)成功率提升到80%+，另外，用戶使用MobileALOHA遠程操控未見過的任務(wù)時，熟練度可以迅速接近專家級程度。MobileALOHA的硬件和軟件都已開源，預(yù)計斯坦福所展示的機器人在應(yīng)用場景的潛力在未來將會被快速復(fù)制。AI廠商下場助力機器人大模型與具身本體融合，開啟人形機器人智能新紀(jì)元。24年3月AI創(chuàng)新公司Figure推出了與OpenAI初步合作后的機器人Figure01，F(xiàn)igure01在與人類互動的過程中，展示了機器人強勁的感知、推理和認知能力，不再是生硬的軟硬件結(jié)合。英偉達的GTC2024大會上，英偉達推出了人形機器人基礎(chǔ)模型項目ProjectGR00T，為了給ProjectGR00T項目提供軟件支持，英偉達也對基于Omniverse平臺構(gòu)建的ISAACLab也進行了同步更新，允許開發(fā)者利用該平臺模擬機器人學(xué)習(xí)技能、與物理世界模擬互動，支持數(shù)千個機器人同步訓(xùn)練與模擬。24年4月，優(yōu)必選發(fā)布了其和百度文心大模型合作的機器人視頻，均在表示機器人與大模型融合已經(jīng)達到一個新高度。英偉達GTC2024大會表示，公司將致力于打造一個綜合性的AI平臺，該平臺包括生成式AI基礎(chǔ)模型和仿真工具，以及AI工作流基礎(chǔ)設(shè)施。在眾多人工智能廠家推出的大模型與具身智能形態(tài)結(jié)合的人形機器人中，英偉達推出的ProjectGR00T項目彰顯了當(dāng)前時代下AI廠商的另一種選擇。讓技術(shù)匯聚在一起，才能使全球領(lǐng)先的機器人專家在人工通用機器人領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)巨大飛躍。因此，英偉達致力于打造一個全方位軟硬件融合的AI平臺，讓世界領(lǐng)先的機器人企業(yè)包括但不限于1XTechnologies、AgilityRobotics、Apptronik、波士頓動力公司、FigureAI、傅利葉智能等均能在該平臺上進行機器人在任何環(huán)境下的任何任務(wù)進行學(xué)習(xí)和模擬。英偉達發(fā)布了全新的人形機器人計算平臺JetsonThor以及對機器人平臺Isaac平臺進行了重大升級，旨在推動人形機器人在具身智能上的發(fā)展。ProjectGR00T項目是一款人形機器人通用模型，GR00T驅(qū)動的機器人（代表通用機器人00技術(shù)）將能夠理解自然語言，并通過觀察人類行為來模仿動作——快速學(xué)習(xí)協(xié)調(diào)、靈活性和其它技能，以便導(dǎo)航、適應(yīng)現(xiàn)實世界并與之互動。為了該模型更好的發(fā)，英偉達還發(fā)布了一款基于NVIDIAThor系統(tǒng)級芯片（SoC）的新型人形機器人計算平臺JetsonThor，并對機器人平臺Isaac平臺進行了重大升級，其主要表現(xiàn)在：1）人形機器人計算平臺JetsonThor：是一個全新的計算平臺，能夠執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)、自然的和人機進行交互，主要針對于性能、功耗和尺寸的模塊化架構(gòu)。JetsonThor基于英偉達一款系統(tǒng)級的芯片SoC，該SoC帶有transformerengine下一代的GPU，采用Blackwell架構(gòu)，可以提供每秒800萬億次8位浮點運算AI性能，大大簡化了機器人模型的設(shè)計和集成工作。2）Isaac平臺的重大更新：機器人中最重要的一點能力是學(xué)習(xí)并仿真，GR00T使用的Isaac工具還能夠為在任何環(huán)境中的任何機器人創(chuàng)建新的基礎(chǔ)模型，包括用于強化學(xué)習(xí)的IsaacLab和用于計算編排服務(wù)的OSMO，IsaacLab是性能優(yōu)異、GPU加速的輕量化應(yīng)用，大大降低機器人數(shù)據(jù)訓(xùn)練模擬仿真的時間；OSMO在分布式環(huán)境中協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)生成、模型訓(xùn)練和軟硬件在環(huán)工作流，加速機器人內(nèi)部數(shù)據(jù)和硬件的融合。1.2.2機器人應(yīng)用于汽車裝配線已成行業(yè)共識，應(yīng)用落地可期汽車裝配線流水線工人未來高度短缺，人形機器人或大有可為。中國擁有全球規(guī)模最大、增長最快速的新能源電動汽車市場，對員工的需求非常大，目前中國數(shù)十家電動汽車企業(yè)員工超過150萬人，相較之下，底特律三大車企在全球的員工總數(shù)為61萬人。其中，以比亞迪為例，截止2022年底，其企業(yè)員工總數(shù)已達57萬人，其中生產(chǎn)人員占比接近80%，學(xué)歷為大專及以下的員工占比超80%，生產(chǎn)人員中多為流水線作業(yè)工人，在如今人口緊張和人口受教育程度普遍上移的情況下，可以預(yù)見在未來流水線工人是非常短缺的?？紤]到汽車裝配線上仍有大量重復(fù)性的工作，比如安裝汽車內(nèi)飾、貼車標(biāo)、給玻璃窗打膠等，普通的工業(yè)機器人無法像人一樣自由彎腰、下蹲來執(zhí)行一些裝配工作，相對而言人形機器人很適用于汽車制造。人形機器人進入汽車裝配線已成行業(yè)共識，寶馬工廠入駐Figure01標(biāo)志著人形機器人和制造業(yè)合作的開端。Tesla作為人形機器人領(lǐng)域的引領(lǐng)者，其中很重要的一個設(shè)想在于用機器人替代Tesla汽車工廠的流水線工人，為此，其他機器人廠商紛紛跟進。寶馬將Figure01入駐到位于美國卡羅來納州斯巴坦堡的工廠中，主要是將該機器人用于工廠的無聊處理、組裝輔助和質(zhì)量控制等方面，F(xiàn)igure01與工業(yè)機器人相比具備更靈活、更先進感應(yīng)能力和強大人工智能能力，F(xiàn)igure01的人形設(shè)計和強學(xué)習(xí)能力適合執(zhí)行多種任務(wù)，從組件組裝、品質(zhì)檢查到協(xié)助物流等，這標(biāo)志人形機器人在制造業(yè)合作的新時代開始。Apollo人形機器人引入梅賽德斯-奔馳車廠，優(yōu)必選引入蔚來電動汽車裝配線，各家車企紛紛與人形機器人合作試驗。梅賽德斯-奔馳希望減輕其工人的單調(diào)乏味、重復(fù)性任務(wù)和體力要求高的工作量，引入Apptronik的Apollo機器人，這款模塊化機器人是德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校衍生技術(shù)公司Apptronik開發(fā)的近12個機器人系統(tǒng)中的最新一個，Apollo機器人在該車間執(zhí)行的任務(wù)包括向工人運送組件和工具包、檢查零件等。優(yōu)必選發(fā)布的工業(yè)版本人形機器人WalkerS也進入到蔚來電動汽車裝配線上，進行貼車標(biāo)等一些更為高級的人工作業(yè)，人形機器人替代人類多次重復(fù)性勞動在即。1.3特斯拉工程化能力強，Optimus有望加快交付特斯拉人形機器人始于2021年，三年來迭代加快、進步明顯。在2021年8月特斯拉AIDAY，馬斯克先是公布了FSD模型、D1芯片、Dojo超算中心，之后，馬斯克展示了人形機器人TeslaBot概念。其身高172cm、體重56.7kg，當(dāng)時還只是概念，還沒有實物。但是，特斯拉的FSD模型+Dojo超算中心+D1芯片可以為汽車行業(yè)做配套的同時，也為人形機器人行業(yè)的數(shù)據(jù)采集訓(xùn)練提供所需要的模型和算力基礎(chǔ)設(shè)施，也就是說為人形機器人的“大腦”打下了基礎(chǔ)。一年后，在2022年9月特斯拉AIDAY，馬斯克正式發(fā)布了人形機器人OptimusGen-1的原型機（擎天柱），其重73公斤、身高172cm，當(dāng)時現(xiàn)場展示還電線外露、沒有外殼、走路需要人扶；視頻展示中呈現(xiàn)了行走、下蹲、抓取物體、澆花等動作。2023年3月-9月，特斯拉相繼發(fā)布了OptimusGen-1的相關(guān)視頻，其可以實現(xiàn)直立行走，手指關(guān)節(jié)抓取電動工具、螺絲，單腿站立做瑜伽，顏色分揀等任務(wù)。2023年12月特斯拉發(fā)布OptimusGen-2的視頻，相比于第一代Optimus人形機器人，第二代Optimus增加六維力傳感器、觸覺傳感器，進步明顯，速度快30%、重量減輕10kg。特斯拉OptimusGen-2相比于OptimusGen-1有明顯進步。從核心變化來看，主要是以下幾個方面：第一，每個手指都增加了觸覺感應(yīng)器，實現(xiàn)靈巧手的精細操作，單手11個自由度（我們預(yù)計是大拇指3個，其余2*4個）；第二，新增頸部兩個自由度；第三，腳部新增力/力矩傳感，新增腳趾鉸鏈結(jié)構(gòu)，腳上套了類似鞋子的裝置，防止鋁合金直接接觸地面；第四，機器人表面覆蓋智能表皮，感知溫度變化，加強與人的互動性；第五，步行速度更快，整體重量減輕。從硬件層面而言，具體如下：絲杠：特斯拉OptimusGen-2肩膀處由一個旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器和直線執(zhí)行器拼成一個L型的執(zhí)行器，預(yù)計絲杠使用的數(shù)量沒有變化，僅為結(jié)構(gòu)性變化。減速器：特斯拉OptimusGen-2增加了頸部的旋轉(zhuǎn)與仰俯自由度，共2個電機模組，預(yù)計為無刷電機+減速器的方案，因此減速器用量可能增加2個。特斯拉Optimus展示的第一代版本頸部無法運動，此次更新增加頸部自由度，提升了機器人的仿生特性，同時能增加視覺傳感器的廣角，提升視覺性能。電子皮膚：特斯拉OptimusGen-2全身覆蓋智能表皮（包括身體表面和鞋底），電子皮膚的覆蓋使得Optimus全身都具備觸感，與物理世界的接觸更加充分。傳感器：特斯拉OptimusGen-2的手部配備了全新高分辨率微型傳感器，所有的指尖都有觸覺感應(yīng)，可以處理雞蛋等需要精確力的物體。腳部新增力矩傳感器，考慮到Optimusgen-2腳部所需要承載的力和所處位置，我們認為六維力矩傳感器的可能性較大。二、硬件：機器人是AI與執(zhí)行器的結(jié)合以特斯拉Optimus為例，硬件投資機會集中于執(zhí)行器和傳感器。特斯拉Optimus總共40個執(zhí)行器，其中28個軀干執(zhí)行器，12個為指關(guān)節(jié)執(zhí)行器。在28個軀干執(zhí)行器中，14個為線性執(zhí)行器、14個為旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器。傳感器方面，主要包括視覺感知系統(tǒng)和觸覺感知系統(tǒng)。觸覺傳感器主要包括Mems傳感器、電子皮膚、力傳感器。視覺傳感器主要包括2D視覺方案、3D視覺方案，如特斯拉FSD采用的2D視覺方案，其獲取信息的中介為8個2D攝像頭，而國內(nèi)較多廠商采用了成本較高的3D視覺方案，但對機器人主機廠的算法要求相對寬松。此外，人形機器人還需要精度較高的編碼器來檢測電機轉(zhuǎn)子的位置和角度。2.1靈巧手：空心杯電機是最可靠動力源，傳動方案多樣靈巧手：具備高度靈活和精細控制能力的末端執(zhí)行器。從運動學(xué)觀點看，靈巧手通常需要滿足6個或以上的自由度。靈巧手的自由度是指機械系統(tǒng)能夠獨立運動的關(guān)節(jié)數(shù)量。根據(jù)自由度與驅(qū)動源數(shù)量，可將靈巧手分為全驅(qū)動和欠驅(qū)動兩大類。全驅(qū)動靈巧手驅(qū)動源的數(shù)量與被控制靈巧手的自由度數(shù)量相等，每個手指關(guān)節(jié)都有驅(qū)動器，使其能夠?qū)崿F(xiàn)主動控制。欠驅(qū)動靈巧手被控制的自由度多于驅(qū)動源的數(shù)目，缺少驅(qū)動源的部分進行耦合隨動。從運動學(xué)的觀點看，靈巧手需滿足兩個條件：1）指關(guān)節(jié)運動時能使物體產(chǎn)生任意運動；2）指關(guān)節(jié)固定時能完全限制物體的運動。按照運動學(xué)理論，滿足上述條件至少要3個手指，并需要6個或以上的自由度。靈巧手具有人手的部分外形特征和功能，其通過模擬人類運動、感知、控制等方面的仿生，實現(xiàn)對人手運動的模擬。作為人體最靈巧的部分之一，人手的自由度超過20個。而靈巧手的自由度則可以根據(jù)應(yīng)用需求和具體設(shè)計進行調(diào)整。部分靈巧手（如Shadowhand、Allegrohand等）的自由度與人手接近，即具有20個或以上的自由度。但即使自由度與人手相似，在高自由度導(dǎo)致的算法困難、操作中產(chǎn)生的大量接觸點等因素影響下，這些靈巧手也很難真正像人手一樣智能地處理各種任務(wù)?？傮w而言，雖然靈巧手在某些特定任務(wù)上可以模仿人手的靈巧程度，但目前的靈巧手還無法完全復(fù)制人手的復(fù)雜屬性和處理多任務(wù)的能力。多指靈巧手：多指多關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，最普遍的結(jié)構(gòu)為3-5個手指，且各手指均具有3個關(guān)節(jié)，手指關(guān)節(jié)的運動副都采用轉(zhuǎn)動副。多指靈巧手以人手的結(jié)構(gòu)和功能作為模仿對象，其研究的最終目標(biāo)是能夠像人手一樣對生產(chǎn)、生活乃至自然界中的各種物體進行穩(wěn)定并且靈活的抓持和操作。機器人多指靈巧手的研究始于20世紀(jì)70年代，一共經(jīng)歷了20世紀(jì)70年代—20世紀(jì)90年代、20世紀(jì)90年代—2010年和2010年至今三個階段。1）20世紀(jì)70年代—20世紀(jì)90年代是機器人多指靈巧手領(lǐng)域研究的初始階段，在這一階段中的三個典型代表分別是日本的Okada靈巧手、美國的Stanford/JPL靈巧手和Utah/MIT靈巧手。這三種靈巧手的研究為后續(xù)仿人型多指靈巧手研究建立了理論基礎(chǔ)。2）20世紀(jì)90年代—2010年，隨著嵌入式硬件的發(fā)展，多指靈巧手的研究進入了快速發(fā)展階段。這一階段的多指靈巧手具備更高的系統(tǒng)集成度和更豐富的感知能力。例如美國國家航空宇航局研制的用于國際空間站艙外作業(yè)的宇航員靈巧手Robonauthand，腱繩張力傳感器的加入使其運動控制更加準(zhǔn)確；德國宇航中心先后研制成功的DLR-I和DLR-Ⅱ靈巧手共集成25個傳感器，包括類似人工皮膚的觸覺傳感器、關(guān)節(jié)扭矩傳感器、位置傳感器和溫度傳感器等，使得靈巧手在靈活性和感知能力方面都有顯著提升；日本岐阜大學(xué)研制出Gifuhand，其突出特點在于分布式的觸覺傳感器，這提升了靈巧手對外界物體整體的觸覺感知，進而大幅提高了手抓持和操作的成功率。3）2010年至今，朝著簡化系統(tǒng)、提高魯棒性的方向發(fā)展。由于高度系統(tǒng)集成的靈巧手在具有靈活性和功能性優(yōu)勢的同時因復(fù)雜的系統(tǒng)而產(chǎn)生高額制造成本，系統(tǒng)的可靠性和易維護性也有所降低，因此多指靈巧手設(shè)計將簡化系統(tǒng)、提高魯棒性作為進一步發(fā)展的一個重要方向。欠驅(qū)動手能夠通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，以少于手指關(guān)節(jié)自由度的驅(qū)動器控制手的運動，以此降低整只手的系統(tǒng)復(fù)雜度，提高可靠性。自適應(yīng)靈巧手就是一種有效的欠驅(qū)動實現(xiàn)方式，它通過對操作對象的自主適用性包絡(luò)實現(xiàn)抓取。典型例子是立命館大學(xué)設(shè)計的RitsumeikanHand，它通過耦合走線實現(xiàn)了2個驅(qū)動器對15個關(guān)節(jié)的驅(qū)動。此外，HERIHand、SPRINGhand、Columbiahand、耶魯大學(xué)的欠驅(qū)動手等也都采用了適應(yīng)性欠驅(qū)動的結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)了穩(wěn)定的抓取。靈巧手的動力源：空心杯電機是最可靠方案。空心杯電機天然適配靈巧手，是目前性能最優(yōu)的電機方案。空心杯電機作為高效率的能量轉(zhuǎn)換裝置，優(yōu)點明顯：1）節(jié)能性：能量轉(zhuǎn)換效率高，其效率一般在70%以上，部分產(chǎn)品可達到90%以上，而普通鐵芯電機能量轉(zhuǎn)換效率在70%以下；2）控制特性：起動、制動迅速，響應(yīng)極快，在高速運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，可以方便地對轉(zhuǎn)速進行靈敏的調(diào)節(jié)；3）運行穩(wěn)定且十分可靠，轉(zhuǎn)速波動很小，能夠容易的控制在2%以內(nèi)；4）重量輕，體積?。嚎招谋妱訖C的能量密度大幅度提高，與同等功率的鐵芯電動機相比，其重量、體積減輕超過三分之一。由于空心杯電機具備小體積下快速響應(yīng)和高控制精度的特點，人形機器人靈巧手多以使用空心杯電機進行驅(qū)動。一般而言，終端客戶需要的是一整套完整的指關(guān)節(jié)執(zhí)行器而非單一電機，包括空心杯電機、二級微型行星齒輪以及驅(qū)動方案（包括電流環(huán)、位置環(huán)、速度環(huán)）。手指關(guān)節(jié)一般用10-13mm直徑的空心杯電機，小體積、高轉(zhuǎn)速要保證控制發(fā)熱、噪音、功率輸出穩(wěn)定并不容易。從未來空間來看，靈巧手用的空心杯電機將是機器人賽道較為確定的方案?？招谋姍C結(jié)構(gòu)特殊，其對制造水平有較高要求。從空心杯電機的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和下游需求來看，其繞組為自支撐式結(jié)構(gòu)，因此帶來一系列技術(shù)和制造難點。比如繞組結(jié)構(gòu)強度較低，軸向長度有較大限制，同時空心功率無法做大（通?？招谋姍C的最大功率僅有幾百瓦），而在諸如航空航天這種對重量、效率、體積有著極致追求的場合下，對電機的穩(wěn)定性、高效率、節(jié)能性、重量等都有非常高的要求。因此，空心杯電機制造商在權(quán)衡各方面因素后才能對產(chǎn)品設(shè)計進行生產(chǎn)并滿足各種不同行業(yè)需求，這必然會對企業(yè)的制造能力、制造水平有較高要求，這既是制造能力壁壘，也是技術(shù)壁壘。此外，對制造能力高要求必然帶來成本溢價，一般而言，不同類型的空心杯電機均價比普通的同功率甚至部分高功率的普通伺服電機價格更加昂貴?？招谋姍C制造的關(guān)鍵在于空心杯線圈的生產(chǎn)?？招谋姍C的一個核心技術(shù)在于電機繞組。導(dǎo)線粗細、繞組匝數(shù)的不同，使得繞組電阻值，啟動電流以及速度常數(shù)等電機參數(shù)存在較大的差異。電機繞組是電機的重要組成部分，繞組的質(zhì)量決定了空心杯電機的質(zhì)量，直接影響到電機可靠性和運行性能。目前生產(chǎn)技術(shù)按照線圈成形方式主要是分為兩種：1）繞卷式生產(chǎn)技術(shù)，將銅線繞制成菱形的空心線圈，然后將其壓扁，制成扁平的線板，最后再將線板卷繞成杯狀的線圈；2）一次成型生產(chǎn)技術(shù)，利用自動化繞線設(shè)備，通過實現(xiàn)其線圈纏繞運動，將線圈直接纏繞在芯軸上，完成整個線圈的全自動化生產(chǎn)。兩種方法相比較而言，第一種加工方式步驟繁瑣，加工周期較長，需要人員較多，勞動強度大。第二種方法，有助于縮減生產(chǎn)過程，提高生產(chǎn)效率，利于自動化生產(chǎn)，節(jié)省人力成本。目前我國的空心杯電機生產(chǎn)還是第一種加工方式為主，工人勞動強度大，廢品率較高，而且其受工藝自身的制約，生產(chǎn)線圈相對較小，很難用于生產(chǎn)大功率空心杯電機。此外，根據(jù)不同的線圈形狀以及纏繞方式，現(xiàn)在通用的繞制方法主要分為直繞形、馬鞍形（回字形）、斜繞形三種。直繞形一般應(yīng)用于匝數(shù)比較少的空心杯電機繞組。而斜繞形和馬鞍形是目前國外先進空心杯電機廠商較為常用的兩種線圈形式。靈巧手傳動：方案多樣，腱繩傳動是最具潛力方案。靈巧手的傳動方案主要有腱繩傳動、連桿傳動、齒輪傳動以及帶傳動。腱繩傳動：腱繩傳動是目前靈巧手研究中應(yīng)用最為廣泛的一種傳動方式，如目前量產(chǎn)的ShadowsHand即采用了這一傳動方式。腱繩在一定程度上模擬了人手的肌腱結(jié)構(gòu)，腱繩傳動使得大型的驅(qū)動器遠離了執(zhí)行機構(gòu)，減輕末端的負載和慣量，提升了抓取的速度，它排布靈活，適合空間狹小且需要驅(qū)動自由度數(shù)目較多的傳動場合。但它也有自身的局限性，如帶負載能力較弱，預(yù)緊力變化大，負載越大效率越低等。連桿傳動：連桿傳動多用于工業(yè)和商業(yè)用途，多個連桿串并聯(lián)混合的使用形式較為常見。手指的運動和動力由剛性連桿傳遞，能夠抓取大型的物體且結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊，可以完成包絡(luò)抓取。但是在遠距離的控制上就比較困難，容易發(fā)生彈射，抓取的空間較小。齒輪傳動：齒輪傳動在工業(yè)機器人中應(yīng)用比較廣泛，它能獲得穩(wěn)定的傳動比，傳遞效率高，可靠性更強。但齒輪本身的質(zhì)量加大了整體的質(zhì)量和慣性。帶傳動：帶傳動結(jié)構(gòu)簡單且傳動平穩(wěn)、可以起到緩沖作用，能在大的軸間距和多軸間傳遞動力，同時具有價格便宜、不需潤滑和維護便利等優(yōu)點。腱繩傳動靈巧手的傳動部件主要有兩種組合：腱繩+行星減速器（或諧波減速器，較少用）、腱繩+滑動絲杠（或滾珠絲杠，較少用）。腱繩傳動靈巧手的驅(qū)動模塊一般分為兩種，一種是電機加行星減速器（或諧波減速器，較少用），這種組合既可用于內(nèi)置式，也可用于外置式，即可直接傳動，又可以腱傳動；另一種是電機加滑動絲杠（或滾珠絲杠，較少用），將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動后傳出，通常用于外置式腱傳動。電機加絲杠對于驅(qū)動器后置于前臂中的情況更利于布置，提高空間利用率，同時具有自鎖功能，保持抓取姿勢時電機不必輸出力矩，可以節(jié)約能量，減少發(fā)熱。因此，在腱傳動系統(tǒng)中，核心傳動部件包括腱繩與行星減速器或絲杠。2.2旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器：減速器是核心，諧波仍為當(dāng)前主流方案旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器是機器人普遍采用的執(zhí)行器，適用在機器人關(guān)節(jié)處，核心是減速器。機器人軀干的執(zhí)行器通常有旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器和線性執(zhí)行器兩類，其中旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器的合作更為普遍，許多機器人本體甚至采用全旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器的方案。旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器位于機器人關(guān)節(jié)處，由電機+減速器等構(gòu)成，其中電機多采用無框力矩電機，減速器則存在不同方案的討論。特斯拉在AIDAY上展示了六種軀干執(zhí)行器，其中旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器分別有20Nm/110Nm/180Nm三種力矩等級，對應(yīng)小/中/大三種功率。常有的精密減速器有行星減速器、擺線針輪減速器、諧波減速器、RV減速器等，其中諧波減速器是人形機器人性能最優(yōu)的方案。常用的工業(yè)精密減速器有行星減速器、擺線針輪減速器、諧波減速器、RV減速器等，其中RV減速機由一個行星齒輪減速機的前級和一個擺線針輪減速機的后級組成，是在傳統(tǒng)針擺行星傳動的基礎(chǔ)上發(fā)展而來。工業(yè)機器人通常采用諧波減器（如6軸工業(yè)機器人第4、5、6關(guān)節(jié)）與RV減速器（如6軸工業(yè)機器人第1、2、3關(guān)節(jié)），而人形機器人通常采用諧波減速器與行星減速器。諧波減速器傳動比大、重量體積小，搭配力矩傳感器可以實現(xiàn)精確的力控，是性能更出色的方案，但成本較高；行星減速器傳動比較小，相同力矩要求下重量與體積均大于諧波減速器，這將限制其在人形機器人大部分關(guān)節(jié)的使用，但其傳動剛度較高，可適用于電機自帶的電流環(huán)力控，降低了傳動與力控環(huán)節(jié)的成本。諧波減速器由波發(fā)生器、柔輪和剛輪三大零部件組成。其通過柔輪變形產(chǎn)生的周期性波動來實現(xiàn)剛輪輪齒與柔輪輪齒之間的少齒差內(nèi)嚙合，從而完成運動與動力的傳遞。具體來說，當(dāng)波發(fā)生器裝入柔輪內(nèi)圓時，迫使柔輪產(chǎn)生彈性變形而呈橢圓狀，使其長軸處柔輪齒輪插入剛輪的輪齒槽內(nèi)，成為完全嚙合狀態(tài)，而短軸處兩輪輪齒完全不接觸，處于脫開狀態(tài)，當(dāng)波發(fā)生器連續(xù)轉(zhuǎn)動時，迫使柔輪不斷產(chǎn)生變形并產(chǎn)生了錯齒運動，從而實現(xiàn)波發(fā)生器與柔輪的運動傳遞。由于諧波減速器精度極高，因此其每一個環(huán)節(jié)都需要高水平的技術(shù)支持。1）柔輪：采用40Cr合金鋼制造，例如40CrMoNiA、40CrA，目前柔輪材料還依賴從國外進口；2）鋼輪：多采用球墨鑄鐵制造，能夠提供良好的韌性、耐磨性；3）波發(fā)生器：由柔性軸承與橢圓形凸輪組成，目前國內(nèi)諧波減速器廠商已經(jīng)開始加速軸承的國產(chǎn)化進程，以綠的諧波為例，其諧波減速器用軸承以自產(chǎn)為主，外購軸承主要為特定型號的深溝球軸承。從材料成本看，綠的諧波2019年鋼材\鋁材\軸承的成本占比分別為35.16/10.74/6.37%。諧波減速器應(yīng)用領(lǐng)域目前以各種機器人為主，此外還包括數(shù)控機床，半導(dǎo)體、光伏、醫(yī)療等其他設(shè)備領(lǐng)域。根據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，以全球減速機龍頭哈默納科為例，其2021年產(chǎn)品下游應(yīng)用占比中，工業(yè)機器人下游占比超50%，其余應(yīng)用領(lǐng)域相對比較分散，包括半導(dǎo)體制造設(shè)備、數(shù)控機床、電機制造商等其他行業(yè)。而根據(jù)綠的諧波2022年年報披露（見上文數(shù)據(jù)），其工業(yè)及服務(wù)機器人收入占比超80%。在國內(nèi)諧波減速器市場，哈默納克仍占主導(dǎo)地位，綠的諧波市場份額僅次于哈默納克。諧波傳動技術(shù)包括總體結(jié)構(gòu)、柔輪、剛輪、凸輪、柔性軸承、交叉滾子軸承、齒形、波發(fā)生器等多個分支，從專利申請數(shù)量的角度來看，總體結(jié)構(gòu)、波發(fā)生器等是諧波減速器技術(shù)的研發(fā)重點，哈默納克憑借多年技術(shù)積累，在諧波減速器領(lǐng)域長期保持領(lǐng)先地位。2022年，從我國諧波減速器市場份額看，哈默納科市場份額最大，占比38%，其次是綠的諧波市場份額為26%。目前，我國國產(chǎn)品牌在市場占有率不斷提升，國產(chǎn)諧波減速器已基本可以實現(xiàn)，在減速比、輸出轉(zhuǎn)速、傳動精度等當(dāng)面和海外品牌差距明顯縮小。2.3線性執(zhí)行器：行星滾柱絲杠和大功率密度電機是關(guān)鍵，設(shè)備國產(chǎn)化是絲杠大規(guī)模量產(chǎn)前提2.3.1行星滾柱絲杠和大功率密度電機更適合應(yīng)用于線性執(zhí)行器絲杠的工作原理：絲杠軸上有一個螺旋線，而螺母上則有與之相配合的螺旋槽，當(dāng)絲杠軸旋轉(zhuǎn)時，螺母便沿著絲杠軸的軸向方向移動，將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成線性運動。絲杠的種類：根據(jù)摩擦特性，絲杠可以分為滑動絲杠、滾動絲杠以及靜壓絲杠?；瑒咏z杠與滾動絲杠具有不同精度標(biāo)準(zhǔn)：1）滑動絲杠有4~9共6個等級，精度依次降低，其中4級最高，一般很少使用；5級用于精密儀器與精密機床，如坐標(biāo)鏜訂、螺紋磨床等；6級用于精密儀器、精密機床和數(shù)控機床；7級用于精密螺紋車床、齒輪加工機床及數(shù)控機床；8級用于一般機床，如臥式車床、銑床；9級用于刨床、鉆床及一般機床的進給機構(gòu)。2）滾動絲杠一般有6~7個精度等級，如在JIS標(biāo)準(zhǔn)中，滾珠絲杠精度等級分為C0、C1、C3、C5、C7、C10共6個等級，而國內(nèi)等級精度分為P1、P2、P3、P4、P5、P7、P10共7個等級?；瑒咏z杠：主要由絲桿、螺母、滑塊和導(dǎo)向裝置等組成。結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，常用于恒速傳動領(lǐng)域，如數(shù)控機床、注塑機、模壓機等。絲杠通過在螺母中旋轉(zhuǎn)來傳遞運動，螺母是與絲桿螺距相同的螺紋，與絲桿進行相對運動，滑塊與絲桿一起運動，將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，導(dǎo)向裝置用來支撐和引導(dǎo)滑塊沿著絲桿軸向方向移動。此外，還包括一些輔助部件，如潤滑系統(tǒng)、密封件等，用于保持絲杠的正常運行和防止外部環(huán)境對絲杠的影響?；瑒咏z杠的摩擦阻力較大，傳動效率較低，定位精度和軸向剛度較差。滾珠絲杠：由螺桿、螺母、滾珠和預(yù)壓片組成。螺紋軸表面刻有螺紋形狀的凹槽，用于放置滾珠，螺母是與螺紋軸配合使用的零件，內(nèi)部有與滾珠相匹配的導(dǎo)槽，滾珠位于螺紋軸和螺母之間，預(yù)壓片用于對滾珠施加預(yù)壓力，消除間隙并提高絲杠的剛度。反向器、防塵器用來保證滾珠絲杠的正常運行和防止外部環(huán)境對絲杠的影響。滾珠絲桿相比于普通的梯形絲桿，其在自鎖性、傳動速度、使用壽命、精度和傳動效率方面優(yōu)勢明顯。滾珠絲杠采用滾珠和鋼球等滾動體，不僅適用于更高速的運動，相對應(yīng)的機械損耗也較小，其線性運動精度要比滑動類型絲杠更高，并且在傳動精度穩(wěn)定性方面表現(xiàn)更出色，使用壽命更長。滾柱絲杠：由螺桿、行星滾柱、螺母組成，按照價值量占比來看。原理：絲杠是牙型角為90°的多頭螺紋，滾柱是具有相同牙型角的單頭螺紋，其牙型輪廓通常加工成球面，目的是提高承載能力、降低摩擦、提高效率。螺母是具有與絲杠相同頭數(shù)和牙型的內(nèi)螺紋。若干個滾柱沿絲杠圓周方向均勻分布，當(dāng)絲杠旋轉(zhuǎn)時，滾柱既繞著絲杠軸線公轉(zhuǎn)，又繞自身軸線自轉(zhuǎn)。滾柱與螺母具有相同的螺旋升角，與螺母嚙合時能夠確保純滾動并且沒有相對軸向位移。特點：滾柱絲杠在滿足精度的同時，承載能力大大加強，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工難度大和成本較高。滾柱絲杠采用滾柱作為滾動體，相比滾珠絲杠具有更大的接觸面積，能夠承受更大的負荷和沖擊，因此具有高剛性和高效率的特點。另外，制造精度和傳動精度都很高，能夠保證設(shè)備的精確定位和穩(wěn)定運動。與滾珠絲杠相比的優(yōu)勢：（1）滾柱與絲杠接觸半徑更大，且所有滾柱同時參與嚙合，接觸點多，比滾珠絲杠在相同絲杠直徑下承載能力提高6倍、相同負載下比滾珠絲杠節(jié)省1/3空間、壽命提高14倍、工作環(huán)境溫度范圍提高2倍。當(dāng)滾柱絲杠直徑為120mm時，其推力可達120t。（2）滾柱絲杠用滾動摩擦代替滑動摩擦，與滾珠絲杠傳動效率相當(dāng)，潤滑良好的情況下效率可達90%。（3）滾柱相對于螺母沒有軸向運動，因此具有加速、旋轉(zhuǎn)和減速的能力，轉(zhuǎn)速可達6000r/min，直線速度2m/s，加速度7000rad/s2，滾珠絲杠難以做到。（4）采用行星機構(gòu)控制滾柱運動，不需要滾動件循環(huán)裝置，且高速運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的振動噪聲較小。靜壓絲杠：由絲杠、螺母、液壓缸、油管、油泵以及控制閥等構(gòu)成。絲杠為外螺紋，螺母為內(nèi)螺紋，絲杠和螺母運動需要的壓力由液壓缸提供，油管用于傳輸液壓油，油泵為液壓系統(tǒng)提供動力，控制閥用于控制液壓油的流量和方向，從而控制絲杠和螺母的運動方向和速度。靜壓絲杠常應(yīng)用于精密機床及數(shù)控機床的進給機構(gòu)中，工作原理是通過液壓系統(tǒng)將壓力油進入到螺紋牙上的油腔內(nèi)，在接觸面上形成壓力油膜產(chǎn)生平衡液壓力，在螺母和螺桿之間有一層壓力油膜，使絲杠副與螺母不直接接觸，在壓力油膜上滑動，零件之間處于液體摩擦狀態(tài)。靜壓油膜位于靜壓螺母和精密絲杠之間，靜壓螺母和絲杠本身并不接觸，因此幾乎沒有磨損，具有很好的減震性和靜音性。靜壓絲杠的摩擦阻力很小，磨損小，效率高。其螺紋牙形與標(biāo)準(zhǔn)梯形螺紋牙形相同，目的在于獲得良好油封及提高承載能力，但是調(diào)整比較麻煩，而且需要一套液壓系統(tǒng)，工藝復(fù)雜，成本較高。在線性執(zhí)行器大導(dǎo)程、大負載、小體積、高速度的要求下，行星滾柱絲杠和大功率密度電機是破局關(guān)鍵。線性執(zhí)行器是特斯拉人形機器人的特色方案，主要由電機+絲杠組成，主要用于大臂、和下肢。特斯拉對于線性執(zhí)行器的要求主要是大導(dǎo)程、承載力足夠大、且體積小、反應(yīng)速度快。對于電機而言，要求電機在輸出功率不變的情況下，其重量更輕、體積更小、運行的效率更高，因此大功率密度電機更符合要求，但是工藝上仍需要解決大功率密度電機中存在的噪音大、效率低、溫度高等問題。對于絲杠而言，反向式行星滾柱絲杠負載更大、體積更小，更適合用于人形機器人。行星滾柱絲杠至今沒有被廣泛應(yīng)用，主要是由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工難度大和成本高，并且最主要的是之前市場需求也不大，但是人形機器人的量產(chǎn)有望給行星滾柱絲杠帶來巨大的市場增量。正向式行星滾柱絲杠的特點是長螺桿-短螺母外加螺旋滾道，通過滾柱在絲杠軸上的滾動實現(xiàn)直線運動。反向式行星滾柱絲杠的構(gòu)成為長螺母-短螺桿外加螺旋滾道，螺母作為主動件，由絲杠直線輸出，螺母比螺桿還要長。這種結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點是可將螺母作為電機的轉(zhuǎn)子實現(xiàn)電機和反向式行星滾柱絲杠的融合設(shè)計，可使人形機器人直線傳動結(jié)構(gòu)更加緊湊、重量更小。從產(chǎn)品性能上看，反向式行星滾柱絲杠表現(xiàn)出的高承載、耐沖擊、體積小、噪音低、高精度、長壽命的優(yōu)勢，契合人形機器人的要求。特斯拉人形機器人主要用反向式行星滾柱絲杠和梯型絲杠。絲杠將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，控制機器人的各個關(guān)節(jié)，從而實現(xiàn)位置調(diào)整、姿態(tài)控制和負載傳遞等功能。絲杠在人形機器人中主要作用是線性執(zhí)行器，具有較高的傳動效率和剛性，能夠提供大的力矩和負載承重能力，更好地模擬人體關(guān)節(jié)活動。在特斯拉人形機器人中，其線性執(zhí)行器就采用了反向式行星滾柱絲杠和梯形絲杠。使用數(shù)量：梯型絲杠通常用于機器人的手腕部位，每個手腕2個，即每個機器人4個。而行星滾柱絲杠主要用于機器人的大臂、大腿和小腿等部位，每側(cè)大臂1個、大腿2個、小腿2個，兩側(cè)合計就是10個。這些部位通常需要承受較大的負載，因此需要具備較高的剛性和傳動效率。行星滾柱絲杠通過絲杠與滾柱的齒輪嚙合來實現(xiàn)傳動，具有較高的承載能力和剛性，適用于大力矩傳遞和高負載環(huán)境。因此，1個機器人合計需要用到4個梯形絲杠和10個行星滾柱絲杠。價值量：就絲杠的價值量來看，梯型絲杠目前的價格約100元/副，行星滾柱絲杠的價格相對較高、需要進口，目前約為10000元/副。我們預(yù)計未來設(shè)備國產(chǎn)化、技術(shù)進步、疊加需求提升和規(guī)模效應(yīng)背景下，梯型絲杠價格有望降低至約50元/副，行星滾柱絲杠降低至約1000元/副。機器人有望帶來百億級絲杠增量需求。以特斯拉Optimus為例，其全身預(yù)計使用14個線性執(zhí)行器，則需要14個絲杠部件，假設(shè)未來單臺機器人絲杠量產(chǎn)均價為1000元，則單臺機器人絲杠價值量為1.4萬元。在100萬臺機器人銷量假設(shè)下，機器人絲杠市場空間將達140億元，機器人有望成為絲杠最大的應(yīng)用市場。2.3.2設(shè)備國產(chǎn)化是絲杠大規(guī)模量產(chǎn)的前提絲杠部件加工難度高，對設(shè)備要求高。絲杠制造難度大，這也是制約其國產(chǎn)化的重要因素之一。絲杠有淬硬絲杠和不淬硬絲杠兩種，前者的耐磨性較好，能較長時間保持加工精度，但加工工藝復(fù)雜，必須有高精度的螺紋磨床和專門的熱處理設(shè)備，而后者只需要精密絲杠車床。絲杠是細長柔性軸，剛性較差，結(jié)構(gòu)外形復(fù)雜，有很高的螺紋表面要求，還有階梯、溝槽等，所以，在加工過程中易出現(xiàn)變形，因此對加工工藝的要求很高。而螺母的內(nèi)螺紋要求與絲杠外螺紋精確匹配，對精度的要求同樣還很高。此外，高精度滾珠絲杠需要對螺紋、溝槽進行精磨加工，生產(chǎn)效率難以提高。行星滾柱絲杠由于具有更加復(fù)雜的空間形狀，加工難度一般比滾珠絲杠更高。加工難點：（1）對外圓和螺紋需要分多次加工，逐步減少切削量，從而逐步減少切削力和內(nèi)應(yīng)力，減少加工誤差，提高加工精度。（2）每次粗加工外圓及粗加工螺紋后都要進行時效處理，以便消除內(nèi)應(yīng)力。絲杠的精度要求越高，時效處理的次數(shù)也越多。（3）每次時效處理后都要重新打中心孔或修磨中心孔，以修止時效處理時產(chǎn)生的變形；并除去氧化皮等，使加工有可靠而精確的定位基面。（4）每次加工螺紋前，先加工絲杠外圓（切削量很小），然后以絲杠外圓和兩端中心孔作為定位基面加工螺紋，逐步提高螺紋加工精度。絲杠加工工藝類型：（1）冷軋：優(yōu)勢是簡單，步驟短，但是采用冷加工工藝、用模具壓出，精度偏低，僅能達到P7級別，因此一般不滿足人形機器人絲杠的要求。（2）旋風(fēng)銑：旋風(fēng)銑是刀盤帶動刀具作高速旋轉(zhuǎn)運動，工件緩慢軸向進入，刀具作徑向深入切削。優(yōu)點是生產(chǎn)效率高，并能達到一定的精度（P3級，截形輪廓精度±5μm，圓柱度5μm，表面粗糙度值Ra=0.4μm）。對應(yīng)的設(shè)備為旋風(fēng)銑床。（3）硬車：又稱之為以車代磨，其采用螺紋滾道硬車削技術(shù)，生產(chǎn)速度快、加工效率高，但是精度沒有磨床的精度高。對應(yīng)的設(shè)備為車床。（4）砂輪磨削：以先車后磨的方式進行加工制造生產(chǎn)，先把原材料車削到一定精度，再用專用絲桿磨床先粗磨再精磨到所需要的尺寸。這種加工方式優(yōu)點是精度高，可以達到P1級別，足以滿足人形機器人的精度需要。梯形絲杠制造流程大致分為“冷拔→滾花→銑絲→校正→鉆孔→切斷→倒角”，采用旋風(fēng)銑削絲杠設(shè)備，解決以往車削加工工藝產(chǎn)生的問題。梯形絲杠開始采用車削加工，工藝路線包括“冷拔→滾花→車螺紋→校正→鉆孔→切斷→倒角”，但是這種加工方式效率低下、成本高。并且由于小圓鋼剛度低，車削、滾花時容易變形，不能生產(chǎn)小號螺輪。為此旋風(fēng)銑削絲杠設(shè)備被設(shè)計出來，不僅可以提高轉(zhuǎn)速，還能夠?qū)娊z、滾花一次完成。改進后的工藝減小了表面粗糙度，減少由切削力引起的震動，但是增加了小徑工件螺距累積誤差（大徑工件變形較?。?。滾珠絲杠生產(chǎn)工序：螺母和螺桿各需要15道工序，核心決定精度的工序階段為精磨，對應(yīng)設(shè)備為螺紋磨床，而滾珠一般為外采的標(biāo)準(zhǔn)件。滾珠絲杠的加工難度高于梯形絲杠，機械加工工藝一般包括切削加工（精車，半精車外圓、螺紋）-熱處理-磨削加工（精磨，半精磨外圓、螺紋）等。行星滾柱絲杠的制造：核心難點在于螺母內(nèi)螺紋加工，對應(yīng)的核心設(shè)備為螺紋磨床。反向式行星滾柱絲杠的螺母很長、還是內(nèi)螺紋，加工時還需要有一個螺旋升角，砂輪伸進去磨，精度很難控制。因為砂輪是單邊支撐，螺母越長，砂輪就越要往里面走，砂輪伸得越長、抖動越厲害，對剛性的要求也就越高，很細微的抖動，那么誤差都達到微米級別，所以螺母越長，其精度越難控制。反向式行星滾柱絲杠與其他類型的絲杠差別很大，因此需要定制化的專機磨床。從加工上看，由于行星滾柱絲杠依靠零件間的螺紋嚙合實現(xiàn)傳動功能，其螺紋的加工精度將直接影響系統(tǒng)的傳動精度、使用壽命、與平穩(wěn)性，而磨削是高精度絲杠螺紋的主要加工方法，磨削的實質(zhì)是砂輪的表面有很多磨粒劃擦、刻劃和切削工件表面，使用螺紋磨床高速旋轉(zhuǎn)的成型砂輪對加工工件表面進行高速磨削，因此，高精度磨床設(shè)備成為了行星滾柱絲杠加工生產(chǎn)的核心要素。進口絲杠價格高、海外加工設(shè)備價格高&交付周期長，因此設(shè)備國產(chǎn)化是必然趨勢。行星滾柱絲杠價格高、制作難度大，此前需求不大，一般為進口。但是進口價格目前為1+萬元/副，成本高昂，難以滿足人形機器人量產(chǎn)的成本要求，因此國內(nèi)企業(yè)紛紛希望自行生產(chǎn)行星滾柱絲杠。然而，國內(nèi)企業(yè)自行生產(chǎn)，需要進口相關(guān)的螺紋磨床，海外螺紋磨床價格非常高，一般為100-200萬歐元/臺，并且是定制化磨床。一開始量不大、又是定制，國外企業(yè)產(chǎn)能有限，供貨的意愿不強。此外，國外廠家的銷售模式是以銷定產(chǎn)，客戶下單后，通常需要2年以后才能拿到設(shè)備，生產(chǎn)交付周期很長，未來很難滿足人形機器人的量產(chǎn)需求。國內(nèi)多廠家發(fā)力螺紋磨床，國產(chǎn)化進程有望加速。從螺紋磨床競爭格局上看，歐美、日本的廠家全球領(lǐng)先。國外螺紋磨床主要廠商包括：日本三井、德國克林貝格、瑞士斯圖特、英國麥屈克斯和霍羅德、美國德拉克等；國內(nèi)具備絲杠加工能力的廠商包括：浙海德曼、秦川機床、日發(fā)精機、華辰裝備等。相比國外廠商，在高端螺紋磨床產(chǎn)品上仍存在較大差距，在絲杠前道生產(chǎn)設(shè)備中，國內(nèi)技術(shù)已趨于成熟，后道核心設(shè)備即數(shù)控螺紋磨床國產(chǎn)化率低，生產(chǎn)高端絲杠所用的高精度螺紋磨床基本完全依賴進口。國內(nèi)磨床與國外磨床的差距主要體現(xiàn)在組裝精度、數(shù)控系統(tǒng)以及加工經(jīng)驗等方面。目前國內(nèi)磨床技術(shù)持續(xù)突破，多家廠商與下游客戶進行密切技術(shù)交流，在螺紋磨床技術(shù)上持續(xù)研發(fā)。螺紋磨床空間測算：人形機器人有望帶來近百億的高精度螺紋磨床增量需求。我們對人形機器人帶來的高精度磨床的市場增量進行測算，假設(shè)單臺機器人需要行星滾柱絲杠10套，行星滾柱絲杠三個主要部件螺母、螺桿、滾柱（一般一套為6-8根）需要內(nèi)螺紋磨床、外螺紋磨床、外圓磨床、內(nèi)圓磨床等4種不同類型的磨床，各磨床之間難以通用，假設(shè)該4種磨床合計每天生產(chǎn)行星滾柱絲杠數(shù)量為25套，一年有效工作天數(shù)為300天，平均單臺磨床價值量按150萬元計算，預(yù)計100萬臺人形機器人將帶來80億的高精度磨床設(shè)備需求增量。2.4傳感器是人形機器人與AI結(jié)合的關(guān)鍵之一2.4.1機器人了解周圍環(huán)境需要廣泛的信息，傳感器是重要的“中介”傳感器是指將收集到的信息轉(zhuǎn)換成機器人能處理的電信號或其他信號的元件/裝置。人類會將視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等獲得信息傳遞給大腦，大腦進行處理以后人類會做出相對應(yīng)的反應(yīng)，人形機器人作為具身智能的終端形態(tài)，重點在于仿生，機器人了解周圍的世界需要廣泛的信息，傳感器則用于估計機器人的狀態(tài)和環(huán)境，根據(jù)傳感器獲得的信號進行控制或處理，最后反饋出正確的任務(wù)路徑。對應(yīng)著人類的視覺、聽覺、嗅覺、觸覺等，機器人的傳感器就是機器人的“五官”，對應(yīng)的傳感器也分為觸覺傳感器、視覺傳感器、距離傳感器等，傳感器助力機器人增加更多智能意識。2.4.2力/力矩傳感器：機器人常用應(yīng)變式六維，制造工藝難度大力傳感器有壓力、稱重、扭矩等類型，通過荷電效應(yīng)和磁場效應(yīng)將力轉(zhuǎn)換為電信號。力是引起物質(zhì)運動變化的直接原因，力傳感器是將力的量值轉(zhuǎn)換為電信號的器件，可以檢測張力、拉力、壓力、重量、扭矩、應(yīng)變等力學(xué)量，廣泛應(yīng)用于制造業(yè)自動化、航天航空、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。根據(jù)其測量的力的類型不同，可以分為扭矩傳感器、稱重傳感器、拉力傳感器和壓力傳感器。力傳感器工作的原理主要基于荷電效應(yīng)和電磁感應(yīng)效應(yīng)，當(dāng)力傳感器受到力的作用是，內(nèi)部的電荷/磁場會產(chǎn)生相應(yīng)的變化，從而產(chǎn)生電信號。按測量力的緯度劃分，力傳感器可以分為一維、三維和六維力傳感器，二維和五維的力傳感器較少。力的方向和作用點決定該用幾維的力傳感器測量：1）如果力的方向和作用點固定且和一維力傳感器的標(biāo)定坐標(biāo)軸一致，那么一維傳感器就能對其精確測量；2）如果力的方向隨機變化，力的作用點保持不變且與傳感器的標(biāo)定參考點重合，那么三維力傳感器能完成任務(wù)，可以同時測量F的分力Fx、Fy、Fz；3）如果力的方向和作用點都在三維空間內(nèi)隨機變化，那么空間中任意的作用點力可以分解為沿標(biāo)定坐標(biāo)軸的三方向分力和繞標(biāo)定坐標(biāo)軸的三方向力矩（作用力使物體繞著轉(zhuǎn)動軸或支點轉(zhuǎn)動的趨向），則需要使用六維力傳感器來測量Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz六個分量。不同緯度的力傳感器適用于不同的場景，機器人多用六維力（力矩、六軸力）傳感器。如果力的作用點離傳感器的標(biāo)定參考點很近且方向不變，對測量精度也要求不高的話，那么三維力傳感器就可以達到要求；如果力的作用點離傳感器標(biāo)定參考點較遠且力的方向隨機變化，對測量精度要求較高的情況下，通常需要使用六維力傳感器。機器人力傳感器距離力的作用點中間通常會有執(zhí)行機構(gòu)，那么力的作用點通常力傳感器標(biāo)定參考點較遠且方向隨機變化，精度也要求較高（六維力傳感器的內(nèi)部算法會解耦各方向力和力矩間的干擾，使力的測量更為精準(zhǔn)），所以機器人場景中我們通常使用六維力傳感器。六維力傳感器在人形機器人的市場規(guī)?？蛇_千億，空間巨大。目前市場上通常說六維力傳感器是指應(yīng)變式力矩傳感器，價格較高，我們基于以下假設(shè)對人形機器人中六維力傳感器的市場空間進行測算：1）假設(shè)人形機器人隨著產(chǎn)業(yè)化的推進量產(chǎn)數(shù)量逐步增加；2）假設(shè)目前應(yīng)變式六維力傳感器均價約1萬/個，未來隨著產(chǎn)品數(shù)量的增加逐步降價，但最終降價的幅度有限；3）假設(shè)單臺人形機器人至少需要4個六維力傳感器。測算所得，人形機器人量產(chǎn)數(shù)量為100萬臺時，六維力傳感器市場空間可達320億元，人形機器人量產(chǎn)數(shù)量達500萬臺時，六維力傳感器市場空間高達1200億元。根據(jù)感力器件的不同，六維力傳感器可以分為應(yīng)變式（電阻式）、光學(xué)式和電容/壓電式力矩傳感器。六維力傳感器通常由彈性體、應(yīng)變片、電橋、信號調(diào)理器和輸出接口等組成，其中彈性體和應(yīng)變片是核心器件，當(dāng)力輸入后，彈性體將物體受到的力和力矩轉(zhuǎn)化為應(yīng)變，應(yīng)變片再檢測彈性體的應(yīng)變情況，電橋再將應(yīng)變片的信號轉(zhuǎn)化為電信號，信號調(diào)理器再對電信號進行處理最后通過輸出接口輸出。不同類型的六維力傳感器其中應(yīng)變片對應(yīng)的材料不同：1）應(yīng)變力式力扭矩傳感器：應(yīng)變片采用的硅應(yīng)變片或金屬箔，應(yīng)變片被貼在彈性體上，當(dāng)力矩傳感器受力時，硅應(yīng)變片或金屬箔形變被測量轉(zhuǎn)換成電信號，再通過算法計算成需被計量的數(shù)值。該類力矩傳感器采用了粘接應(yīng)變片和可變形板，制造工藝較為復(fù)雜，成本較高。但其有較高分辨率且可以承受極端載荷，據(jù)Robotous，目前市場份額占比80%以上。2）光學(xué)式力扭矩傳感器：據(jù)Robotous，光學(xué)式力扭矩傳感器市場份額最低，平常較難找到。傳感器受到力作用時，光學(xué)傳感器測量光強度變化，將光柵欄變化的信號轉(zhuǎn)化為電信號。該類傳感器制造工藝和水平適中，光信號受點噪聲影響較小，具有較高穩(wěn)定性，但它不能承受重載荷，實際使用較少。3）電容/壓電式力矩傳感器：壓電式力矩傳感器是通過壓電材料的形變產(chǎn)生靜電電荷/電壓變化從而產(chǎn)生電信號；電容式力矩傳感器則是采用非接觸式傳感結(jié)構(gòu)，應(yīng)變片是非接觸式電極，傳感器受力產(chǎn)生電容差而計算力的具體量值。該類傳感器制造工藝最簡單，成本最低，但由于數(shù)據(jù)具有較高的非線性，對處理數(shù)據(jù)的算法要求較高。六維力傳感器核心壁壘在于非線性、遲滯性、重復(fù)性、溫度等其他影響，國內(nèi)外仍有一定差距。六維力傳感器生產(chǎn)商第一梯隊目前仍以國外廠商如美國Vishay、德國HBM和日本NMB為主，第二梯隊才是國內(nèi)廠商如柯力傳感等公司，國內(nèi)外發(fā)展差距較大的原因主要是六維力傳感器的制造工業(yè)難度較高，具體表現(xiàn)在：1）現(xiàn)六維力/力矩傳感器技術(shù)開發(fā)和工藝成本的平衡并不統(tǒng)一；2）應(yīng)變片材料配方較難；3）應(yīng)變片如何貼到彈性體上難度較高；4）六維力信號的解耦解算難度較高，這種是解耦解算非線性的，但敏感元件+溫度響應(yīng)問題會加劇非線性問題；5）傳感器之間會有應(yīng)變片以外的形變問題如漂移等會影響精度。2.4.3觸覺傳感器：帕西尼多位觸覺傳感器引領(lǐng)潮流帕西尼研發(fā)技術(shù)優(yōu)秀，其核心產(chǎn)品維觸覺傳感器PX-6AX引領(lǐng)觸覺傳感器潮流。帕西尼成立于2021年，公司創(chuàng)始團隊最早來源于早稻田大學(xué)，其發(fā)布的多維觸覺傳感器PX-6AX解決了機器人行業(yè)中一個比較重要的問題，即早期機器人難以放量的問題之一在于沒有很好的觸覺系統(tǒng)，類比人類的五官，觸覺沒有具體的量化指標(biāo)，是摩擦度、溫度、厚度等各種因素的結(jié)合，觸覺由于物理量過多難以解耦，機器人觸覺精度提高存在較大難度。帕西尼針對該難點，發(fā)布的多維觸覺傳感器PX-6AX可以貼合人類的觸感，其傳感器精度可以做到1%，可賦予機器人如同人體般靈敏的多緯度觸覺感知能力，使機器人快速適應(yīng)不同環(huán)境，在數(shù)億個崗位上輔助人類去完成各類基礎(chǔ)或繁雜的勞動，引領(lǐng)下一代行業(yè)變革。PX-6AX其柔性陣列上亞毫米級別的微小形變場能被瞬間捕捉，同時還能為機器人提供滑動、摩擦、紋理、溫度等額外信息，讓機器人擁有媲美人類的靈動豐富觸覺。作為人類最重要的感官知覺——觸覺，幾乎承擔(dān)了全部的人體與物理世界交互的通道，這也包含了人類日常基礎(chǔ)勞動的所有場景，多維觸覺傳感器PX-6AX性能優(yōu)異：1）可以測量15中多維觸覺感知，如壓覺、力覺、滑覺等多種物理量；2）與目前市場上大多數(shù)觸覺傳感器不同，PX-6AX可以測量單/三軸受力；3）擁有多行業(yè)、多材質(zhì)海量觸感數(shù)據(jù)；4）具有超高分辨率，采樣頻率最高可達1000Hz，精度可達0.01N；5）使用頻次可以達到300萬次工業(yè)級壽命。多維觸覺傳感器PX-6AX采用陣列式方案，在傳統(tǒng)三維/六維的基礎(chǔ)上還能提供額外的溫度、紋理等信息。能捕捉接觸面上亞毫米級別的微小變形，賦予機器人豐富的觸覺感知能力。在傳統(tǒng)三維/六維力檢測的基礎(chǔ)上，安裝在PX-6AX上的柔性傳感陣列能額外為機器人提供滑動、摩擦、紋理、溫度等額外信息，使用壽命達到300萬次，使得機器人能在更豐富多元的場景下完美感知，完成復(fù)雜的自適應(yīng)動作。傳感器上布滿多個按壓點，可以靈敏感應(yīng)外部的壓力等觸感，并快速將多種物理量聯(lián)合解耦，將充分有望推動機器人量產(chǎn)。2.4.4電子皮膚：或為機器人觸覺終局形態(tài)，目前發(fā)展最成熟的為壓阻式電子皮膚是柔性傳感器最不可忽視的應(yīng)用，柔性電子是機器人的“皮膚”。傳統(tǒng)的傳感器因其硬度和剛性，無法應(yīng)用在比如在人形機器人表皮、醫(yī)療等領(lǐng)域，柔性傳感器是指柔性材料制成的傳感器，具有良好的柔韌性、延展性、可以一定程度的自由彎曲，按功能可分為柔性壓力、氣體、溫度等，按感應(yīng)元件的不同可以分為柔性電阻式、電容式等類型。其中，電子皮膚是柔性電子應(yīng)用中最不可忽視的種類，電子皮膚像人體皮膚一樣柔軟，用于機器人中可幫助機器人獲取環(huán)境中和本體中的物理化學(xué)信號，提升本體與環(huán)境的交互能力。電子皮膚多功能化是必然趨勢，甚至功能需遠超生物性皮膚。電子皮膚是一種新型可穿戴柔性仿生觸覺傳感器，可作為機器人的觸覺系統(tǒng)，電子皮膚可以被加工成各種形狀，附著在機器人表面，可以讓機器人感知到外部交互信息，讓機器人更加智能。類比人類的生物皮膚，具備感受不同類型的壓力、溫度與熱量、空氣水流和痛覺等，電子皮膚作為機器人的皮膚，除了具備生物皮膚所具備的功能以外，甚至還需要具備生物皮膚所沒有的功能如感受超聲波、紅外、聲吶等。此外，電子皮膚還具有高靈敏、精度高等特點。據(jù)華經(jīng)情報產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)測，全球柔性電子2025年市場規(guī)?？蛇_3049.4億美元。近年來隨著人形機器人、仿生學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，可