計(jì)算機(jī)-關(guān)注人形機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展_第1頁
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文檔簡介

1告計(jì)算機(jī)告計(jì)算機(jī)華泰研究專題研究增增持(維持)計(jì)算機(jī)擎天柱原型機(jī)器人發(fā)布,關(guān)注人形機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)迭代2022年10月1日,馬斯克在特斯拉人工智能日上發(fā)布“擎天柱(Optimus)”原型機(jī),從電源系統(tǒng)、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等多個(gè)角度進(jìn)行了展示。本報(bào)告將聚焦原型機(jī)的電源和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),分析電源的參數(shù)特點(diǎn),并對驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路、評估優(yōu)化算法、共性分類理念進(jìn)行解析。通過與其他人形機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)比較,我們認(rèn)為,以特斯拉驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高自由度為契機(jī),有望推動(dòng)人形機(jī)器人行業(yè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)一步迭代發(fā)展。電源模組:或直接采用特斯拉汽車電池“擎天柱”軀體中央內(nèi)置有2.3kWh的電池組,工作電壓為52V,能支持人形機(jī)器人工作一整天。該電池組基于特斯拉汽車和能源產(chǎn)品技術(shù)積累,在單PCB板上集成了所有電池相關(guān)電子器件,覆蓋電力感知、充電管理和功率分布等功能。特斯拉未公布使用的電池情況,但從效果圖來看,或采用自研的4680電池。該電池有無極耳、硅負(fù)極、無鈷等技術(shù)加持,預(yù)計(jì)在2022年底前實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。同時(shí),為了適應(yīng)未來機(jī)器人電源模組擴(kuò)大、工作功率提高等需求,特斯拉或?qū)⑵湓诔売?jì)算機(jī)DOJO中研發(fā)的電壓調(diào)節(jié)模塊用于機(jī)器人電源系統(tǒng)中,解決熱膨脹導(dǎo)致的電池模組形變問題?;谠u估優(yōu)化與共性分類的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)擎天柱直接借鑒了特斯拉汽車的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì),基于評估優(yōu)化的方法確定了全身28個(gè)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)參數(shù)。為實(shí)現(xiàn)低成本量產(chǎn),特斯拉通過共性分性驅(qū)動(dòng)器。其中,旋轉(zhuǎn)式驅(qū)動(dòng)器基于無框力矩電機(jī)+諧波減速器,規(guī)格為20Nm/110Nm/180Nm和0.55kg/1.62kg/2.26kg,采用無框電機(jī)+諧波減速器方案,配備輸入、輸出位置傳感器和非接觸式力矩傳感器;線性驅(qū)動(dòng)器規(guī)格為500N/3900N/8000N和0.36kg/0.93kg/2.20kg,基于無框電機(jī)+行星絲杠方案,配備了位置傳感器以及力傳感器。機(jī)器人驅(qū)動(dòng):電機(jī)驅(qū)動(dòng)的多自由度人形機(jī)器人是行業(yè)主流本田ASIMO機(jī)器人是典型的電機(jī)驅(qū)動(dòng)人形機(jī)器人,全身自由度高達(dá)57個(gè),能夠完成“開杯蓋、倒水”等精細(xì)動(dòng)作;波士頓動(dòng)力的Atlas機(jī)器人是高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)機(jī)器人的代表,采用單位能量輸出密度水平更高的液壓驅(qū)動(dòng),可通過3D打印技術(shù)進(jìn)一步減少部件體積,強(qiáng)化運(yùn)動(dòng)能力,但手部自由度欠缺,無法完成精細(xì)動(dòng)作;小米CyberOne形態(tài)酷似特斯拉機(jī)器人,同樣采用電機(jī)驅(qū)動(dòng),關(guān)節(jié)最大峰值扭矩300Nm,全身自由度21,但手部自由度欠佳;優(yōu)必選Walkerx由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),全身自由度高達(dá)41,參數(shù)方面與擎天柱十分接近,但2小時(shí)的續(xù)航能力較為一般。低成本實(shí)現(xiàn)了高自由度驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),靈活度有望加速提升與其他人形機(jī)器人相比,擎天柱突出優(yōu)勢在于成本低、可量產(chǎn)。比較看,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方面,擎天柱全身自由度約為50,已處于行業(yè)上游水平;電源方面,目前可支持機(jī)器人一整天的運(yùn)作;運(yùn)用場景方面,以工廠、物流和家居工作環(huán)境為主,對高動(dòng)態(tài)運(yùn)用需求不大。除優(yōu)必選Walkerx同樣以低成本量產(chǎn)為目標(biāo)外,特斯拉機(jī)器人具有較為明顯的成本優(yōu)勢和明確的使用場景。風(fēng)險(xiǎn)提示:技術(shù)進(jìn)步不及預(yù)期,下游需求不及預(yù)期,經(jīng)濟(jì)弱復(fù)蘇不及預(yù)期疊加疫情影響。本報(bào)告中涉及的公司/個(gè)股內(nèi)容系公開信息整理,不代表本研究團(tuán)隊(duì)對該公司或股票的推薦或覆蓋。研究員SACNo.S0570519080006SFCNo.BQZ938聯(lián)系人SACNo.S0570122080053春生xiechunsheng@+(86)2129872036yuanzeshi@+(86)2128972228行業(yè)走勢圖計(jì)算機(jī)滬深300(%)(1)(12)(22)(33)Oct-21Feb-22Jun-22Sep-22資料來源:Wind,華泰研究基于2022年10月1日特斯拉在人工智能日上發(fā)布的“擎天柱(Optimus)”原型機(jī)情況,我們認(rèn)為,現(xiàn)階段特斯拉的人形機(jī)器人具有以下特點(diǎn):特點(diǎn)#1:設(shè)計(jì)思路服務(wù)于大規(guī)模量產(chǎn)。馬斯克在2022年10月1日的人工智能日的演講中宣布,2萬美元以內(nèi)的量產(chǎn)價(jià)格是特斯拉“擎天柱”機(jī)器人的目標(biāo),因此,“擎天柱”所有的硬件設(shè)計(jì)和開發(fā)流程設(shè)計(jì)都圍繞該目標(biāo)定位:研發(fā)角度,借鑒車企研發(fā)流程,大量復(fù)用特斯拉汽車現(xiàn)有技術(shù),包括自動(dòng)駕駛、電池、散熱、超算平臺等;技術(shù)角度,采用軌跡規(guī)劃、全身動(dòng)力學(xué)控制動(dòng)作模仿等基礎(chǔ)的算法,進(jìn)一步降低研發(fā)和量產(chǎn)成本,同時(shí)為未來開發(fā)奠定一定基礎(chǔ);智能角度,特斯拉從自動(dòng)駕駛中積累了大量數(shù)據(jù),以及視覺導(dǎo)航和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)框架等技術(shù),有助于機(jī)器人未來“增智演進(jìn)”。反觀已有的波士頓動(dòng)力和ASIMO等典型人形機(jī)器人,雖然在仿形和動(dòng)作方面領(lǐng)先于特斯拉,但卻因成本原因無法實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。特點(diǎn)#2:從智能到本體的逆常規(guī)路線。據(jù)中國機(jī)器人網(wǎng)信息,人形機(jī)器人賽道已形成了人形機(jī)器人廠商、車企以及家用電子廠商“三足鼎立”局面,其中機(jī)器人廠商探索技術(shù)高點(diǎn),家用電子廠商通過人形機(jī)器人來加強(qiáng)其家電生態(tài),而車企則圍繞系統(tǒng)集成、嚴(yán)格降本的思路,針對性的研制特定場景使用的機(jī)器人。其中的技術(shù)路徑又可分為兩條:一是“本體—技能—智能”的自下而上常規(guī)路線,例如國內(nèi)很多大學(xué)在機(jī)器人研發(fā)早期都是先基于僅有兩條腿的機(jī)械本體,逐漸增加手臂等功能性部位,最后考慮智能化;而特斯拉采用了“智能—本體—技能”的逆常規(guī)路線,這與前期特斯拉在無人駕駛、控制技術(shù)上的深耕有關(guān),也符合其降低成本、大規(guī)模量產(chǎn)的思路。資料來源:中國機(jī)器人網(wǎng)、華泰研究特點(diǎn)#3:應(yīng)用場景貼近人類實(shí)際工作和生活。特斯拉分別進(jìn)行了擎天柱原型機(jī)工廠裝配、重物搬運(yùn)和照看植被的功能演示,實(shí)際上分別對應(yīng)了工廠、物流和家庭服務(wù)場景,貼近人類實(shí)際工作和生活。相比之下,工廠中物料、環(huán)境等數(shù)據(jù)有相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫信息,使得該場景下比開放式場景動(dòng)態(tài)任務(wù)實(shí)現(xiàn)難度更低,因此人形機(jī)器人的落地更有可能會在半結(jié)構(gòu)化的工廠里率先實(shí)現(xiàn)。物流配送與家庭服務(wù)場景應(yīng)用則需要更長時(shí)間,但其受眾將更加廣闊。半結(jié)構(gòu)化場景下機(jī)器人的布局,并形成對通用AI及相關(guān)場景解決方案的數(shù)據(jù)反饋;2030年,通用AI會對通用機(jī)器人進(jìn)行正向反饋,使得人形機(jī)器人的進(jìn)化速度呈現(xiàn)出指數(shù)提升。我們從形態(tài)演變和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)兩個(gè)維度復(fù)盤特斯拉機(jī)器人發(fā)展情況。形態(tài)演變維度,2021年特斯拉在人工智能日提出特斯拉Bot的概念;2021年2月,特斯拉完成了機(jī)器人開發(fā)平臺搭建;2022年人工智能日,特斯拉亮相了能自由走動(dòng)、未覆蓋外殼的原型機(jī)。關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)維度,2021年8月,特斯拉發(fā)布了概念機(jī)的參數(shù);2022年2月,特斯拉基于機(jī)器人研發(fā)平臺,開始對人型機(jī)器人研究、設(shè)計(jì)、構(gòu)建、驗(yàn)證,以及對成本和效率進(jìn)行優(yōu)化;2022年4月,原型機(jī)完成初次步行任務(wù);2022年6月,原型機(jī)持續(xù)優(yōu)化骨盆結(jié)構(gòu);2022年8月,原型機(jī)實(shí)現(xiàn)手臂搖擺動(dòng)作;2022年9月,特斯拉如期發(fā)布了擎天柱原型機(jī),其中未覆蓋外殼版本能夠自由移動(dòng),覆蓋外殼版本仍無法自由行走。資料來源:特斯拉人工智能日、華泰研究特斯拉“擎天柱”原型機(jī)基本實(shí)現(xiàn)了去年特斯拉Bot提出的技術(shù)參數(shù)。與2021年人工智能日宣布的特斯拉Bot相比,今年并未過多提及“擎天柱”基本參數(shù),但從現(xiàn)場原型機(jī)演示可以基本推斷,速度上尚未達(dá)到設(shè)計(jì)的5MPH(約8km/h),重量上原型機(jī)由于未覆蓋外殼或能達(dá)標(biāo),但裝上外殼的原型機(jī)體型明顯“臃腫”,或亦超過設(shè)計(jì)值125LBS。驅(qū)動(dòng)器方面,去年特斯拉Bot發(fā)布的參數(shù)為40個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,今年原型機(jī)上全部實(shí)現(xiàn),但分布略有差異。原型機(jī)包括28個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器和12個(gè)手部驅(qū)動(dòng)器。進(jìn)一步細(xì)分,手臂部位有14個(gè)驅(qū)手部單手包含6個(gè)驅(qū)動(dòng)器(11個(gè)自由度),雙手為12個(gè),與去年參數(shù)一致。資料來源:特斯拉人工智能日、華泰研究驅(qū)動(dòng)系統(tǒng):或采用特斯拉汽車電池實(shí)現(xiàn)機(jī)器人供電擎天柱電源模塊位于軀體中央,足夠支撐一天的工作需求。“擎天柱”軀體中央內(nèi)置有2.3kWh的電池組,工作電壓為52V,據(jù)特斯拉工作人員說明,能支持人形機(jī)器人工作一整天。該電池組基于特斯拉汽車和能源產(chǎn)品技術(shù)積累,將所有電池相關(guān)電子器件集成到單塊PCB板,包括電力感知(sensing)、熔斷保險(xiǎn)(fusing)、充電管理和功率分布等,并采用流線型設(shè)計(jì),以及簡單有效的散熱方式,使得整個(gè)電源系統(tǒng)更加高效和安全。特斯拉現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施和供應(yīng)鏈也為電池模塊的規(guī)?;a(chǎn)提供了保障。此外,為了盡可能降低閑置時(shí)的耗能,特斯拉提出開關(guān)控制方式,讓機(jī)器人在閑置與工作模式之間進(jìn)行切換。資料來源:特斯拉人工智能日、華泰研究擎天柱電源模塊或采用特斯拉自研4680電池。發(fā)布會并未明確提出擎天柱電源所使用的電池情況,但根據(jù)電源集成效果圖來看,采用的是圓柱電芯,因此或?qū)⒉捎锰厮估匝?680 (電池直徑為46mm,高度為80mm)電池。特斯拉于2020年發(fā)布了自研的4680電池,該電池?fù)碛袩o極耳、硅負(fù)極、無鈷等技術(shù)的加持。2022年8月,馬斯克在特斯拉股東大會上說明,該電池會在年底前實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。此外,按照特斯拉預(yù)想,未來機(jī)器人將大規(guī)模進(jìn)入工廠,屆時(shí)特斯拉還可能將快充或換電方案用于機(jī)器人,增加機(jī)器人靈活度。測試項(xiàng)測試結(jié)果備注備注正極面積容量待測量負(fù)極面積容量5.5mAh/cm2(扣電第二圈)雙面為11mAh/cm2總電極面積~330cm*7.2cm=2376cm2大致測量結(jié)果總?cè)萘?1mAh/cm2*2376cm2=26.136Ah總能量26.136Ah(3.7~38V)~96~99Wh估計(jì)的平均電壓電芯質(zhì)量355g實(shí)驗(yàn)室電子秤能量密度272Wh/kg~296Wh/kg正極材料高鎳材料,鎳含量約80%測量錯(cuò)誤率約0.29%資料來源:IT之家網(wǎng)、華泰研究電池散熱技術(shù)是保證未來大功率機(jī)器人長時(shí)間運(yùn)行的關(guān)鍵。隨著未來機(jī)器人電池容量的加大,或機(jī)器人功能的不斷豐富,電池組的散熱問題或?qū)⒆兊檬滞怀?。為了保證高度集成的電源部分不會因熱膨脹而受損,特斯拉亦可將其超級計(jì)算機(jī)—DOJO中的散熱系統(tǒng)運(yùn)用到電源模塊。特斯拉專為DOJO設(shè)計(jì)了電壓調(diào)節(jié)模塊(VRM),實(shí)現(xiàn)了單個(gè)VRM模組在不足25美分硬幣面積的電路上提供超過1000A的電流,并將熱膨脹系數(shù)(CTE)降低54%,在防止電池模組發(fā)生形變的基礎(chǔ)上提升約3倍的電源表現(xiàn)。這一技術(shù)為未來機(jī)器人電源模組的進(jìn)一步擴(kuò)充奠定了基礎(chǔ)。資料來源:特斯拉人工智能日、華泰研究基于評估優(yōu)化與共性分類的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)特斯拉汽車的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以借鑒到機(jī)器人上。汽車和機(jī)器人在動(dòng)力設(shè)計(jì)上有很多相似之處,具體的,汽車的驅(qū)動(dòng)單元有前后兩個(gè),其作用是實(shí)現(xiàn)汽車加速,而機(jī)器人有28個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器,每個(gè)關(guān)節(jié)需要執(zhí)行的任務(wù)不像汽車驅(qū)動(dòng)器那樣明確。因此,特斯拉選取最高頻的機(jī)器人動(dòng)作,包括行走、爬樓梯和抓取重物,生成扭矩和速度軌跡關(guān)系,并利用優(yōu)化模型進(jìn)行優(yōu)化評估,得到扭矩、速度、輸入功率和累積電量與時(shí)間的關(guān)系。重復(fù)上千次試驗(yàn),可以得到系統(tǒng)成本與驅(qū)動(dòng)器質(zhì)量的點(diǎn)云圖,以及帕累托(Pareto)前沿(圖中紅色線勾勒),該前沿即最優(yōu)解的搜索區(qū)域,紅色“×”代表的位置即特斯拉最終選擇的該關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)參數(shù)。使用同樣的方法,可以得到另外27個(gè)關(guān)節(jié)的優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。資料來源:特斯拉人工智能日、華泰研究計(jì)如此多參數(shù)特異的驅(qū)動(dòng)器是不科學(xué)和不現(xiàn)實(shí)的。因此,特斯拉進(jìn)一步解析驅(qū)動(dòng)器點(diǎn)云圖,將28個(gè)關(guān)節(jié)通過共性研究方法劃分為6類驅(qū)動(dòng)器,每種驅(qū)動(dòng)器都設(shè)計(jì)了足夠大輸出力量和扭矩。其中,旋轉(zhuǎn)式驅(qū)動(dòng)器在高速側(cè)集成有機(jī)械離合器,配備了輸入輸出位置和非接觸扭矩傳感器;線性驅(qū)動(dòng)器的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)保證了其效率、緊湊度和耐久度,以此保證機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠達(dá)到人類肌肉的強(qiáng)度。資料來源:特斯拉人工智能日、華泰研究6類驅(qū)動(dòng)器中,包括3種旋轉(zhuǎn)式驅(qū)動(dòng)器和3種線性驅(qū)動(dòng)器。1)旋轉(zhuǎn)式驅(qū)動(dòng)器:基于無框力矩電機(jī)+諧波減速器,規(guī)格為20Nm/110Nm/180Nm和0.55kg/1.62kg/2.26kg,采用無框電機(jī)+諧波減速器方案,基本上與當(dāng)前協(xié)作機(jī)械臂的關(guān)節(jié)方案高度類似,即無框力矩電機(jī)+諧波減速器+高低速雙編碼器+抱閘+力矩傳感器+輸出端交叉滾子軸承。傳感器方面,旋轉(zhuǎn)式驅(qū)動(dòng)器配備了輸入和輸出位置傳感器,以及非接觸式力矩傳感器。2)線性驅(qū)動(dòng)器:規(guī)格為500N/3900N/8000N和0.36kg/0.93kg/2.20kg,基于無框電機(jī)+行星絲杠方案,利用行星絲杠的自鎖能力將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為線性。該方案和當(dāng)前各大人形機(jī)器人廠家的關(guān)節(jié)性能類似,擁有優(yōu)秀的力輸出能力,據(jù)特斯拉人工智能日演示,線性驅(qū)動(dòng)器能夠抬起半噸重的鋼琴,但這種設(shè)計(jì)同時(shí)犧牲了部分輸出速度性能。傳感器方面,線性驅(qū)動(dòng)器配備了位置傳感器以及力傳感器。資料來源:特斯拉人工智能日、華泰研究度驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)#1:本田ASIMO。ASIMO研發(fā)路徑是典型的“本體—技能—智能”模式。1986年,代號為E0的雙腿平衡機(jī)器人誕生,首次運(yùn)用了雙足步行的原理,根據(jù)直線的靜態(tài)步行進(jìn)行移動(dòng)E經(jīng)達(dá)到了4.7公里/小時(shí);1996年P(guān)2問世,是世界上首個(gè)類人智能雙足步行機(jī)器人;2000年10月,仿IMO并能夠?qū)崿F(xiàn)倒退走、單腳跳躍、雙腳跳躍、上下樓梯和踢足球等復(fù)雜運(yùn)動(dòng);2017年,推出新一代人形機(jī)器人E2-DR,身高168cm,體重85kg,全身總共33個(gè)關(guān)節(jié),面對不同地形采用相應(yīng)的行走模式,可以變形成大猩猩模式通過路障和豎直樓梯,也可以匍匐前進(jìn)通過狹小低矮空間,具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。ASIMO驅(qū)動(dòng)方式與特斯拉機(jī)器人類似,靈活度或更強(qiáng)。本田ASIMO擁有57個(gè)自由度,其中頭部有3個(gè)自由度、軀干有2個(gè)自由度、單臂有7個(gè)自由度、單手有13個(gè)自由度、單擁有高性能小型多指手,手掌內(nèi)置了接觸傳感器,5指分別內(nèi)置力量傳感器,可對各手指單獨(dú)進(jìn)行控制,可以完成“一只手拿起瓶子旋開瓶蓋,另一只手拿起柔軟的紙杯,在不將紙杯握變形的情況下,將瓶中的液體倒入紙杯之中”的精細(xì)操作,從特斯拉發(fā)布會情況看,擎天柱目前最精細(xì)的工作是拿起水壺澆花,與ASIMO相比尚有差距。資料來源:本田官網(wǎng)、華泰研究成本是致命傷,無法量產(chǎn)最終導(dǎo)致退役。本田公司原本希望ASIMO能實(shí)現(xiàn)量產(chǎn),進(jìn)入千家萬戶照顧老年人。但ASIMO價(jià)格昂貴,造價(jià)高達(dá)300-400萬美元,且功能過于簡單,也無法進(jìn)行語境對話。2022年3月底本田公司選擇讓ASIMO退役。目前只有少數(shù)地方,如本田公司的青山總部大廈、日本科學(xué)未來館等地才能見到真容,且ASIMO租金十分昂貴,約200萬日元/天(約合12萬人民幣/天)、2000萬日元/年(約合120萬人民幣/年)。相比之下,特斯拉2萬美元之內(nèi)的擎天柱成本優(yōu)勢更加顯著,更容易被普通大眾所接受。#2:波士頓動(dòng)力Atlas。波士頓動(dòng)力專注開發(fā)一系列動(dòng)態(tài)高機(jī)動(dòng)性機(jī)器人。2009年,公司開始研發(fā)PETMAN人形機(jī)器人,主要用于測試個(gè)人防護(hù)裝備在危險(xiǎn)化學(xué)環(huán)境中對人的影響。Atlas亮相,2013年7月正式向公眾公開。此時(shí)Atlas機(jī)器人身高188cm,體重150kg,其設(shè)計(jì)目的是為了搜索和救援任務(wù)。2016年,波士頓動(dòng)力在視頻網(wǎng)站上發(fā)布了新一代的Atlas機(jī)器人,身高175cm,體重81.6kg。2018年,波士頓動(dòng)力進(jìn)一步對機(jī)器完成快速小跑、三級跳、后空翻和空中體操等一些復(fù)雜動(dòng)作。2021年8月,Atlas已經(jīng)能夠流暢進(jìn)行“跑酷”,是目前在運(yùn)動(dòng)方面最接近人類的人形機(jī)器人。液壓驅(qū)動(dòng)的Atlas運(yùn)動(dòng)能力超群,但手部靈活度不及特斯拉人形機(jī)器人。Atlas液壓驅(qū)動(dòng)的方式,單位能量輸出密度更大,使得其運(yùn)動(dòng)能力遠(yuǎn)超電機(jī)驅(qū)動(dòng)的特斯拉機(jī)器人,且利用3D打印技術(shù)能夠?qū)⒘悴考w積進(jìn)一步縮小,甚至實(shí)現(xiàn)將伺服閥、執(zhí)行器、液壓管路完全嵌入四肢部件。Atlas全身28個(gè)自由度,其中單腿3個(gè)自由度、單腳踝2個(gè)自由度、腰腹2個(gè)自由度、單臂6個(gè)自由度、腕部和機(jī)械手各1個(gè)自由度,均由液壓驅(qū)動(dòng),可以輕易實(shí)現(xiàn)各種高難度動(dòng)作,包括垂直起跳、跨越障礙、后空翻等動(dòng)作,這是同體積電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人難以完成的。但是Atlas手部的自由度幾乎為0,可以說完全放棄了“精細(xì)活”這一技能點(diǎn),目前也無法實(shí)現(xiàn)特斯拉機(jī)器人工廠裝配、重物搬運(yùn)和照看植被等功能。資料來源:波士頓動(dòng)力官網(wǎng)、華泰研究與特斯拉機(jī)器人應(yīng)用場景大相徑庭。波士頓動(dòng)力自從MIT分離后,一直從事軍事項(xiàng)目的研發(fā)工作,為美國國防部、美國陸軍部隊(duì)、海軍部隊(duì)和海軍陸戰(zhàn)隊(duì)提供軍用機(jī)器人及相關(guān)技術(shù)咨詢服務(wù),其產(chǎn)品聚焦模擬人類快速運(yùn)動(dòng)、負(fù)重等行為,應(yīng)用方向也主要是國防任務(wù)測試和極端環(huán)境救援等領(lǐng)域,而非服務(wù)場景,且Atlas僅物料成本就超過10萬美元。相比之下,特斯拉機(jī)器人應(yīng)用場景更加廣泛,成本優(yōu)勢更加明顯,兩者走了截然不同的發(fā)展路線。#3:小米CyberOne。小米先于特斯拉發(fā)布自研全尺寸人形機(jī)器人。2022年8月11日,小米在秋季新品發(fā)布會上搶先特斯拉公布了首款全尺寸人形仿生機(jī)器人CyberOne。CyberOne是繼去年小米仿生四足機(jī)器人Cyberdog后的又一Cyber系列機(jī)器人成員,身高177cm,體重52kg,采用MiSense視覺空間系統(tǒng)和獨(dú)特音頻算法,能感知6類45種人類語義情緒,分辨85種環(huán)境語義。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方面,搭載小米自研全身控制算法,全身共5種關(guān)節(jié),可協(xié)調(diào)21個(gè)全身自由度,同樣采用電機(jī)驅(qū)動(dòng),關(guān)節(jié)最大峰值扭矩300Nm,與特斯拉擎天柱旋轉(zhuǎn)式驅(qū)動(dòng)器的20Nm/110Nm/180Nm相比有峰值優(yōu)勢,但全身自由度比擎天柱 (手部11自由度+28個(gè)驅(qū)動(dòng)器)遜色不少。尤其是手部,CyberOne采用的是“夾子”型的手掌結(jié)構(gòu),自由度比擎天柱手部11個(gè)相去甚遠(yuǎn)。此外,CyberOne的成本高達(dá)60-70萬元,使用場景較為模糊,尚不能實(shí)現(xiàn)量產(chǎn),且多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)有待突破。資料來源:小米官網(wǎng)、華泰研究#4:優(yōu)必選Walker。優(yōu)必選Walkerx靈活度與特斯拉人形機(jī)器人相近,驅(qū)動(dòng)方式相似。Walkerx度分布:單腿6個(gè)自由度、單臂7個(gè)自由度、單手6個(gè)自由度、頸部3個(gè)自由度。采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),伺服關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)矩為4.5Nm-200Nm,轉(zhuǎn)速為30rpm-90rpm,最大能夠?qū)崿F(xiàn)3km/h的行走速度,可以在20°斜坡行走并實(shí)現(xiàn)坡度實(shí)時(shí)自適應(yīng),在15cm高度的臺階上下樓梯以及在3cm不平整地面穩(wěn)定行走。算法方面,采用U-SLAM視覺導(dǎo)航技術(shù),實(shí)現(xiàn)自主規(guī)劃路徑;基于深度學(xué)習(xí)的物體檢測與識別算法、人臉識別等,可以在復(fù)雜環(huán)境中識別人臉、手勢、物體;升級手眼協(xié)調(diào)等AI和機(jī)器人集成技術(shù),可提供更加精準(zhǔn)靈活的服務(wù)。電源方面,采用了便攜可拆卸鋰電池,電池參數(shù)54.6V/10Ah/3.6kg,充電時(shí)間2小時(shí),使用(綜合工況)時(shí)長2小時(shí),續(xù)航能力與特斯拉擎天柱相比較為一般。降成本與擴(kuò)場景理念與特斯拉類似。WalkerX是全世界第一款把成本做到10萬美金的大型仿人機(jī)器人。通過自主研發(fā),優(yōu)必選替換了海外采購單價(jià)高達(dá)1萬美元的機(jī)器人核心零部件—關(guān)節(jié)舵機(jī),大大降低了整個(gè)機(jī)器人成本。使用場景方面,特斯拉擎天柱能夠覆蓋工廠、物流和家庭服務(wù)場景,與優(yōu)必選主打服務(wù)型機(jī)器人的路線也有相似之處。目前,優(yōu)必選WalkerX已覆蓋科技展館、影視綜藝、商演活動(dòng)、政企展廳等商用服務(wù)場景,以及運(yùn)動(dòng)控制、機(jī)器視覺、定位導(dǎo)航等科研開發(fā)場景。資料來源:優(yōu)必選官網(wǎng)、華泰研究自由度驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)自由度與關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器數(shù)量相關(guān),關(guān)節(jié)個(gè)數(shù)通常即為機(jī)器人的自由度數(shù)。自由度(DegreesofFreedom,DoF)是物體能夠相對于坐標(biāo)系進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目,例如,剛體具有6個(gè)自由度,分別為3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度R1、R2、R3和3個(gè)平移自由度T1、T2、T3。機(jī)器人的自由度是指確定機(jī)器人手部在空間位置和姿態(tài)時(shí)所需要的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參數(shù)的數(shù)目,也就是機(jī)器人具有獨(dú)立坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的數(shù)目。機(jī)器人自由度取決于其可運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)數(shù),而關(guān)節(jié)個(gè)數(shù)通常即為機(jī)器人的自由度數(shù)。關(guān)節(jié)數(shù)越多,自由度越高,運(yùn)動(dòng)精準(zhǔn)度也越出色,同時(shí)需要的伺服電機(jī)數(shù)量相對較多。但自由度并非多多益善,而應(yīng)結(jié)合實(shí)際的使用場景設(shè)置合適的值,過多的自由度會帶來控制和算法難度的提升。以工業(yè)機(jī)器人為例,其自由度數(shù)取決于作業(yè)目標(biāo)所要求的動(dòng)作。對于只進(jìn)行的機(jī)器人,有3個(gè)自由度就夠了。如果執(zhí)行器需要具有任意的位姿,機(jī)器人至少需要有6個(gè)自由度。如果機(jī)器人需要回避障礙,則需要6個(gè)以上的自由度。機(jī)器人常用的自由度數(shù)一般為5~6個(gè),手指的開合,以及手指關(guān)節(jié)的自由度一般不包括在內(nèi)。機(jī)器人的操作臂用于調(diào)整末端執(zhí)行器在空間的位置,一般具有3個(gè)自由度。資料來源:《機(jī)器人驅(qū)動(dòng)與控制及應(yīng)用實(shí)例》,黃志堅(jiān)(2016,ISBN:9787122264152)、《工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)及控制》,李慧(2021,ISBN:978-7-122-37841-5)、華泰研究擎天柱的全身自由度處在業(yè)界上游水平,手部自由度較為出眾。從特斯拉披露的參數(shù)看,擎天柱擁有28個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器和6個(gè)手部驅(qū)動(dòng)器(對應(yīng)11個(gè)自由度),因此,擎天柱的全身自由度應(yīng)至少為50(28+11*2)個(gè),從目前市場中人型機(jī)器人全身自由度的數(shù)量一般在20~50個(gè)看,處于業(yè)界上游水平。自由度在機(jī)器人全身的分布情況與機(jī)器人的適用場景也存在強(qiáng)相關(guān),如本田的Asimo全身自由度為57,其中手部有26個(gè)自由度,幾乎占到全部自由度的一半,以此適應(yīng)精細(xì)的手部動(dòng)作;而波士頓動(dòng)力Atlas全身擁有28個(gè)自由度,但手部幾乎沒有自由度分布,這與Atlas以運(yùn)動(dòng)性能為主的理念是相適應(yīng)的。尺寸人形機(jī)器人名稱尺寸人形機(jī)器人名稱頭部手臂手部臀臀部腿部合合計(jì)頭部手臂手部臀部腿部合計(jì)DARwIn-OP2606620ASIMO32621257ROBOTICS-OP32606620HRP-449844NAO225625REEM-C2388668兒童尺寸PoppyIgusiCubARCSurenamini226228668000096967666662520532023成人尺寸AtlasHUBO+LolaNimbro-OP2IRC21222666020006766666662830242020資料來源:《Acomprehensivesurveyonhumanoidrobotdevelopment》,Saeedvand(2019)、華泰研究低成本量產(chǎn)或是特斯拉機(jī)器人落地應(yīng)用的最大優(yōu)勢。通過研究國內(nèi)外典型的人形機(jī)器人發(fā)展情況,我們發(fā)現(xiàn),成本是決定人形機(jī)器人能否實(shí)現(xiàn)大規(guī)模落地應(yīng)用的關(guān)鍵因素。例如高自由度的ASIMO,盡管自身素質(zhì)和能力已相當(dāng)完善,甚至能完成類似人類的精細(xì)動(dòng)作,但300-400萬美元的造價(jià)決定了其完全無法量產(chǎn),技術(shù)無法得到大規(guī)模應(yīng)用,只能被本田“下線”;運(yùn)動(dòng)能力超群的Atlas僅物料成本也已超10萬美元,且其運(yùn)用場景與人類工作場景存在差距,目前也無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣應(yīng)用;小米CyberOne的成本也在60-70萬元之間,且目前無法量產(chǎn)。相比之下,優(yōu)必選的成本控制戰(zhàn)略與特斯拉更為接近,特斯拉機(jī)器人在量產(chǎn)方面優(yōu)勢較為明顯。機(jī)器人名稱機(jī)器人公司成本Optimus(擎天柱)特斯拉數(shù)百萬產(chǎn)量的規(guī)模將成本控制在2萬美元以內(nèi)ASIMO本田57造價(jià)高達(dá)300-400萬美元,租金高達(dá)約12萬人民幣/天、120萬人民幣/年Atlas波士頓動(dòng)力28僅物料成本就超過10萬美元CyberOne小米2160-70萬人民幣,尚無法量產(chǎn)Walkerx優(yōu)必選41通過自主替代的方式大大降低了機(jī)器人成本資料來源:特斯拉官網(wǎng)、本田官網(wǎng)、波士頓動(dòng)力官網(wǎng)、小米官網(wǎng)、優(yōu)必選官網(wǎng)、華泰研究公司代碼公司簡稱公司簡稱TSLAUS特斯拉HMCUS本田汽車未上市波士頓動(dòng)力1810HK小米集團(tuán)未上市優(yōu)必選資料來源:Bloomberg、華泰研究提示技術(shù)進(jìn)步不及預(yù)期。人形機(jī)器人涉及軟硬件等多方面技術(shù),橫跨多個(gè)細(xì)分行業(yè)及領(lǐng)域,若相關(guān)技術(shù)進(jìn)步不及預(yù)期,可能導(dǎo)致人形機(jī)器人的功能無法達(dá)到預(yù)想的水平,產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度可能受到影響。下游需求不及預(yù)期。人形機(jī)器人目前成本較高,若下游支付能力較弱的企業(yè)以及普通家庭對于人形機(jī)器人的需求不及預(yù)期,可能導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)增長速度慢于預(yù)期,影響相關(guān)企業(yè)的收入增長節(jié)奏。經(jīng)濟(jì)弱復(fù)蘇不及預(yù)期疊加疫情影響。國內(nèi)疫情持續(xù)多點(diǎn)散發(fā),疊加房地產(chǎn)等經(jīng)濟(jì)下行因素,給中國經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇增加了不確定性,可能從宏觀層面影響機(jī)器人相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和落地速度。本報(bào)告中涉及的公司/個(gè)股內(nèi)容系公開信息整理,不代表本研究團(tuán)隊(duì)對該公司或股票的推薦覆蓋。分析師聲明本人,謝春生,茲證明本報(bào)告所表達(dá)的觀點(diǎn)準(zhǔn)確地反映了分析師對標(biāo)的證券或發(fā)行人的個(gè)人意見;彼以往、現(xiàn)在或未來并無就其研究報(bào)告所提供的具體建議或所表迖的意見直接或間接收取任何報(bào)酬。一般聲明及披露本報(bào)告由華泰證券股份有限公司(已具備中國證監(jiān)會批準(zhǔn)的證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格,以下簡稱“本公司”)制作。本報(bào)告所載資料是僅供接收人的嚴(yán)格保密資料。本報(bào)告僅供本公司及其客戶和其關(guān)聯(lián)機(jī)構(gòu)使用。本公司不因接收人收到本報(bào)告而視其為客戶。本報(bào)告基于本公司認(rèn)為可靠的、已公開的信息編制,但本公司及其關(guān)聯(lián)機(jī)構(gòu)(以下統(tǒng)稱為“華泰”)對該等信息的準(zhǔn)確性及完整性不作任何保證。本報(bào)告所載的意見、評估及預(yù)測僅反映報(bào)告發(fā)布當(dāng)日的觀點(diǎn)和判斷。在不同時(shí)期,華泰可能會發(fā)出與本報(b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