2024年人形機(jī)器人行業(yè)深度報(bào)告：中美共振-人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)奇點(diǎn)到來(lái)

2024年人形機(jī)器人行業(yè)深度報(bào)告：中美共振_人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)奇點(diǎn)到來(lái)一、AI賦能機(jī)器人及Optimus進(jìn)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(jī)器人從2022年二季度開始進(jìn)入大眾視野，在多輪行情的交易與博弈中，產(chǎn)業(yè)趨勢(shì)的共識(shí)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(jī)器人，隨后產(chǎn)業(yè)鏈消息不斷，行情啟動(dòng)。2022年6月3日馬斯克在推特預(yù)告，人形機(jī)器人原型機(jī)“擎天柱”（Optimus）可能在9月30日AIDAY發(fā)布，進(jìn)一步帶動(dòng)行情。2）8月中旬板塊達(dá)到高點(diǎn)后開始回調(diào)，參與者對(duì)AIDAY持觀望態(tài)度。9月30號(hào)AIDAY上展示的機(jī)器人無(wú)超預(yù)期表現(xiàn)，板塊繼續(xù)回調(diào)，之后經(jīng)歷3個(gè)月的盤整期，直到AI行情到來(lái)。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(jī)器人作為AI的終極應(yīng)用，在AI行情的輪動(dòng)中震蕩上行。4）5月中旬特斯拉在股東大會(huì)上展示了人形機(jī)器人的最新進(jìn)展，幾乎同一時(shí)間段，英偉達(dá)創(chuàng)始人黃仁勛在ITFWorld2023半導(dǎo)體大會(huì)上提出“具身智能”概念。受上述兩個(gè)事件催化，人形機(jī)器人率先由傳感器領(lǐng)漲，后輻射至整個(gè)板塊。5）在經(jīng)歷數(shù)月盤整期后，2023年10月絲杠走出獨(dú)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(jī)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(diǎn)的預(yù)期中反彈。經(jīng)歷了多輪行情，我們認(rèn)為人形機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)趨勢(shì)逐漸得到認(rèn)可，量產(chǎn)前夕大有可為。至今，機(jī)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(diǎn)積蓄力量。多模態(tài)大語(yǔ)言模型的出現(xiàn)，代表人形機(jī)器人“大腦”層面難題取得突破。同時(shí)2022年以來(lái)產(chǎn)業(yè)巨頭陸續(xù)入局，中、美等國(guó)政策支持也相繼推出，在三重共振下，人形機(jī)器人有望形成類似于汽車、智能手機(jī)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(shí)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(jī)器人裝上“大腦”成為可能。機(jī)器人的大腦需要解決解理、決策、執(zhí)行三個(gè)層面的問題，以ChatGPT3.5為代表多模態(tài)大語(yǔ)言模型解決了機(jī)器人理解人類語(yǔ)言和外部世界的問題；谷歌RT-1模型以圖片序列、自然語(yǔ)言指令作為輸入，是一種視覺語(yǔ)言模型（VLMs），展現(xiàn)了較強(qiáng)的泛化能力和魯棒性，主要解決了前兩個(gè)層面的問題；而谷歌RT-2模型則是基于視覺-語(yǔ)言-動(dòng)作模型（VLA）的端到端模型，加入了動(dòng)作模態(tài)，提高了機(jī)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(jī)器人執(zhí)行層的感知、任務(wù)拆解、硬件驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了AI化。第二：產(chǎn)業(yè)巨頭入局。自特斯拉機(jī)器人亮相以來(lái)，全球產(chǎn)業(yè)巨頭紛紛布局人形機(jī)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(jī)器人；2023年年初，三星向本土機(jī)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(jī)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(tuán)隊(duì)DeepMind在2023年6月20日展示了用于機(jī)器人的AI智能體RoboCat，并于7月發(fā)布機(jī)器人大模型RT-2；2024年3月，黃仁勛在機(jī)器人大會(huì)上公布其GR00T項(xiàng)目，推出人形機(jī)器人通用基礎(chǔ)模型ProjectGR00T和一款基于NVIDIAThor系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）的新型人形機(jī)器人計(jì)算平臺(tái)JetsonThor。第三：政策支持，中美共振。2022年以來(lái)國(guó)內(nèi)人形機(jī)器人相關(guān)政策頻出，北京、上海、深圳等地都出臺(tái)了推動(dòng)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(jī)器人創(chuàng)新發(fā)展指導(dǎo)意見》，將人形機(jī)器人提升到與計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)、新能源汽車同等的戰(zhàn)略高度，并表示人形機(jī)器人有望在2027年成為經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的新引擎。美國(guó)方面，2024年3月，美聯(lián)儲(chǔ)半年度貨幣政策提出，未來(lái)幾年美國(guó)可能快速采用人工智能和機(jī)器人等新技術(shù)，有望提高生產(chǎn)力增長(zhǎng)速度。1.22024年多模態(tài)視覺語(yǔ)言模型與機(jī)器人的結(jié)合超大眾預(yù)期1.2.1機(jī)器人執(zhí)行層三大層面均已突破，未來(lái)重點(diǎn)在于軟硬件結(jié)合機(jī)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(jī)器人所處的環(huán)境是室內(nèi)還是室外，整個(gè)廚房長(zhǎng)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(jī)器人明白任務(wù)以后，需要將任務(wù)拆解成哪幾步，并計(jì)劃好機(jī)器人應(yīng)該走多遠(yuǎn)，機(jī)械臂和靈巧手該怎么動(dòng)，每個(gè)地方用多大力度等；3）第三層：驅(qū)動(dòng)硬件執(zhí)行任務(wù)，機(jī)器人將任務(wù)拆解完計(jì)劃好運(yùn)動(dòng)步驟以后，將規(guī)劃轉(zhuǎn)為機(jī)械指令給到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)確定完速度、動(dòng)量等物理因素后，機(jī)器人開始執(zhí)行任務(wù)。ChatGPT解鎖了機(jī)器人新的范式，將人機(jī)交互簡(jiǎn)單化，但以其為代表的大語(yǔ)言模型（LLM）只解決了機(jī)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(yǔ)言模型逐步走進(jìn)大眾視野，傳統(tǒng)的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式需要工程師將任務(wù)轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)代碼，運(yùn)行過程中工程師需要不停的編寫新的代碼和規(guī)劃來(lái)糾正機(jī)器人的行為，該過程成本高昂并且效率低下。ChatGPT可以為機(jī)器人場(chǎng)景生成代碼，無(wú)需任何微調(diào)，就可以控制不同的機(jī)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(jī)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(gè)過程，使得人機(jī)交互成為更簡(jiǎn)單的事情。通過將GPT-4整合到機(jī)器人Alter3中有效地連接LLM與Alter3的身體運(yùn)動(dòng)，通過程序代碼將人類行為的語(yǔ)言表達(dá)映射到機(jī)器人的身體上從而實(shí)現(xiàn)了直接控制。機(jī)器人應(yīng)用模型主要有兩大難點(diǎn)，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(jī)器人數(shù)據(jù)，模擬場(chǎng)景花費(fèi)高效果一般，現(xiàn)實(shí)世界更加復(fù)雜多變，這限制了模型吸收廣泛的機(jī)器人經(jīng)驗(yàn)的能力。對(duì)于機(jī)器人技術(shù)來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)收集尤其昂貴且具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)閿?shù)據(jù)集管理需要大量工程自主操作，或使用人類遠(yuǎn)程操作收集演示。2）缺乏可表達(dá)的、可擴(kuò)展的、足夠快的實(shí)時(shí)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(jìn)行泛化。為了應(yīng)對(duì)以上難點(diǎn)，2022年底Google提出了多任務(wù)模型RT-1，突破了之前機(jī)器人的零泛化性能和解決了部分機(jī)器人訓(xùn)練數(shù)據(jù)集缺乏的問題。RT-1主要解決的是機(jī)器人執(zhí)行層的第二層問題，即任務(wù)拆解和任務(wù)實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃。在RT-1大模型的加持下，機(jī)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(yuǎn)景場(chǎng)景四個(gè)類別下都表現(xiàn)出遠(yuǎn)高于基準(zhǔn)的泛化性和穩(wěn)健性，機(jī)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(chǎng)景下成功率也大幅上升。此外，研究人員還采用了不同型號(hào)的機(jī)器人進(jìn)行來(lái)訓(xùn)練模型，若未來(lái)大模型能對(duì)不同的機(jī)器人進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練，那么將會(huì)形成機(jī)器人AI通用的訓(xùn)練集。2023年是人形機(jī)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(jī)器人執(zhí)行層的第三層，即將硬件驅(qū)動(dòng)執(zhí)行任務(wù)AI化。Googledeepmind研究團(tuán)隊(duì)將動(dòng)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(lái)響應(yīng)客戶的要求，并將動(dòng)作以文本token的形式表示，再將文本token分解為機(jī)器人動(dòng)作，詳細(xì)的機(jī)器人動(dòng)作完全取代過去模型輸出的對(duì)執(zhí)行層的的控制信號(hào)，形成閉環(huán)控制。在此之前的VLM大模型更多的是在機(jī)器人執(zhí)行層對(duì)第一、二層進(jìn)行優(yōu)化，硬件執(zhí)行任務(wù)的驅(qū)動(dòng)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(jī)器人的可能性。人形機(jī)器人三大執(zhí)行層面均已打通，隨后2024年產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)轉(zhuǎn)向大模型與機(jī)器人硬件上更好的融合。如斯坦福團(tuán)隊(duì)于2024年初發(fā)布的炒菜機(jī)器人MobileALOHA，斯坦福機(jī)器人研究團(tuán)隊(duì)核心解決了兩個(gè)問題：1）硬件端：打造了即插即用的全身遠(yuǎn)程操控硬件和證明了復(fù)雜任務(wù)的高性能雙臂移動(dòng)操作的可行性，這是機(jī)器人廣泛應(yīng)用于各種復(fù)雜場(chǎng)景的關(guān)鍵點(diǎn)；2）軟件端：MobileALOHA展示出了強(qiáng)大的模仿學(xué)習(xí)能力，機(jī)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(xì)復(fù)雜的任務(wù)，研究人員通過50次的示范可以把機(jī)器人的自主任務(wù)成功率提升到80%+，另外，用戶使用MobileALOHA遠(yuǎn)程操控未見過的任務(wù)時(shí)，熟練度可以迅速接近專家級(jí)程度。MobileALOHA的硬件和軟件都已開源，預(yù)計(jì)斯坦福所展示的機(jī)器人在應(yīng)用場(chǎng)景的潛力在未來(lái)將會(huì)被快速?gòu)?fù)制。AI廠商下場(chǎng)助力機(jī)器人大模型與具身本體融合，開啟人形機(jī)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(jī)器人Figure01，F(xiàn)igure01在與人類互動(dòng)的過程中，展示了機(jī)器人強(qiáng)勁的感知、推理和認(rèn)知能力，不再是生硬的軟硬件結(jié)合。英偉達(dá)的GTC2024大會(huì)上，英偉達(dá)推出了人形機(jī)器人基礎(chǔ)模型項(xiàng)目ProjectGR00T，為了給ProjectGR00T項(xiàng)目提供軟件支持，英偉達(dá)也對(duì)基于Omniverse平臺(tái)構(gòu)建的ISAACLab也進(jìn)行了同步更新，允許開發(fā)者利用該平臺(tái)模擬機(jī)器人學(xué)習(xí)技能、與物理世界模擬互動(dòng)，支持?jǐn)?shù)千個(gè)機(jī)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(jī)器人視頻，均在表示機(jī)器人與大模型融合已經(jīng)達(dá)到一個(gè)新高度。英偉達(dá)GTC2024大會(huì)表示，公司將致力于打造一個(gè)綜合性的AI平臺(tái)，該平臺(tái)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(jī)器人中，英偉達(dá)推出的ProjectGR00T項(xiàng)目彰顯了當(dāng)前時(shí)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(jī)器人專家在人工通用機(jī)器人領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)巨大飛躍。因此，英偉達(dá)致力于打造一個(gè)全方位軟硬件融合的AI平臺(tái)，讓世界領(lǐng)先的機(jī)器人企業(yè)包括但不限于1XTechnologies、AgilityRobotics、Apptronik、波士頓動(dòng)力公司、FigureAI、傅利葉智能等均能在該平臺(tái)上進(jìn)行機(jī)器人在任何環(huán)境下的任何任務(wù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和模擬。英偉達(dá)發(fā)布了全新的人形機(jī)器人計(jì)算平臺(tái)JetsonThor以及對(duì)機(jī)器人平臺(tái)Isaac平臺(tái)進(jìn)行了重大升級(jí)，旨在推動(dòng)人形機(jī)器人在具身智能上的發(fā)展。ProjectGR00T項(xiàng)目是一款人形機(jī)器人通用模型，GR00T驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人（代表通用機(jī)器人00技術(shù)）將能夠理解自然語(yǔ)言，并通過觀察人類行為來(lái)模仿動(dòng)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(shí)世界并與之互動(dòng)。為了該模型更好的發(fā)，英偉達(dá)還發(fā)布了一款基于NVIDIAThor系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）的新型人形機(jī)器人計(jì)算平臺(tái)JetsonThor，并對(duì)機(jī)器人平臺(tái)Isaac平臺(tái)進(jìn)行了重大升級(jí)，其主要表現(xiàn)在：1）人形機(jī)器人計(jì)算平臺(tái)JetsonThor：是一個(gè)全新的計(jì)算平臺(tái)，能夠執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)、自然的和人機(jī)進(jìn)行交互，主要針對(duì)于性能、功耗和尺寸的模塊化架構(gòu)。JetsonThor基于英偉達(dá)一款系統(tǒng)級(jí)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(wàn)億次8位浮點(diǎn)運(yùn)算AI性能，大大簡(jiǎn)化了機(jī)器人模型的設(shè)計(jì)和集成工作。2）Isaac平臺(tái)的重大更新：機(jī)器人中最重要的一點(diǎn)能力是學(xué)習(xí)并仿真，GR00T使用的Isaac工具還能夠?yàn)樵谌魏苇h(huán)境中的任何機(jī)器人創(chuàng)建新的基礎(chǔ)模型，包括用于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的IsaacLab和用于計(jì)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(jī)器人數(shù)據(jù)訓(xùn)練模擬仿真的時(shí)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(jī)器人內(nèi)部數(shù)據(jù)和硬件的融合。1.2.2機(jī)器人應(yīng)用于汽車裝配線已成行業(yè)共識(shí)，應(yīng)用落地可期汽車裝配線流水線工人未來(lái)高度短缺，人形機(jī)器人或大有可為。中國(guó)擁有全球規(guī)模最大、增長(zhǎng)最快速的新能源電動(dòng)汽車市場(chǎng)，對(duì)員工的需求非常大，目前中國(guó)數(shù)十家電動(dòng)汽車企業(yè)員工超過150萬(wàn)人，相較之下，底特律三大車企在全球的員工總數(shù)為61萬(wàn)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(dá)57萬(wàn)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(lái)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(jī)器人無(wú)法像人一樣自由彎腰、下蹲來(lái)執(zhí)行一些裝配工作，相對(duì)而言人形機(jī)器人很適用于汽車制造。人形機(jī)器人進(jìn)入汽車裝配線已成行業(yè)共識(shí)，寶馬工廠入駐Figure01標(biāo)志著人形機(jī)器人和制造業(yè)合作的開端。Tesla作為人形機(jī)器人領(lǐng)域的引領(lǐng)者，其中很重要的一個(gè)設(shè)想在于用機(jī)器人替代Tesla汽車工廠的流水線工人，為此，其他機(jī)器人廠商紛紛跟進(jìn)。寶馬將Figure01入駐到位于美國(guó)卡羅來(lái)納州斯巴坦堡的工廠中，主要是將該機(jī)器人用于工廠的無(wú)聊處理、組裝輔助和質(zhì)量控制等方面，F(xiàn)igure01與工業(yè)機(jī)器人相比具備更靈活、更先進(jìn)感應(yīng)能力和強(qiáng)大人工智能能力，F(xiàn)igure01的人形設(shè)計(jì)和強(qiáng)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(jī)器人在制造業(yè)合作的新時(shí)代開始。Apollo人形機(jī)器人引入梅賽德斯-奔馳車廠，優(yōu)必選引入蔚來(lái)電動(dòng)汽車裝配線，各家車企紛紛與人形機(jī)器人合作試驗(yàn)。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(jī)器人，這款模塊化機(jī)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(gè)機(jī)器人系統(tǒng)中的最新一個(gè)，Apollo機(jī)器人在該車間執(zhí)行的任務(wù)包括向工人運(yùn)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(jī)器人WalkerS也進(jìn)入到蔚來(lái)電動(dòng)汽車裝配線上，進(jìn)行貼車標(biāo)等一些更為高級(jí)的人工作業(yè)，人形機(jī)器人替代人類多次重復(fù)性勞動(dòng)在即。1.3特斯拉工程化能力強(qiáng)，Optimus有望加快交付特斯拉人形機(jī)器人始于2021年，三年來(lái)迭代加快、進(jìn)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(jī)器人TeslaBot概念。其身高172cm、體重56.7kg，當(dāng)時(shí)還只是概念，還沒有實(shí)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(shí)，也為人形機(jī)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(shuō)為人形機(jī)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(jī)器人OptimusGen-1的原型機(jī)（擎天柱），其重73公斤、身高172cm，當(dāng)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)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(shí)現(xiàn)直立行走，手指關(guān)節(jié)抓取電動(dòng)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(jī)器人，第二代Optimus增加六維力傳感器、觸覺傳感器，進(jìn)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(jìn)步。從核心變化來(lái)看，主要是以下幾個(gè)方面：第一，每個(gè)手指都增加了觸覺感應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)靈巧手的精細(xì)操作，單手11個(gè)自由度（我們預(yù)計(jì)是大拇指3個(gè)，其余2*4個(gè)）；第二，新增頸部?jī)蓚€(gè)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(jī)器人表面覆蓋智能表皮，感知溫度變化，加強(qiáng)與人的互動(dòng)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(gè)旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器和直線執(zhí)行器拼成一個(gè)L型的執(zhí)行器，預(yù)計(jì)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(gè)電機(jī)模組，預(yù)計(jì)為無(wú)刷電機(jī)+減速器的方案，因此減速器用量可能增加2個(gè)。特斯拉Optimus展示的第一代版本頸部無(wú)法運(yùn)動(dòng)，此次更新增加頸部自由度，提升了機(jī)器人的仿生特性，同時(shí)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(rèn)為六維力矩傳感器的可能性較大。二、硬件：機(jī)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(jī)會(huì)集中于執(zhí)行器和傳感器。特斯拉Optimus總共40個(gè)執(zhí)行器，其中28個(gè)軀干執(zhí)行器，12個(gè)為指關(guān)節(jié)執(zhí)行器。在28個(gè)軀干執(zhí)行器中，14個(gè)為線性執(zhí)行器、14個(gè)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(gè)2D攝像頭，而國(guó)內(nèi)較多廠商采用了成本較高的3D視覺方案，但對(duì)機(jī)器人主機(jī)廠的算法要求相對(duì)寬松。此外，人形機(jī)器人還需要精度較高的編碼器來(lái)檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置和角度。2.1靈巧手：空心杯電機(jī)是最可靠動(dòng)力源，傳動(dòng)方案多樣靈巧手：具備高度靈活和精細(xì)控制能力的末端執(zhí)行器。從運(yùn)動(dòng)學(xué)觀點(diǎn)看，靈巧手通常需要滿足6個(gè)或以上的自由度。靈巧手的自由度是指機(jī)械系統(tǒng)能夠獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)數(shù)量。根據(jù)自由度與驅(qū)動(dòng)源數(shù)量，可將靈巧手分為全驅(qū)動(dòng)和欠驅(qū)動(dòng)兩大類。全驅(qū)動(dòng)靈巧手驅(qū)動(dòng)源的數(shù)量與被控制靈巧手的自由度數(shù)量相等，每個(gè)手指關(guān)節(jié)都有驅(qū)動(dòng)器，使其能夠?qū)崿F(xiàn)主動(dòng)控制。欠驅(qū)動(dòng)靈巧手被控制的自由度多于驅(qū)動(dòng)源的數(shù)目，缺少驅(qū)動(dòng)源的部分進(jìn)行耦合隨動(dòng)。從運(yùn)動(dòng)學(xué)的觀點(diǎn)看，靈巧手需滿足兩個(gè)條件：1）指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)能使物體產(chǎn)生任意運(yùn)動(dòng)；2）指關(guān)節(jié)固定時(shí)能完全限制物體的運(yùn)動(dòng)。按照運(yùn)動(dòng)學(xué)理論，滿足上述條件至少要3個(gè)手指，并需要6個(gè)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(yùn)動(dòng)、感知、控制等方面的仿生，實(shí)現(xiàn)對(duì)人手運(yùn)動(dòng)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(gè)。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(jì)進(jìn)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(gè)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(diǎn)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(wú)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(gè)手指，且各手指均具有3個(gè)關(guān)節(jié)，手指關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)副都采用轉(zhuǎn)動(dòng)副。多指靈巧手以人手的結(jié)構(gòu)和功能作為模仿對(duì)象，其研究的最終目標(biāo)是能夠像人手一樣對(duì)生產(chǎn)、生活乃至自然界中的各種物體進(jìn)行穩(wěn)定并且靈活的抓持和操作。機(jī)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(gè)階段。1）20世紀(jì)70年代—20世紀(jì)90年代是機(jī)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(gè)典型代表分別是日本的Okada靈巧手、美國(guó)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(jìn)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(guó)國(guó)家航空宇航局研制的用于國(guó)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(yùn)動(dòng)控制更加準(zhǔn)確；德國(guó)宇航中心先后研制成功的DLR-I和DLR-Ⅱ靈巧手共集成25個(gè)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(diǎn)在于分布式的觸覺傳感器，這提升了靈巧手對(duì)外界物體整體的觸覺感知，進(jìn)而大幅提高了手抓持和操作的成功率。3）2010年至今，朝著簡(jiǎn)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(shì)的同時(shí)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(hù)性也有所降低，因此多指靈巧手設(shè)計(jì)將簡(jiǎn)化系統(tǒng)、提高魯棒性作為進(jìn)一步發(fā)展的一個(gè)重要方向。欠驅(qū)動(dòng)手能夠通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以少于手指關(guān)節(jié)自由度的驅(qū)動(dòng)器控制手的運(yùn)動(dòng)，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(dòng)實(shí)現(xiàn)方式，它通過對(duì)操作對(duì)象的自主適用性包絡(luò)實(shí)現(xiàn)抓取。典型例子是立命館大學(xué)設(shè)計(jì)的RitsumeikanHand，它通過耦合走線實(shí)現(xiàn)了2個(gè)驅(qū)動(dòng)器對(duì)15個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)。此外，HERIHand、SPRINGhand、Columbiahand、耶魯大學(xué)的欠驅(qū)動(dòng)手等也都采用了適應(yīng)性欠驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的抓取。靈巧手的動(dòng)力源：空心杯電機(jī)是最可靠方案?？招谋姍C(jī)天然適配靈巧手，是目前性能最優(yōu)的電機(jī)方案?？招谋姍C(jī)作為高效率的能量轉(zhuǎn)換裝置，優(yōu)點(diǎn)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(dá)到90%以上，而普通鐵芯電機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率在70%以下；2）控制特性：起動(dòng)、制動(dòng)迅速，響應(yīng)極快，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，可以方便地對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行靈敏的調(diào)節(jié)；3）運(yùn)行穩(wěn)定且十分可靠，轉(zhuǎn)速波動(dòng)很小，能夠容易的控制在2%以內(nèi)；4）重量輕，體積?。嚎招谋妱?dòng)機(jī)的能量密度大幅度提高，與同等功率的鐵芯電動(dòng)機(jī)相比，其重量、體積減輕超過三分之一。由于空心杯電機(jī)具備小體積下快速響應(yīng)和高控制精度的特點(diǎn)，人形機(jī)器人靈巧手多以使用空心杯電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。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(jī)，包括空心杯電機(jī)、二級(jí)微型行星齒輪以及驅(qū)動(dòng)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(jī)，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(lái)空間來(lái)看，靈巧手用的空心杯電機(jī)將是機(jī)器人賽道較為確定的方案?？招谋姍C(jī)結(jié)構(gòu)特殊，其對(duì)制造水平有較高要求。從空心杯電機(jī)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和下游需求來(lái)看，其繞組為自支撐式結(jié)構(gòu)，因此帶來(lái)一系列技術(shù)和制造難點(diǎn)。比如繞組結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低，軸向長(zhǎng)度有較大限制，同時(shí)空心功率無(wú)法做大（通?？招谋姍C(jī)的最大功率僅有幾百瓦），而在諸如航空航天這種對(duì)重量、效率、體積有著極致追求的場(chǎng)合下，對(duì)電機(jī)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(jī)制造商在權(quán)衡各方面因素后才能對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行生產(chǎn)并滿足各種不同行業(yè)需求，這必然會(huì)對(duì)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(duì)制造能力高要求必然帶來(lái)成本溢價(jià)，一般而言，不同類型的空心杯電機(jī)均價(jià)比普通的同功率甚至部分高功率的普通伺服電機(jī)價(jià)格更加昂貴?？招谋姍C(jī)制造的關(guān)鍵在于空心杯線圈的生產(chǎn)。空心杯電機(jī)的一個(gè)核心技術(shù)在于電機(jī)繞組。導(dǎo)線粗細(xì)、繞組匝數(shù)的不同，使得繞組電阻值，啟動(dòng)電流以及速度常數(shù)等電機(jī)參數(shù)存在較大的差異。電機(jī)繞組是電機(jī)的重要組成部分，繞組的質(zhì)量決定了空心杯電機(jī)的質(zhì)量，直接影響到電機(jī)可靠性和運(yùn)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(dòng)化繞線設(shè)備，通過實(shí)現(xiàn)其線圈纏繞運(yùn)動(dòng)，將線圈直接纏繞在芯軸上，完成整個(gè)線圈的全自動(dòng)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(zhǎng)，需要人員較多，勞動(dòng)強(qiáng)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(dòng)化生產(chǎn)，節(jié)省人力成本。目前我國(guó)的空心杯電機(jī)生產(chǎn)還是第一種加工方式為主，工人勞動(dòng)強(qiáng)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(duì)較小，很難用于生產(chǎn)大功率空心杯電機(jī)。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(jī)繞組。而斜繞形和馬鞍形是目前國(guó)外先進(jìn)空心杯電機(jī)廠商較為常用的兩種線圈形式。靈巧手傳動(dòng)：方案多樣，腱繩傳動(dòng)是最具潛力方案。靈巧手的傳動(dòng)方案主要有腱繩傳動(dòng)、連桿傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)以及帶傳動(dòng)。腱繩傳動(dòng)：腱繩傳動(dòng)是目前靈巧手研究中應(yīng)用最為廣泛的一種傳動(dòng)方式，如目前量產(chǎn)的ShadowsHand即采用了這一傳動(dòng)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(dòng)使得大型的驅(qū)動(dòng)器遠(yuǎn)離了執(zhí)行機(jī)構(gòu)，減輕末端的負(fù)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(dòng)自由度數(shù)目較多的傳動(dòng)場(chǎng)合。但它也有自身的局限性，如帶負(fù)載能力較弱，預(yù)緊力變化大，負(fù)載越大效率越低等。連桿傳動(dòng)：連桿傳動(dòng)多用于工業(yè)和商業(yè)用途，多個(gè)連桿串并聯(lián)混合的使用形式較為常見。手指的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)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(jì)緊湊，可以完成包絡(luò)抓取。但是在遠(yuǎn)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(dòng)：齒輪傳動(dòng)在工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用比較廣泛，它能獲得穩(wěn)定的傳動(dòng)比，傳遞效率高，可靠性更強(qiáng)。但齒輪本身的質(zhì)量加大了整體的質(zhì)量和慣性。帶傳動(dòng)：帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且傳動(dòng)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(dòng)力，同時(shí)具有價(jià)格便宜、不需潤(rùn)滑和維護(hù)便利等優(yōu)點(diǎn)。腱繩傳動(dòng)靈巧手的傳動(dòng)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(dòng)絲杠（或滾珠絲杠，較少用）。腱繩傳動(dòng)靈巧手的驅(qū)動(dòng)模塊一般分為兩種，一種是電機(jī)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(dòng)，又可以腱傳動(dòng)；另一種是電機(jī)加滑動(dòng)絲杠（或滾珠絲杠，較少用），將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)后傳出，通常用于外置式腱傳動(dòng)。電機(jī)加絲杠對(duì)于驅(qū)動(dòng)器后置于前臂中的情況更利于布置，提高空間利用率，同時(shí)具有自鎖功能，保持抓取姿勢(shì)時(shí)電機(jī)不必輸出力矩，可以節(jié)約能量，減少發(fā)熱。因此，在腱傳動(dòng)系統(tǒng)中，核心傳動(dòng)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(jī)器人普遍采用的執(zhí)行器，適用在機(jī)器人關(guān)節(jié)處，核心是減速器。機(jī)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(jī)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(jī)器人關(guān)節(jié)處，由電機(jī)+減速器等構(gòu)成，其中電機(jī)多采用無(wú)框力矩電機(jī)，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(jí)，對(duì)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(jī)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(jī)由一個(gè)行星齒輪減速機(jī)的前級(jí)和一個(gè)擺線針輪減速機(jī)的后級(jí)組成，是在傳統(tǒng)針擺行星傳動(dòng)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)。工業(yè)機(jī)器人通常采用諧波減器（如6軸工業(yè)機(jī)器人第4、5、6關(guān)節(jié)）與RV減速器（如6軸工業(yè)機(jī)器人第1、2、3關(guān)節(jié)），而人形機(jī)器人通常采用諧波減速器與行星減速器。諧波減速器傳動(dòng)比大、重量體積小，搭配力矩傳感器可以實(shí)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(dòng)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(jī)器人大部分關(guān)節(jié)的使用，但其傳動(dòng)剛度較高，可適用于電機(jī)自帶的電流環(huán)力控，降低了傳動(dòng)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(dòng)來(lái)實(shí)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(yùn)動(dòng)與動(dòng)力的傳遞。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)波發(fā)生器裝入柔輪內(nèi)圓時(shí)，迫使柔輪產(chǎn)生彈性變形而呈橢圓狀，使其長(zhǎng)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(dòng)時(shí)，迫使柔輪不斷產(chǎn)生變形并產(chǎn)生了錯(cuò)齒運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)波發(fā)生器與柔輪的運(yùn)動(dòng)傳遞。由于諧波減速器精度極高，因此其每一個(gè)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(guó)外進(jìn)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(guó)內(nèi)諧波減速器廠商已經(jīng)開始加速軸承的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)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(gòu)軸承主要為特定型號(hào)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(jī)器人為主，此外還包括數(shù)控機(jī)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(jī)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(jī)器人下游占比超50%，其余應(yīng)用領(lǐng)域相對(duì)比較分散，包括半導(dǎo)體制造設(shè)備、數(shù)控機(jī)床、電機(jī)制造商等其他行業(yè)。而根據(jù)綠的諧波2022年年報(bào)披露（見上文數(shù)據(jù)），其工業(yè)及服務(wù)機(jī)器人收入占比超80%。在國(guó)內(nèi)諧波減速器市場(chǎng)，哈默納克仍占主導(dǎo)地位，綠的諧波市場(chǎng)份額僅次于哈默納克。諧波傳動(dòng)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(gè)分支，從專利申請(qǐng)數(shù)量的角度來(lái)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(diǎn)，哈默納克憑借多年技術(shù)積累，在諧波減速器領(lǐng)域長(zhǎng)期保持領(lǐng)先地位。2022年，從我國(guó)諧波減速器市場(chǎng)份額看，哈默納科市場(chǎng)份額最大，占比38%，其次是綠的諧波市場(chǎng)份額為26%。目前，我國(guó)國(guó)產(chǎn)品牌在市場(chǎng)占有率不斷提升，國(guó)產(chǎn)諧波減速器已基本可以實(shí)現(xiàn)，在減速比、輸出轉(zhuǎn)速、傳動(dòng)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(jī)是關(guān)鍵，設(shè)備國(guó)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(jī)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(gè)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(shí)，螺母便沿著絲杠軸的軸向方向移動(dòng)，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成線性運(yùn)動(dòng)。絲杠的種類：根據(jù)摩擦特性，絲杠可以分為滑動(dòng)絲杠、滾動(dòng)絲杠以及靜壓絲杠?；瑒?dòng)絲杠與滾動(dòng)絲杠具有不同精度標(biāo)準(zhǔn)：1）滑動(dòng)絲杠有4~9共6個(gè)等級(jí)，精度依次降低，其中4級(jí)最高，一般很少使用；5級(jí)用于精密儀器與精密機(jī)床，如坐標(biāo)鏜訂、螺紋磨床等；6級(jí)用于精密儀器、精密機(jī)床和數(shù)控機(jī)床；7級(jí)用于精密螺紋車床、齒輪加工機(jī)床及數(shù)控機(jī)床；8級(jí)用于一般機(jī)床，如臥式車床、銑床；9級(jí)用于刨床、鉆床及一般機(jī)床的進(jìn)給機(jī)構(gòu)。2）滾動(dòng)絲杠一般有6~7個(gè)精度等級(jí)，如在JIS標(biāo)準(zhǔn)中，滾珠絲杠精度等級(jí)分為C0、C1、C3、C5、C7、C10共6個(gè)等級(jí)，而國(guó)內(nèi)等級(jí)精度分為P1、P2、P3、P4、P5、P7、P10共7個(gè)等級(jí)?；瑒?dòng)絲杠：主要由絲桿、螺母、滑塊和導(dǎo)向裝置等組成。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，常用于恒速傳動(dòng)領(lǐng)域，如數(shù)控機(jī)床、注塑機(jī)、模壓機(jī)等。絲杠通過在螺母中旋轉(zhuǎn)來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)，螺母是與絲桿螺距相同的螺紋，與絲桿進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)，滑塊與絲桿一起運(yùn)動(dòng)，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)向裝置用來(lái)支撐和引導(dǎo)滑塊沿著絲桿軸向方向移動(dòng)。此外，還包括一些輔助部件，如潤(rùn)滑系統(tǒng)、密封件等，用于保持絲杠的正常運(yùn)行和防止外部環(huán)境對(duì)絲杠的影響?；瑒?dòng)絲杠的摩擦阻力較大，傳動(dòng)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(duì)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(lái)保證滾珠絲杠的正常運(yùn)行和防止外部環(huán)境對(duì)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(dòng)速度、使用壽命、精度和傳動(dòng)效率方面優(yōu)勢(shì)明顯。滾珠絲杠采用滾珠和鋼球等滾動(dòng)體，不僅適用于更高速的運(yùn)動(dòng)，相對(duì)應(yīng)的機(jī)械損耗也較小，其線性運(yùn)動(dòng)精度要比滑動(dòng)類型絲杠更高，并且在傳動(dòng)精度穩(wěn)定性方面表現(xiàn)更出色，使用壽命更長(zhǎng)。滾柱絲杠：由螺桿、行星滾柱、螺母組成，按照價(jià)值量占比來(lái)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(gè)滾柱沿絲杠圓周方向均勻分布，當(dāng)絲杠旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(shí)能夠確保純滾動(dòng)并且沒有相對(duì)軸向位移。特點(diǎn)：滾柱絲杠在滿足精度的同時(shí)，承載能力大大加強(qiáng)，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(dòng)體，相比滾珠絲杠具有更大的接觸面積，能夠承受更大的負(fù)荷和沖擊，因此具有高剛性和高效率的特點(diǎn)。另外，制造精度和傳動(dòng)精度都很高，能夠保證設(shè)備的精確定位和穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)。與滾珠絲杠相比的優(yōu)勢(shì)：（1）滾柱與絲杠接觸半徑更大，且所有滾柱同時(shí)參與嚙合，接觸點(diǎn)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(fù)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(shí)，其推力可達(dá)120t。（2）滾柱絲杠用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦，與滾珠絲杠傳動(dòng)效率相當(dāng)，潤(rùn)滑良好的情況下效率可達(dá)90%。（3）滾柱相對(duì)于螺母沒有軸向運(yùn)動(dòng)，因此具有加速、旋轉(zhuǎn)和減速的能力，轉(zhuǎn)速可達(dá)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(jī)構(gòu)控制滾柱運(yùn)動(dòng)，不需要滾動(dòng)件循環(huán)裝置，且高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(dòng)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(yùn)動(dòng)方向和速度。靜壓絲杠常應(yīng)用于精密機(jī)床及數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給機(jī)構(gòu)中，工作原理是通過液壓系統(tǒng)將壓力油進(jìn)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(dòng)，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(fù)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(jī)是破局關(guān)鍵。線性執(zhí)行器是特斯拉人形機(jī)器人的特色方案，主要由電機(jī)+絲杠組成，主要用于大臂、和下肢。特斯拉對(duì)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(duì)于電機(jī)而言，要求電機(jī)在輸出功率不變的情況下，其重量更輕、體積更小、運(yùn)行的效率更高，因此大功率密度電機(jī)更符合要求，但是工藝上仍需要解決大功率密度電機(jī)中存在的噪音大、效率低、溫度高等問題。對(duì)于絲杠而言，反向式行星滾柱絲杠負(fù)載更大、體積更小，更適合用于人形機(jī)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(chǎng)需求也不大，但是人形機(jī)器人的量產(chǎn)有望給行星滾柱絲杠帶來(lái)巨大的市場(chǎng)增量。正向式行星滾柱絲杠的特點(diǎn)是長(zhǎng)螺桿-短螺母外加螺旋滾道，通過滾柱在絲杠軸上的滾動(dòng)實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)。反向式行星滾柱絲杠的構(gòu)成為長(zhǎng)螺母-短螺桿外加螺旋滾道，螺母作為主動(dòng)件，由絲杠直線輸出，螺母比螺桿還要長(zhǎng)。這種結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點(diǎn)是可將螺母作為電機(jī)的轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)電機(jī)和反向式行星滾柱絲杠的融合設(shè)計(jì)，可使人形機(jī)器人直線傳動(dòng)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(zhǎng)壽命的優(yōu)勢(shì)，契合人形機(jī)器人的要求。特斯拉人形機(jī)器人主要用反向式行星滾柱絲杠和梯型絲杠。絲杠將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，控制機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)位置調(diào)整、姿態(tài)控制和負(fù)載傳遞等功能。絲杠在人形機(jī)器人中主要作用是線性執(zhí)行器，具有較高的傳動(dòng)效率和剛性，能夠提供大的力矩和負(fù)載承重能力，更好地模擬人體關(guān)節(jié)活動(dòng)。在特斯拉人形機(jī)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(jī)器人的手腕部位，每個(gè)手腕2個(gè)，即每個(gè)機(jī)器人4個(gè)。而行星滾柱絲杠主要用于機(jī)器人的大臂、大腿和小腿等部位，每側(cè)大臂1個(gè)、大腿2個(gè)、小腿2個(gè)，兩側(cè)合計(jì)就是10個(gè)。這些部位通常需要承受較大的負(fù)載，因此需要具備較高的剛性和傳動(dòng)效率。行星滾柱絲杠通過絲杠與滾柱的齒輪嚙合來(lái)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，具有較高的承載能力和剛性，適用于大力矩傳遞和高負(fù)載環(huán)境。因此，1個(gè)機(jī)器人合計(jì)需要用到4個(gè)梯形絲杠和10個(gè)行星滾柱絲杠。價(jià)值量：就絲杠的價(jià)值量來(lái)看，梯型絲杠目前的價(jià)格約100元/副，行星滾柱絲杠的價(jià)格相對(duì)較高、需要進(jìn)口，目前約為10000元/副。我們預(yù)計(jì)未來(lái)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化、技術(shù)進(jìn)步、疊加需求提升和規(guī)模效應(yīng)背景下，梯型絲杠價(jià)格有望降低至約50元/副，行星滾柱絲杠降低至約1000元/副。機(jī)器人有望帶來(lái)百億級(jí)絲杠增量需求。以特斯拉Optimus為例，其全身預(yù)計(jì)使用14個(gè)線性執(zhí)行器，則需要14個(gè)絲杠部件，假設(shè)未來(lái)單臺(tái)機(jī)器人絲杠量產(chǎn)均價(jià)為1000元，則單臺(tái)機(jī)器人絲杠價(jià)值量為1.4萬(wàn)元。在100萬(wàn)臺(tái)機(jī)器人銷量假設(shè)下，機(jī)器人絲杠市場(chǎng)空間將達(dá)140億元，機(jī)器人有望成為絲杠最大的應(yīng)用市場(chǎng)。2.3.2設(shè)備國(guó)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(duì)設(shè)備要求高。絲杠制造難度大，這也是制約其國(guó)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(zhǎng)時(shí)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(xì)長(zhǎng)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(duì)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(duì)精度的要求同樣還很高。此外，高精度滾珠絲杠需要對(duì)螺紋、溝槽進(jìn)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(diǎn)：（1）對(duì)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(jìn)行時(shí)效處理，以便消除內(nèi)應(yīng)力。絲杠的精度要求越高，時(shí)效處理的次數(shù)也越多。（3）每次時(shí)效處理后都要重新打中心孔或修磨中心孔，以修止時(shí)效處理時(shí)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?。?，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(shì)是簡(jiǎn)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(dá)到P7級(jí)別，因此一般不滿足人形機(jī)器人絲杠的要求。（2）旋風(fēng)銑：旋風(fēng)銑是刀盤帶動(dòng)刀具作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，工件緩慢軸向進(jìn)入，刀具作徑向深入切削。優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)效率高，并能達(dá)到一定的精度（P3級(jí)，截形輪廓精度±5μm，圓柱度5μm，表面粗糙度值Ra=0.4μm）。對(duì)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(duì)應(yīng)的設(shè)備為車床。（4）砂輪磨削：以先車后磨的方式進(jìn)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(diǎn)是精度高，可以達(dá)到P1級(jí)別，足以滿足人形機(jī)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(shí)容易變形，不能生產(chǎn)小號(hào)螺輪。為此旋風(fēng)銑削絲杠設(shè)備被設(shè)計(jì)出來(lái)，不僅可以提高轉(zhuǎn)速，還能夠?qū)娊z、滾花一次完成。改進(jìn)后的工藝減小了表面粗糙度，減少由切削力引起的震動(dòng)，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(duì)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(jī)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(diǎn)在于螺母內(nèi)螺紋加工，對(duì)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(zhǎng)、還是內(nèi)螺紋，加工時(shí)還需要有一個(gè)螺旋升角，砂輪伸進(jìn)去磨，精度很難控制。因?yàn)樯拜喪菃芜呏?，螺母越長(zhǎng)，砂輪就越要往里面走，砂輪伸得越長(zhǎng)、抖動(dòng)越厲害，對(duì)剛性的要求也就越高，很細(xì)微的抖動(dòng)，那么誤差都達(dá)到微米級(jí)別，所以螺母越長(zhǎng)，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(jī)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(shí)現(xiàn)傳動(dòng)功能，其螺紋的加工精度將直接影響系統(tǒng)的傳動(dòng)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(shí)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(duì)加工工件表面進(jìn)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(jìn)口絲杠價(jià)格高、海外加工設(shè)備價(jià)格高&交付周期長(zhǎng)，因此設(shè)備國(guó)產(chǎn)化是必然趨勢(shì)。行星滾柱絲杠價(jià)格高、制作難度大，此前需求不大，一般為進(jìn)口。但是進(jìn)口價(jià)格目前為1+萬(wàn)元/副，成本高昂，難以滿足人形機(jī)器人量產(chǎn)的成本要求，因此國(guó)內(nèi)企業(yè)紛紛希望自行生產(chǎn)行星滾柱絲杠。然而，國(guó)內(nèi)企業(yè)自行生產(chǎn)，需要進(jìn)口相關(guān)的螺紋磨床，海外螺紋磨床價(jià)格非常高，一般為100-200萬(wàn)歐元/臺(tái)，并且是定制化磨床。一開始量不大、又是定制，國(guó)外企業(yè)產(chǎn)能有限，供貨的意愿不強(qiáng)。此外，國(guó)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(zhǎng)，未來(lái)很難滿足人形機(jī)器人的量產(chǎn)需求。國(guó)內(nèi)多廠家發(fā)力螺紋磨床，國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程有望加速。從螺紋磨床競(jìng)爭(zhēng)格局上看，歐美、日本的廠家全球領(lǐng)先。國(guó)外螺紋磨床主要廠商包括：日本三井、德國(guó)克林貝格、瑞士斯圖特、英國(guó)麥屈克斯和霍羅德、美國(guó)德拉克等；國(guó)內(nèi)具備絲杠加工能力的廠商包括：浙海德曼、秦川機(jī)床、日發(fā)精機(jī)、華辰裝備等。相比國(guó)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(guó)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(guó)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(jìn)口。國(guó)內(nèi)磨床與國(guó)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(yàn)等方面。目前國(guó)內(nèi)磨床技術(shù)持續(xù)突破，多家廠商與下游客戶進(jìn)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(cè)算：人形機(jī)器人有望帶來(lái)近百億的高精度螺紋磨床增量需求。我們對(duì)人形機(jī)器人帶來(lái)的高精度磨床的市場(chǎng)增量進(jìn)行測(cè)算，假設(shè)單臺(tái)機(jī)器人需要行星滾柱絲杠10套，行星滾柱絲杠三個(gè)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(jì)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(tái)磨床價(jià)值量按150萬(wàn)元計(jì)算，預(yù)計(jì)100萬(wàn)臺(tái)人形機(jī)器人將帶來(lái)80億的高精度磨床設(shè)備需求增量。2.4傳感器是人形機(jī)器人與AI結(jié)合的關(guān)鍵之一2.4.1機(jī)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(jī)器人能處理的電信號(hào)或其他信號(hào)的元件/裝置。人類會(huì)將視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等獲得信息傳遞給大腦，大腦進(jìn)行處理以后人類會(huì)做出相對(duì)應(yīng)的反應(yīng)，人形機(jī)器人作為具身智能的終端形態(tài)，重點(diǎn)在于仿生，機(jī)器人了解周圍的世界需要廣泛的信息，傳感器則用于估計(jì)機(jī)器人的狀態(tài)和環(huán)境，根據(jù)傳感器獲得的信號(hào)進(jìn)行控制或處理，最后反饋出正確的任務(wù)路徑。對(duì)應(yīng)著人類的視覺、聽覺、嗅覺、觸覺等，機(jī)器人的傳感器就是機(jī)器人的“五官”，對(duì)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(jī)器人增加更多智能意識(shí)。2.4.2力/力矩傳感器：機(jī)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(chǎng)效應(yīng)將力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。力是引起物質(zhì)運(yùn)動(dòng)變化的直接原因，力傳感器是將力的量值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件，可以檢測(cè)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(dòng)化、航天航空、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。根據(jù)其測(cè)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(chǎng)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，從而產(chǎn)生電信號(hào)。按測(cè)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(diǎn)決定該用幾維的力傳感器測(cè)量：1）如果力的方向和作用點(diǎn)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(duì)其精確測(cè)量；2）如果力的方向隨機(jī)變化，力的作用點(diǎn)保持不變且與傳感器的標(biāo)定參考點(diǎn)重合，那么三維力傳感器能完成任務(wù)，可以同時(shí)測(cè)量F的分力Fx、Fy、Fz；3）如果力的方向和作用點(diǎn)都在三維空間內(nèi)隨機(jī)變化，那么空間中任意的作用點(diǎn)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(dòng)軸或支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的趨向），則需要使用六維力傳感器來(lái)測(cè)量Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz六個(gè)分量。不同緯度的力傳感器適用于不同的場(chǎng)景，機(jī)器人多用六維力（力矩、六軸力）傳感器。如果力的作用點(diǎn)離傳感器的標(biāo)定參考點(diǎn)很近且方向不變，對(duì)測(cè)量精度也要求不高的話，那么三維力傳感器就可以達(dá)到要求；如果力的作用點(diǎn)離傳感器標(biāo)定參考點(diǎn)較遠(yuǎn)且力的方向隨機(jī)變化，對(duì)測(cè)量精度要求較高的情況下，通常需要使用六維力傳感器。機(jī)器人力傳感器距離力的作用點(diǎn)中間通常會(huì)有執(zhí)行機(jī)構(gòu)，那么力的作用點(diǎn)通常力傳感器標(biāo)定參考點(diǎn)較遠(yuǎn)且方向隨機(jī)變化，精度也要求較高（六維力傳感器的內(nèi)部算法會(huì)解耦各方向力和力矩間的干擾，使力的測(cè)量更為精準(zhǔn)），所以機(jī)器人場(chǎng)景中我們通常使用六維力傳感器。六維力傳感器在人形機(jī)器人的市場(chǎng)規(guī)?？蛇_(dá)千億，空間巨大。目前市場(chǎng)上通常說(shuō)六維力傳感器是指應(yīng)變式力矩傳感器，價(jià)格較高，我們基于以下假設(shè)對(duì)人形機(jī)器人中六維力傳感器的市場(chǎng)空間進(jìn)行測(cè)算：1）假設(shè)人形機(jī)器人隨著產(chǎn)業(yè)化的推進(jìn)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(jià)約1萬(wàn)/個(gè)，未來(lái)隨著產(chǎn)品數(shù)量的增加逐步降價(jià)，但最終降價(jià)的幅度有限；3）假設(shè)單臺(tái)人形機(jī)器人至少需要4個(gè)六維力傳感器。測(cè)算所得，人形機(jī)器人量產(chǎn)數(shù)量為100萬(wàn)臺(tái)時(shí)，六維力傳感器市場(chǎng)空間可達(dá)320億元，人形機(jī)器人量產(chǎn)數(shù)量達(dá)500萬(wàn)臺(tái)時(shí)，六維力傳感器市場(chǎng)空間高達(dá)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(hào)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(cè)彈性體的應(yīng)變情況，電橋再將應(yīng)變片的信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，信號(hào)調(diào)理器再對(duì)電信號(hào)進(jìn)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(duì)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(shí)，硅應(yīng)變片或金屬箔形變被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再通過算法計(jì)算成需被計(jì)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(chǎng)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(chǎng)份額最低，平常較難找到。傳感器受到力作用時(shí)，光學(xué)傳感器測(cè)量光強(qiáng)度變化，將光柵欄變化的信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。該類傳感器制造工藝和水平適中，光信號(hào)受點(diǎn)噪聲影響較小，具有較高穩(wěn)定性，但它不能承受重載荷，實(shí)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(hào)；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(jì)算力的具體量值。該類傳感器制造工藝最簡(jiǎn)單，成本最低，但由于數(shù)據(jù)具有較高的非線性，對(duì)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(guó)內(nèi)外仍有一定差距。六維力傳感器生產(chǎn)商第一梯隊(duì)目前仍以國(guó)外廠商如美國(guó)Vishay、德國(guó)HBM和日本NMB為主，第二梯隊(duì)才是國(guó)內(nèi)廠商如柯力傳感等公司，國(guó)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(hào)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(huì)加劇非線性問題；5）傳感器之間會(huì)有應(yīng)變片以外的形變問題如漂移等會(huì)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(tuán)隊(duì)最早來(lái)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(jī)器人行業(yè)中一個(gè)比較重要的問題，即早期機(jī)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(jī)器人觸覺精度提高存在較大難度。帕西尼針對(duì)該難點(diǎn)，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(jī)器人如同人體般靈敏的多緯度觸覺感知能力，使機(jī)器人快速適應(yīng)不同環(huán)境，在數(shù)億個(gè)崗位上輔助人類去完成各類基礎(chǔ)或繁雜的勞動(dòng)，引領(lǐng)下一代行業(yè)變革。PX-6AX其柔性陣列上亞毫米級(jí)別的微小形變場(chǎng)能被瞬間捕捉，同時(shí)還能為機(jī)器人提供滑動(dòng)、摩擦、紋理、溫度等額外信息，讓機(jī)器人擁有媲美人類的靈動(dòng)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?；A(chǔ)勞動(dòng)的所有場(chǎng)景，多維觸覺傳感器PX-6AX性能優(yōu)異：1）可以測(cè)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(chǎng)上大多數(shù)觸覺傳感器不同，PX-6AX可以測(cè)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(dá)1000Hz，精度可達(dá)0.01N；5）使用頻次可以達(dá)到300萬(wàn)次工業(yè)級(jí)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(jí)別的微小變形，賦予機(jī)器人豐富的觸覺感知能力。在傳統(tǒng)三維/六維力檢測(cè)的基礎(chǔ)上，安裝在PX-6AX上的柔性傳感陣列能額外為機(jī)器人提供滑動(dòng)、摩擦、紋理、溫度等額外信息，使用壽命達(dá)到300萬(wàn)次，使得機(jī)器人能在更豐富多元的場(chǎng)景下完美感知，完成復(fù)雜的自適應(yīng)動(dòng)作。傳感器上布滿多個(gè)按壓點(diǎn)，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(dòng)機(jī)器人量產(chǎn)。2.4.4電子皮膚：或?yàn)闄C(jī)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(jī)器人的“皮膚”。傳統(tǒng)的傳感器因其硬度和剛性，無(wú)法應(yīng)用在比如在人形機(jī)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(jī)器人中可幫助機(jī)器人獲取環(huán)境中和本體中的物理化學(xué)信號(hào)，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(shì)，甚至功能需遠(yuǎn)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(jī)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(jī)器人表面，可以讓機(jī)器人感知到外部交互信息，讓機(jī)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(jī)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(diǎn)。據(jù)華經(jīng)情報(bào)產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)測(cè)，全球柔性電子2025年市場(chǎng)規(guī)?？蛇_(dá)3049.4億美元。近年來(lái)隨著人形機(jī)器人、仿生學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，可