人形機(jī)器人開啟新長(zhǎng)征

1、人形機(jī)器人，產(chǎn)業(yè)趨勢(shì)還是曇花一現(xiàn)？特斯拉發(fā)布 Bot，掀起人形機(jī)器人熱潮在 2021 年的 Tesla AI Day 上，馬斯克公布了人形機(jī)器人 Tesla Bot（Optimus）的概念。近期，馬斯克又將原計(jì)劃 8 月 19 日舉辦的特斯拉 AI 日，改為 9 月 30 日舉辦，因?yàn)閷脮r(shí)將發(fā)布 Optimus（“擎天柱”）原型機(jī)。據(jù)官方描述，特斯拉 Optimus 機(jī)器人身高約 172CM、體重約 56KG，能夠硬拉 68KG左右，它的誕生是為了消除危險(xiǎn)、重復(fù)和無聊的任務(wù)，以便人類可以專注于更加愉快的工作。長(zhǎng)期以來，馬斯克對(duì)人工智能發(fā)展的危險(xiǎn)性和缺乏監(jiān)管的狀態(tài)直言不諱，但他向外界保證 Opt

2、imus 是友好無害的，特斯拉機(jī)器人的速度被特意設(shè)計(jì)得很慢，最高時(shí)速約為 2 米/秒，并且比人類更弱。據(jù)稱，該款人形機(jī)器人結(jié)合了特斯拉的 AI 技術(shù)，即基于視覺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)系統(tǒng)預(yù)測(cè)能力的自動(dòng)駕駛技術(shù)，具有極強(qiáng)算力的 DOJO D1 超級(jí)計(jì)算機(jī)芯片，Dojo 架構(gòu)擁有一個(gè)大規(guī)模計(jì)算平面，極高寬帶和低延遲。作為 Dojo 架構(gòu)的重要組成部分，D1 芯片采用 7 納米制造工藝，處理能力為每秒 1024 億次。由于每個(gè) D1 芯片之間都是無縫連接在一起，相鄰芯片之間的延遲極低，訓(xùn)練模塊最大程度上實(shí)現(xiàn)了帶寬的保留，配合特斯拉自創(chuàng)的高帶寬、低延遲的連接器，算力高達(dá) 9PFLOPs（9000 萬億次）。 圖

3、1：Optimus 三維渲染圖快科技，Techweb，人形機(jī)器人，各項(xiàng)用途的最大公約數(shù)中國(guó)電子工業(yè)學(xué)會(huì)將機(jī)器人劃分為 工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、特種機(jī)器人三類。其中，1）工業(yè)機(jī)器人指面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度機(jī)器人，在工業(yè)生產(chǎn)加工過程中通過自動(dòng)控制來代替人類執(zhí)行某些單調(diào)、頻繁和重復(fù)長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)；2）服務(wù)機(jī)器人是指在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下為人類提供必要服務(wù)的多種高技術(shù)集成的先進(jìn)機(jī)器人；3）特種機(jī)器人指代替人類從事高危環(huán)境和特殊工況的機(jī)器人。目前，全球機(jī)器人發(fā)展已有超過半個(gè)世紀(jì)，但據(jù) IFR 數(shù)據(jù)，2019 年全球工業(yè)機(jī)器人保有量?jī)H 272 萬臺(tái)，按照世界人口網(wǎng)數(shù)據(jù) 2019 年全球 230 個(gè)國(guó)家

4、75 億人口計(jì)算，工業(yè)機(jī)器人的人均保有量?jī)H為 3.63 臺(tái)/萬人。2019 年，工業(yè)機(jī)器人受全球貿(mào)易摩擦升級(jí)影響，新安裝量出現(xiàn)下滑，據(jù) IFR 預(yù)計(jì)，到 2022-2023 年才可能恢復(fù)至疫情前水平。相比之下，服務(wù)機(jī)器人、特種機(jī)器人因疫情催化“非接觸”使用場(chǎng)景增加，發(fā)展勢(shì)頭迅猛。回顧過去幾十年發(fā)展歷史，工業(yè)機(jī)器人發(fā)展速度遲緩，除了受宏觀經(jīng)濟(jì)影響外，還與其初級(jí)的智能水平、難以遷移的應(yīng)用環(huán)境有關(guān)。傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人主要是解決傳統(tǒng)制造業(yè)的效率問題，在靜態(tài)、結(jié)構(gòu)化、確定性的無人環(huán)境中完成重復(fù)性作業(yè)，其工作特點(diǎn)在于空間相對(duì)隔離、與人非接觸、預(yù)編程或示教再現(xiàn)控制、需要外部安全保障。伴隨制造業(yè)本身的升級(jí)和轉(zhuǎn)型，

5、小批量、多品種、短周期、個(gè)性化將成為新興制造業(yè)的顯著特點(diǎn)，因此工業(yè)機(jī)器人的趨勢(shì)也將是可融入人類生產(chǎn)與生活環(huán)境、與人優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、合作互助，進(jìn)而成為具備可變作業(yè)能力的人類助手型機(jī)器人。 圖2：工業(yè)機(jī)器人新安裝量出現(xiàn)下滑（萬臺(tái)，%） 圖3：全球工業(yè)機(jī)器人保有量（萬臺(tái)）40 42.237.330.422.125.416.6 15.9 17.812.16504030201002009 20102011 201220132014 20152016 2017 20182019120%100%80%60%40%20%0%-20%30025020015010050272244213184147163133102

6、106 115 12420092010201120122013201420152016201720182019MBA 智庫eMarkete，艾媒網(wǎng)，Statista, 機(jī)器人最終需要在人類所處的現(xiàn)實(shí)環(huán)境中工作。開發(fā)人形機(jī)器人比修改整個(gè)環(huán)境顯得更經(jīng)濟(jì)合理。現(xiàn)代社會(huì)的環(huán)境是為人類自身設(shè)計(jì)的，例如，走廊的寬度、階梯的高度、扶手的位置和門把的位置等數(shù)不勝數(shù)的事物都要適合人的尺寸和運(yùn)動(dòng)，這些是社會(huì)建造過程中的沉沒成本。因此，當(dāng)機(jī)器人具有人的形狀并能像人一樣活動(dòng)時(shí)，就不需要為機(jī)器人而改變?nèi)说沫h(huán)境。常見的輪式機(jī)器人使用條件苛刻，需要在一個(gè)非常平的地面上來使用，沒有任何的越障能力，這種理想的工作環(huán)境其實(shí)是非常

7、少的。如果要想滿足它豐富功能的話，還是要做成一個(gè)有自主越障能力，所以人形是一個(gè)好的選擇。下一代的商業(yè)入口人形機(jī)器人較其他服務(wù)機(jī)器人更容易被人們接受。參照“恐怖谷效應(yīng)”，在中等程度偏上的逼真性以前，無論是靜態(tài)仿真物還是動(dòng)態(tài)仿真物，人們對(duì)它的好感程度是隨逼真性的提高而增加。也就是說，中等偏上程度的仿真時(shí)最受人們歡迎的，最能夠贏得受眾。而隨著逼真性向較高程度增強(qiáng)，人們的好感度會(huì)陡然下降。在“恐怖谷理論“第一段曲線上升部分，人類與人形機(jī)器人更容易產(chǎn)生情感上的交流。人形機(jī)器人在外形和行為設(shè)計(jì)上模仿人類，具有手部、足部、頭部和軀干等，容易獲得人類好感、親近感并能滿足情感認(rèn)同。并且它們與人類接近程度越高，被

8、接受和認(rèn)可的程度就越高，具有人的外形是機(jī)器人成為人類伙伴并為人們帶來樂趣的非常重要的因數(shù)。人形機(jī)器人有望成為繼手機(jī)、汽車后的又一入口，商業(yè)價(jià)值巨大。手機(jī)入口整合了通話、地圖、工作、娛樂等眾多功能，是各功能依托的總?cè)肟?。而人形機(jī)器人功能更加全面，與人互動(dòng)場(chǎng)景多元更加多元，有望成為新的商業(yè)入口。根據(jù)艾媒網(wǎng)、Statista 數(shù)據(jù)，2021 年我國(guó)人均花費(fèi)在手機(jī)上的時(shí)間達(dá)到 3.3 小時(shí)/天。此外，2021 年移動(dòng)應(yīng)用的用戶支出達(dá)到 1700 億美元（約合 1.08 萬億人民幣），與去年相比增長(zhǎng)了 19%。下載量以同比 5% 的速度繼續(xù)增長(zhǎng)，達(dá)到 2300 億次。 圖4：根據(jù)“恐怖谷“理論，人形機(jī)器

9、人更容易贏得受眾 圖5：人均手機(jī)使用時(shí)長(zhǎng)（min）19821423017113911885996373395522250200150100500MBA 智庫eMarkete，艾媒網(wǎng)，Statista, 展望人形機(jī)器人的未來發(fā)展速度，我們認(rèn)為可以參考特斯拉電動(dòng)車的放量節(jié)奏?；厮輾v史， Model-S 在 2012 年推出，2013 年特斯拉電動(dòng)車銷量達(dá)到 2.2 萬輛，2014 年達(dá)到 3.2 萬輛， 2015 年實(shí)現(xiàn) 5.1 萬輛。隨著 2017 年推出 Model-3 達(dá)到大規(guī)模生產(chǎn)，銷量快速增長(zhǎng)，從 2017年的 10 萬輛快速增長(zhǎng)到 2021 年的近 100 萬輛。我們認(rèn)為，特斯拉汽車銷

10、量的絕對(duì)額增長(zhǎng)是從 Model-3 的推出開始加速，起初走的是高端概念型路線，往往是忠實(shí)粉絲開始應(yīng)用，同時(shí)搜集各種數(shù)據(jù)進(jìn)行改進(jìn)，然后逐步起量。我們認(rèn)為人形機(jī)器人的發(fā)展過程可能也與此有相似之處。 圖6：特斯拉電動(dòng)車及全球純電動(dòng)汽車銷量（萬輛）特斯拉年度銷量全球電動(dòng)車銷量460.0218.8163.5119.090.793.2.23.212.921.95.149.57.65010.324.36.58650040030020010002013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021資料來源：，太平洋汽車，車東西，汽車之家，真鋰研究，車質(zhì)網(wǎng)，產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)，參考信息

11、網(wǎng)，不同的是，對(duì)于人形機(jī)器人，其他科技企業(yè)會(huì)更快地跟進(jìn)，國(guó)內(nèi)與國(guó)外科技企業(yè)都紛紛注意到這個(gè)賽道，在做前瞻布局。一些領(lǐng)先企業(yè)在做準(zhǔn)備，明年也將推出，因而真正放量時(shí)不僅要考慮特斯拉，其他國(guó)內(nèi)外企業(yè)也會(huì)放量。如果人形機(jī)器人的放量節(jié)奏類似于特斯拉汽車，那么 2023-2024 年人形機(jī)器人可以大致對(duì)應(yīng)特斯拉 2013-2014 年的銷量，隨著其他廠商原型機(jī)推出后也逐步起量，2025 年開始人形機(jī)器人對(duì)標(biāo) 2015 年全球純電動(dòng)車銷量。但對(duì)于 9 月 30 日發(fā)布的機(jī)器人，我們認(rèn)為不應(yīng)抱有過高的預(yù)期，原因在于人形機(jī)器人對(duì)智能化水平、通信、執(zhí)行、傳感等方向的要求非常高，最終較為理想的人形機(jī)器人一定是經(jīng)過多

12、次迭代，不斷打磨后的產(chǎn)品。而特斯拉 bot 的到來，其最重要的意義在于開啟了整個(gè)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展過程，未來一段時(shí)間，預(yù)計(jì)很多科技企業(yè)都會(huì)向人形機(jī)器人的方向努力，爭(zhēng)奪賽道，產(chǎn)業(yè)趨勢(shì)可能會(huì)加速來到我們面前。Optimus 的前輩們Tesla Bot 并非首款人形機(jī)器人，從 21 世紀(jì)初本田發(fā)布首款人形機(jī)器人 AISMO 原型機(jī)開始，全球多家科技公司及高校先后發(fā)布人形機(jī)器人。從設(shè)計(jì)初衷來看，人形機(jī)器人定位多用于生活服務(wù)，與人類交互，以及專門用于科研領(lǐng)域。其中，較為知名的不乏有波士頓動(dòng)力的 Atlas機(jī)器人、歐洲 iCUB、軟銀的 Pepper、Alderbran 公司的 Nao 機(jī)器人，以及優(yōu)必選 W

13、alker 系列。研究他們的設(shè)計(jì)思路，對(duì) Optimus 也會(huì)有所借鑒。本田 ASIMOAtlas 系列歐洲 iCUBPOPPY表1：歷史上知名的人形機(jī)器人（列表 1）圖片展示法國(guó)團(tuán)隊(duì) INRIA Flowers歐洲幾個(gè)大學(xué)組成的聯(lián)合開發(fā)組織RobotCubGoogle 子公司波士頓動(dòng)力&美國(guó)國(guó)防部本田廠商國(guó)家日本美國(guó)歐洲法國(guó)2016 年2011 年2013 年 7 月2000 年首次發(fā)布時(shí)間自由度設(shè)計(jì)初衷第一代 26 個(gè)自由度；第二代 34個(gè)自由度；第三代 57 個(gè)自由度。主要用于科研，全球共 100 套左四肢共擁有 28 個(gè)自由度?；谠缙?PETMAN 檢測(cè)化學(xué)iCub 3 具有 53

14、個(gè)驅(qū)動(dòng)自由度25 個(gè)自由度及發(fā)展現(xiàn)狀右，世界上最先進(jìn)機(jī)器人之一。防護(hù)衣的人形機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)能力的提升。驗(yàn)證人類認(rèn)知模型的合理性制造一款仿生的機(jī)器人像不到 5 歲的孩子。可匍匐太空服外形?？上袢祟愐粯油瓿?字行走，下臺(tái)階、彎腰等復(fù)雜特點(diǎn)動(dòng)作，也可以完成端茶送水等任務(wù)?？纱怪逼鹛?、跨越障礙、后空翻、舞蹈，兵逐步開啟手腳均可參與的酷跑功能。四肢，坐起，平衡行走，身體與環(huán)境互動(dòng)，識(shí)別物體。是世界上為數(shù)不多的具有靈敏的全身電子皮膚系統(tǒng)提供觸覺的機(jī)器人之一。主要部件均通過 3D 打印生產(chǎn)，包含 5 個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的脊柱，腿部可以彎曲，使其能像人類一樣，保持一定姿態(tài)的同時(shí)更自然的運(yùn)動(dòng)。iClub3 每條手臂配

15、備了個(gè)電引入脊柱概念，用 5 個(gè)伺服作動(dòng)器：伺服電機(jī)+ 諧波減速器機(jī)、每只手 9 個(gè)、頭部 6電機(jī)構(gòu)建脊柱。膝蓋用彈簧+ 驅(qū)動(dòng)單元個(gè)、軀干（腰）3 個(gè)、以及每連接下肢上部和下部關(guān)節(jié)?？刂蒲b置：行走/操作控制單元，第一版需要用電纜傳輸電源條腿 6 個(gè)。鞋子放置 5 個(gè)壓力傳感器。無線發(fā)送單元配置與信號(hào)，新一代可通過電池頭部?jī)?nèi)置了可做“眼睛”的總共 16 個(gè)力傳感器傳感器：腳部 六軸向腳部方位傳供電，無線控制。立體旋轉(zhuǎn)攝像頭、做耳朵的（FSR），2 個(gè) PS 眼睛，1感器、軀體陀螺儀和加速傳感器雙麥克風(fēng)、以及可反映嘴部個(gè) IMU（9DDL），4.3電源部分：38.4V/10AH(鎳鋅)與眉毛動(dòng)作的

16、 LED 線條，每LCD 480272 像素，立體顯操作部分：操縱臺(tái)和便攜控制器個(gè)指尖有觸覺傳感器。微鏡，Raspberry Pi身高1.3m1.5m1.25m0.84m體重48kg75kg52kg3.5kg資料來源：人工智能機(jī)器人聯(lián)盟，MAXON，百度百科，搜狗百科，整理從配置上看，雙足服務(wù)型機(jī)器人自由度均在 40 個(gè)左右，多的可以達(dá)到 50 以上，電源采用鋰電池，續(xù)航時(shí)間短則 1-2h，長(zhǎng)的可以達(dá)到十?dāng)?shù)個(gè)小時(shí)，電機(jī)均采用直流電機(jī)，全身配備數(shù)十個(gè)甚至上百個(gè)傳感器，本體結(jié)構(gòu)多采用碳纖維、工業(yè)塑料等輕質(zhì)材料，或?qū)|(zhì)感、觸感有要求的橡膠等。ROMEOPepperNaoWalker表2：歷史上知名的

17、人形機(jī)器人（列表 2）圖片展示優(yōu)必選Alderbran 公司日本軟銀集團(tuán)和 Alderbran公司Alderbran 公司廠商國(guó)家法國(guó)日本法國(guó)中國(guó)2018 年2008 年2015 年2012 年首次發(fā)布時(shí)間自由度設(shè)計(jì)初衷及發(fā)展現(xiàn)狀特點(diǎn)配置37 個(gè)自由度（眼睛 2 個(gè)，每只腳 1 個(gè)，后背 3 個(gè)，每只手 1 個(gè)）用于個(gè)人護(hù)理。目前已經(jīng)可以在實(shí)驗(yàn)室完成行走，觀察周圍 3D 環(huán)境，聽、說等?？雌饋硐褚粋€(gè)小男孩，面部表情柔和，可以識(shí)別人的情緒，并調(diào)整自己的行為。有 39 臺(tái)來自瑞士的直流電機(jī)，其中 RE 40 和 RE 25 各有十臺(tái)。還使用了不同規(guī)格的 RE-max 系列款型以及五臺(tái) DCX 電機(jī)

18、（特點(diǎn)在于高效，并便于在線配置）。所有驅(qū)動(dòng)器均為有刷電機(jī)，配備特殊的無鐵芯繞組，調(diào)節(jié)性極佳。為了降低重量，主要結(jié)構(gòu)采用碳纖維與橡膠材料。20 個(gè)自由度（頭部 2 個(gè)，手臂 5*2，手 1*2，腿 3 個(gè)）定位是與人類交互。全球有超過 2000 家企業(yè)采用 Pepper，服務(wù)零售、金融、健康護(hù)理、教育等眾多行業(yè)?？筛鶕?jù)人類的表情、聲音等判斷人類的心情，從而選擇不同的談話內(nèi)容。有一個(gè)顯示屏，可以展示自己的心情。鋰電池：容量30.0Ah/795Wh運(yùn)行時(shí)間：約超過 12 小時(shí)頭：Mic x 4、揚(yáng)聲器 x 2、 2 x 500 萬像素?cái)z像頭，3D攝像頭、觸控傳感器 x 3 胸：陀螺儀傳感器 x 1、

19、慣性傳感器手：觸控傳感器 x 2腿：聲納傳感器 x 2、激光傳感器x 6、紅外傳感器 x 2、全向輪 x 3、觸碰傳感器 x 325 個(gè)定位為開發(fā)平臺(tái)。開發(fā)給所有高教項(xiàng)目。是一款應(yīng)用遍及全球教育市場(chǎng)的雙足人形機(jī)器人。擁有與人類一樣自然的肢體語 言，能夠聽、看、說 ，也能與人互動(dòng) ，或 NAO 之間彼此進(jìn)行互動(dòng)。NAO 能提供一個(gè)獨(dú) 立、完全可編程、功能強(qiáng)大且易用的操作應(yīng)用環(huán)境。機(jī)體材料：工業(yè)塑料可抓握的雙手充電器：AC 90-230 V/DC 24 V電池能量：持續(xù)時(shí)間約 90 min兩個(gè)揚(yáng)聲器及嗓音合成四個(gè)擴(kuò)音器，以及語言分析和識(shí)別系統(tǒng)視覺: 兩個(gè)CMOS 攝像頭聯(lián)接類型：無線網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò) (I

20、EE 802.11g) 和以太網(wǎng)端口。支持很多種編程環(huán)境第二代 36 個(gè)自由度，Walker X 有41 個(gè)自由度在家庭場(chǎng)景和辦公場(chǎng)景自由活動(dòng)和服務(wù)集六大 AI 技術(shù)于一身，搭載高性能伺服關(guān)節(jié)以及多維力覺、多目立體視覺、全向聽覺和慣性、測(cè)距等全方位的感知系統(tǒng)。負(fù)載：伸展?fàn)顟B(tài)單臂 1.5kg ；視覺&導(dǎo)航：定位精度 10cm，導(dǎo)航精度 20cm，精定位精度 1cm電源：鋰電池 54.6V/10Ah/ 3.6 kg；充電：2h；處理器：Intel i7 8665U 頻率1.9Ghz *2；NVIDIA GT1030 顯卡，384 核心；軟件框架：ROSA ；操作系統(tǒng)：Ubuntu+ Linux R

21、T Preempt+Android身高1.46m體重40kg1.2m28kg0.58m5.4kg第二代 1.45m， WalerX 1.3m第二代 77kg, WalkerX 63kgMAXON，百度百科，搜狗百科，cnBeta整理人形機(jī)器人的可能解決方案有哪些？人形機(jī)器人的成本構(gòu)成與工業(yè)機(jī)器人有哪些區(qū)別？從外形上看，人形機(jī)器人采用的是 L 型結(jié)構(gòu)，每個(gè)關(guān)節(jié)緊密連接，其集成度要比傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人更加緊湊，也更加靈活。而從成本上構(gòu)成上看，二者也有一定的差異。傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈，包括上游零部件供應(yīng)商、中游本體供應(yīng)商、下游系統(tǒng)集成和服務(wù)提供商，以及終端應(yīng)用市場(chǎng)。其中有減速器、控制器、伺服系統(tǒng)分別

22、占 31%、10%、20%。本體占比在 24%，系統(tǒng)集成約占比 14%。相比之下，根據(jù)我們的產(chǎn)業(yè)鏈調(diào)研，人形機(jī)器人的本體在成本中占比要低于工業(yè)機(jī)器人。由于工業(yè)機(jī)器人對(duì)負(fù)載的要求更高，通常需要用到鑄鐵、高強(qiáng)度鋼等金屬材料制作，而人形機(jī) 器人通常采用密度更小的金屬材料，或者復(fù)合材料制作，其本體在整個(gè)生產(chǎn)中的占比通常在 15%左右，而工業(yè)機(jī)器人本體在生產(chǎn)成本中占比通常在 20%以上。在傳感方面，人形機(jī)器人全身需要多處傳感器，因此在生產(chǎn)成本中也占有較高的比重。 圖7：工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)成本構(gòu)成 圖8：人形機(jī)器人生產(chǎn)成本構(gòu)成系統(tǒng)集成,14%減速器,31%本體, 24%伺服系統(tǒng),20%控制器,10%系統(tǒng)集成等

23、其他, 15%外圍視覺、激光、雷達(dá)、傳感等, 15%減速器,20%控制器,10%本體, 15%伺服系統(tǒng),15%其他, 1%OFweek 機(jī)器人網(wǎng)，OFweek 機(jī)器人網(wǎng)，驅(qū)動(dòng)和執(zhí)行：諧波減速器+空心杯型伺服電機(jī)減速器：諧波減速器或?yàn)橹饕鉀Q方案，數(shù)量或在 45-50 個(gè)從外形上看，人形機(jī)器人采用的是 L 型結(jié)構(gòu)，每個(gè)關(guān)節(jié)緊密連接，其集成度要比傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人更加緊湊，也更加靈活。而從成本上構(gòu)成上看，二者也有一定的差異減速器是常用作原動(dòng)件與工作件之間的減速傳動(dòng)裝置，在二者之間起到匹配轉(zhuǎn)速、傳遞扭矩的作用。其原理在于，把高速運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力通過減速機(jī)輸入軸上齒數(shù)少的齒輪嚙合輸出軸上的大齒輪，以此來達(dá)到減

24、速的目的，原因在于絕大多數(shù)工作件負(fù)載大、轉(zhuǎn)速低，不適宜用原動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，需通過減速機(jī)來降低轉(zhuǎn)速、增加扭矩。常見的減速器有行星齒輪減速機(jī)、RV 減速機(jī)、諧波減速機(jī)等。類型特點(diǎn)速比維護(hù)適用環(huán)節(jié)圖片展示行星齒輪減速機(jī)體積小、傳動(dòng)效率高、減速范圍廣、精度高，用途廣泛。微型最大在 15-20常規(guī)場(chǎng)合免維護(hù)起重、挖掘、運(yùn)輸、建筑表3：幾種常見減速器的特點(diǎn)及適用領(lǐng)域?qū)Ρ瘸Ｒ?guī)場(chǎng)合免維護(hù)腿部、腰部、肘部85-200優(yōu)點(diǎn)：疲勞強(qiáng)度高、剛度大、壽命長(zhǎng)，同時(shí)可以保證高精度；缺點(diǎn)：是重量、外形尺寸都比較大。RV 減速機(jī)諧波減速機(jī)優(yōu)點(diǎn)：零部件數(shù)目少，體積小、重量 輕、承載能力較大、運(yùn)動(dòng)精度高、單級(jí)傳動(dòng)也比較大；缺點(diǎn)：動(dòng)態(tài)

25、特性抗沖擊能力差。30-2602000h 換油脂小型機(jī)器人或大型機(jī)器人末端的幾個(gè)軸資料來源：蘇州君熠精密傳動(dòng)，成都雙創(chuàng)時(shí)代科技有限公司，機(jī)器人在線，整理工業(yè)機(jī)器人大多使用 RV 減速器，主要原因在于 RV 減速器具有疲勞強(qiáng)度大、剛度大，同時(shí)可以保持高精度等特點(diǎn)，但其缺點(diǎn)是重量大、體積大。另外，部分末端會(huì)用到諧波減速器，諧波減速器的負(fù)載能力略低于 RV 減速器，在力矩輸出要求不是特別高的末端可以滿足要求，其優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕。人形機(jī)器人關(guān)節(jié)處的減速器需要具有傳動(dòng)鏈短、體積小、功率大、質(zhì)量輕、易于控制等特點(diǎn)。根據(jù)公開報(bào)道，Tesla Bot 體重約為 125 磅（56.7 千克），負(fù)載 20kg

26、，也可可通過劇中硬拉姿勢(shì)舉起 150 磅的重物（約 68 千克），考慮到人形機(jī)器人的集成度要求較高，以及其負(fù)載要求，諧波減速器基本可以滿足人形機(jī)器人的要求。根據(jù)我們的產(chǎn)業(yè)鏈調(diào)研，一般的諧波減速器減速比在 85-160 之間，更大一些的可以達(dá)到 200，而減速比直接決定了輸出力的大小，減速比越高，電機(jī)相同轉(zhuǎn)數(shù)下輸出力越大。體積方面，手指部分可以使用直徑 20mm 的減速器，放置于手掌中，肘部可以使用 30-40mm 減速器，肩部可以使用 50-60mm 減速器。目前，國(guó)內(nèi)諧波減速器基本可以滿足要求。事實(shí)上，在機(jī)器人移動(dòng)一個(gè)物體的過程中，真正需要輸出力較大的地方主要在于肩部、肘部、腕部等關(guān)節(jié)，手指

27、等末端關(guān)節(jié)對(duì)力的要求有限，因此部分末端可以使用行星齒輪減速器替代。根據(jù)我們的產(chǎn)業(yè)鏈調(diào)研，行星齒輪減速器的轉(zhuǎn)速比通常在 15-20 之間，如果要實(shí)現(xiàn)更大的力，只能將齒輪縮小，但齒輪過小時(shí)很容易損壞。因此，在體積很小的機(jī)器人中，通?？梢允褂眯行驱X輪減速器，但要做到消費(fèi)級(jí)機(jī)器人，僅可以在末端使用行星齒輪減速器替代諧波減速器。體積方面，諧波減速器由于其結(jié)構(gòu)通常是由三個(gè)行星齒輪，以及中間的一個(gè)太陽輪組成，因此最小的也只能達(dá)到 30-40mm。對(duì)消費(fèi)級(jí)機(jī)器人而言，其負(fù)載通常不會(huì)過大。因?yàn)樨?fù)載較高的情況下，其肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)需要做到很大。另外，機(jī)器人本身也需要保持平衡，機(jī)器配重不足的情況下很容易傾倒，考慮到其

28、在運(yùn)動(dòng)過程中還要加上力和慣性，所以一般要保證機(jī)器人靜態(tài)下的負(fù)重是動(dòng)態(tài)負(fù)重的 2 倍左右。另外，在精度方面，消費(fèi)級(jí)機(jī)器人的精度不會(huì)像工業(yè)機(jī)器人那么高，在加入編碼器的情況下可以達(dá)到 0.01mm，只要執(zhí)行到位即可，相比之下，工業(yè)機(jī)器人，比如加工機(jī)床精度需要達(dá)到 0.002-0.005mm。那么，機(jī)器人全身需要多少個(gè)減速器？根據(jù)我們的產(chǎn)業(yè)鏈調(diào)研，人形機(jī)器人的減速器一般不少于 40 個(gè)。具體數(shù)量主要取決于手指數(shù)量、手腕彎曲度、腿部彎曲度等。一般，指關(guān)節(jié)可以通過拉線、編碼器來完成，一根手指最多需要一個(gè)減速器，每只手 5 個(gè)手指則需要 4-5 個(gè)減速器。因此，一般兩只手臂、一個(gè)脊、每只手 5 個(gè)手指的機(jī)器

29、人其減速器數(shù)量大約在 45-50 個(gè)。減速器的價(jià)格一般與其體積有關(guān)，一般直徑越大的減速器價(jià)格越高。由于機(jī)器人的自由度較高，全身的減速器數(shù)量也較多，因此在總成本中，減速器的占比也要略高于工業(yè)機(jī)器人。伺服系統(tǒng)：電機(jī)驅(qū)動(dòng)是主流解決方案機(jī)器人自由度的運(yùn)動(dòng)，可能依靠舵機(jī)，電機(jī)，推桿，氣或者液壓的伸縮桿，控制器可以對(duì)這些部件進(jìn)行控制。從過往人形機(jī)器人的伺服解決方案可以看出，Atlas 采用了液壓驅(qū)動(dòng)，其優(yōu)點(diǎn)在于可以承受高負(fù)載。例如在 Atlas 完成后空翻動(dòng)作時(shí)，落地時(shí)沖擊力會(huì)非常大，如果采用電機(jī)方案，可能會(huì)導(dǎo)致爆炸，而液壓結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，除了油壓自身的可壓縮性，如果使用蓄能器，還能起到減震作用，使肌體更有

30、彈性。但液壓肢體結(jié)構(gòu)的問題在于可能會(huì)漏油。此外，Poppy 機(jī)器人則選擇了舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)際上，舵機(jī)也相當(dāng)于一個(gè)完整的伺服系統(tǒng)，里面包含了電機(jī)、傳感器、伺服控制器等部件，其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)緊湊，但缺點(diǎn)是精度很低，位置鎮(zhèn)定能力較差，只能滿足一些機(jī)器人的初級(jí)功能需求。因此除此之外，歷史上對(duì)于負(fù)載沒有過高要求的人形機(jī)器人，大部分都采用了電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。從數(shù)量上看，按照歷史上已經(jīng)發(fā)布的幾款人形機(jī)器人，頭部自由度一般至少有 2-3 個(gè)，每只手臂有 4-7 個(gè)自由度，每只手 1-5 個(gè)自由度，每條腿 3-6 個(gè)自由度，軀干（腰部）2-3 個(gè)自由度。根據(jù)澎湃新聞報(bào)道，預(yù)計(jì)特斯拉 Optimus 人形機(jī)器人的脖

31、子、胳膊、手、腿、軀干累計(jì)搭載了 40 個(gè)機(jī)電傳動(dòng)器?；九c Walker 和 ROMEO 的自由度數(shù)量相當(dāng)。本田 ASIMOAtlas 系列歐洲 ICUBPOPPYROMEOPepperNaoWalker表4：幾款人形機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)解決方案圖片展示第三代 57 個(gè)自由度（電機(jī)驅(qū)28 個(gè)自由度（液壓驅(qū)動(dòng)）54 個(gè)自由度（電機(jī)驅(qū)動(dòng)）25 個(gè)自由度（舵機(jī)驅(qū)動(dòng)）39 臺(tái)直流電機(jī)：20 個(gè)自由度（電機(jī)驅(qū)25 個(gè)自由度（電機(jī)驅(qū)動(dòng)）41 個(gè)自由度（電機(jī)驅(qū)動(dòng)）：腿部 3*2手臂 7*2頭部 2RE 40 十臺(tái)動(dòng)）頭部 2動(dòng)）伺頭部 3腳踝 2*2手部 9*2手臂 5*2RE 25 十臺(tái)頭部 2手臂 5*2

32、腿 6*2服臂部 72腹部 2頭部 6手部 1*2RE-max 系列手臂 4*2胯部 1臂 7*2電手部 132手臂 6*2腰部 3腿部 3*2以及 DCX 電機(jī)手部 2*2腿部 5*2手 6*2機(jī)腰部 2腕部、機(jī)械手：腿部 6*2脊柱 5五臺(tái)（高效，腿部 3手部 1*2頸*3腿部 622*2便于在線配底座 3 個(gè)全置）向輪HONDA，靜液壓，千家智客，TPOLY，MAXON，百度百科，搜狗百科，機(jī)器人的伺服系統(tǒng)，包括伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、指令機(jī)構(gòu)三大部分。其中，伺服電機(jī)（server motor）是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，指在伺服系統(tǒng)中，控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置。伺服電機(jī)可使控

33、制速度，位置精度非常準(zhǔn)可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。伺服驅(qū)動(dòng)器(server drives)，又稱為“伺服控制器”、“伺服放大器”，是用來控制伺服電機(jī)的控制器，其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達(dá)，伺服驅(qū)動(dòng)器主要用于高精度的定位系統(tǒng)，一般通過位置、速度、力矩三種方式對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行控制，屬于傳動(dòng)技術(shù)的高端產(chǎn)品。指令機(jī)構(gòu)是發(fā)脈沖或者給速度用于配合驅(qū)動(dòng)器正常工作的。伺服驅(qū)動(dòng)器向電機(jī)線圈供應(yīng)電壓、電流，然后通過監(jiān)控反饋來閉環(huán)伺服環(huán)路，為伺服電機(jī)供電。多數(shù)情況下，伺服驅(qū)動(dòng)器含有三個(gè)嵌入式伺服環(huán)路：電流環(huán)（扭矩環(huán)、內(nèi)部換）、速度環(huán)、位置環(huán)，三個(gè)環(huán)路相互作用，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)控制。人形機(jī)器人的

34、伺服系統(tǒng)解決方案是怎樣的？從外觀上看，工業(yè)機(jī)器人的伺服系統(tǒng)體積較大，有部分機(jī)器人伺服系統(tǒng)外置，因此其集成度不比人形機(jī)器人。另外，工業(yè)機(jī)器人通常使用交流伺服電機(jī)，對(duì)精度要求更高、體積更大，而人形使用的是直流無框力矩電機(jī)，可以在較小體積下輸出較大的力，而且沒有外框，只有一個(gè)轉(zhuǎn)子、定子。從組成上看，人形機(jī)器人的伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、編碼器、減速器等集成在一起，整體組成一個(gè)“空心杯”形狀的集合，整個(gè)杯形的集合體有輸入端、輸出端，通過一根總線、一根電源線，跟控制器聯(lián)系在一起。由于人的手臂、軀干都是圓形，因此做成杯形更利于本體的安裝。一般，人形機(jī)器人每個(gè)關(guān)節(jié)都要一個(gè)杯形的集合體，一個(gè)手指上面需要一個(gè)電機(jī)，手指

35、上各關(guān)節(jié)可以通過拉線的方式，利用杠桿原理實(shí)現(xiàn)彎曲。此外，人形機(jī)器人各伺服系統(tǒng)之間是采用串聯(lián)方式，工業(yè)機(jī)器人一般采用并聯(lián)方式。 圖9：空心杯伺服電機(jī) 圖10：空心杯伺服電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)資料來源：北京博創(chuàng)興盛機(jī)器人技術(shù)有限公司資料來源：找磁材伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般根據(jù)機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景而定，例如機(jī)器人的身高、體重、負(fù)載等。由于驅(qū)動(dòng)器是圍繞關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)，因此需要根據(jù)機(jī)器人的需要的力反過來進(jìn)行推算。另外，電力系統(tǒng)的功率輸出最后決定了力的輸出，因此執(zhí)行電機(jī)的電流也要據(jù)此進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)我們的產(chǎn)業(yè)鏈調(diào)研，一般驅(qū)動(dòng)器和后端輸出的力的比值應(yīng)在 1.2-1.5 倍，之所以保證一定的余量，主要是防止機(jī)器人的某個(gè)部位被卡住時(shí)，電機(jī)繼

36、續(xù)執(zhí)行，電流達(dá)到最大可能會(huì)對(duì)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器造成的傷害。一般解決的方式可以采用逆反饋、電流的反饋，加入一些智能算法，反饋給控制器，保證機(jī)器人某個(gè)部位被卡住是不會(huì)燒壞電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器。伺服系統(tǒng)的難點(diǎn)主要在于，從驅(qū)動(dòng)器上看，其上端需要對(duì)接控制器，下端需要對(duì)應(yīng)電機(jī)，由于各廠家控制器參數(shù)不同，且后端驅(qū)動(dòng)功率、應(yīng)用范疇、便長(zhǎng)城、執(zhí)行選項(xiàng)等參數(shù)較多，如何能夠?qū)崿F(xiàn)通用性、兼容性，并通過讓客戶能夠快速選項(xiàng)是一個(gè)挑戰(zhàn)。另外，人性格機(jī)器人由于對(duì)集成度的要求較高，剎車、編碼器等都在電機(jī)中，是通過總成的形式插入到減速器中，進(jìn)而連接成一個(gè)本體。因此，數(shù)量龐大的部件中任何一個(gè)出現(xiàn)問題，或者母線出現(xiàn)問題，執(zhí)行機(jī)構(gòu)就無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)

37、而影響整機(jī)的性能。特別需要注意的是，對(duì)于頸關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)、腰關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)等大關(guān)節(jié)來說，可采用標(biāo)準(zhǔn)的電機(jī)組合形式。對(duì)于手部關(guān)節(jié)，空間狹小、要求較高，可選方案較多：雙手 28 個(gè)關(guān)節(jié)均采用微機(jī)電系統(tǒng)；雙手 10 根手指均采用微型電缸控制，電缸可放在手掌空間；無名指、小指、中指聯(lián)動(dòng)，采用微型電缸控制。 圖11：機(jī)器人手部結(jié)構(gòu)圖 圖12：電機(jī)、電缸控制優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比資料來源：機(jī)器人模型設(shè)計(jì)資料來源：聯(lián)華電動(dòng)缸總體上看，采用微型電機(jī)進(jìn)行控制精度更高，一般額定轉(zhuǎn)速能達(dá)到 2000-3000mm 轉(zhuǎn)，及時(shí)性更好，加減速都較快，普遍在幾十毫秒以下，且可承受三倍余額定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，但電機(jī)沒有防油

38、防水功能，無法在高適度和油侵嚴(yán)重環(huán)境下使用，相比之下，電缸的耐腐蝕性比較好，但其精度不如電機(jī)?？刂葡到y(tǒng)：獨(dú)立控制器位于頭部或軀干，開源系統(tǒng)或?yàn)槎鄨?chǎng)景應(yīng)用解決方案運(yùn)動(dòng)控制器的作用，是對(duì)來自伺服回路的各種反饋信息進(jìn)行處理，并據(jù)此對(duì)電機(jī)進(jìn)行換向。運(yùn)動(dòng)控制器與伺服驅(qū)動(dòng)器是經(jīng)常被混淆的兩個(gè)概念，實(shí)際二者在自動(dòng)化領(lǐng)域有著微妙的差異。簡(jiǎn)言之，運(yùn)動(dòng)控制器相當(dāng)于人的“大腦”，伺服驅(qū)動(dòng)器相當(dāng)于“神經(jīng)”，而伺服電機(jī)相當(dāng)于人的 “手”執(zhí)行由大腦、神經(jīng)傳遞過來的命令。作為基于微處理器的設(shè)備，運(yùn)動(dòng)控制器具有生成脈沖寬度調(diào)制（PMW） 波形的復(fù)雜算法。而伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的功率晶體管，通過傳輸電流和電壓波形，來為伺服電機(jī)供電。因

39、此，二者之間的配合原理是，控制器是將特定命令應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)器中位置、速度或電流環(huán)等元件，伺服驅(qū)動(dòng)器再根據(jù)控制器的命令向電機(jī)提供電壓和電流。此外，控制器通常具有編程的功能，可以存儲(chǔ)和運(yùn)行程序員提供的代碼，其中有大量安全元件，可用于組件發(fā)生故障時(shí)防止過載，或停止運(yùn)動(dòng)控制。相比之下，驅(qū)動(dòng)器往往專注于接收控制器輸入的命令，并負(fù)責(zé)功率晶體管的開關(guān)，使產(chǎn)生的電流、電壓滿足命令的要求。工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)控一體在人形機(jī)器人中很難實(shí)現(xiàn)。原因在于人形機(jī)器人的伺服驅(qū)動(dòng)器數(shù)量高達(dá)數(shù)十個(gè)，因此，如果所有驅(qū)動(dòng)器都配有一個(gè)控制器，整個(gè)機(jī)器人的體積將會(huì)非常大，很難實(shí)現(xiàn)。因此，人形機(jī)器人一般有一個(gè)單獨(dú)的控制器（獨(dú)立于伺服電機(jī)、伺服控制

40、器），也被稱作 “上位”。通常人形機(jī)器人的控制器會(huì)被放在頭部，如果視覺、激光雷達(dá)、聽覺傳感器等占用空間過大，控制器也可能被放置在軀干中，因?yàn)檐|干中除了電池之外，還有很大空間可以利用。本田 ASIMOAtlas 系列歐洲 ICUBPOPPYROMEOPepperNao表5：幾款人形機(jī)器人的控制解決方案圖片展示P2：控制計(jì)算機(jī)放使用集成 IMU、動(dòng)作指定并非項(xiàng)目使用在基于 LPPA 所制支持通過 Wi-使用網(wǎng)線或 WIFI置在軀體里，由四聯(lián)合位置和力傳感基于系統(tǒng)本GPL v3 開作的控制圖表功能Fi 接入云端服連接NAO 與電 個(gè)運(yùn)行著 VxWorks器來控制自身的肢身，而是遠(yuǎn)端源，設(shè)計(jì)上，提出了

41、中心控務(wù)器，這能夠腦，并通過Mitek實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的處體動(dòng)作?？刂?，使用名CAD 都是開制，架構(gòu)，可以獲令其表現(xiàn)和各智慧大腦軟件控控理器構(gòu)成，分別控模型預(yù)測(cè)控制器為 ARCHER 的源得高質(zhì)量的被動(dòng)步類識(shí)別系統(tǒng)更制。制制手、腿、關(guān)節(jié)、（MPC）使用機(jī)學(xué)習(xí)型算法體態(tài)模式。加智能。為了一個(gè) CPU 位于頭解視覺。與輸入輸出器人動(dòng)力學(xué)模型來系。用一臺(tái)相擴(kuò)展其應(yīng)用實(shí)部，運(yùn)行一個(gè)決控制板之間通過總預(yù)測(cè)機(jī)器人未來的機(jī)捕獲并處理現(xiàn)，廠商也公Linux 內(nèi)核，并支方線連接。動(dòng)作，優(yōu)化行為，標(biāo)的圖像，對(duì)開發(fā)布了持廠商自行研制的案隨時(shí)間推移產(chǎn)生最失敗的嘗試分SDK，開發(fā)者專有中間件佳動(dòng)作。析，并找出最可個(gè)性化設(shè)（

42、NAOqi）。佳的射擊角定。第二個(gè)CPU，位于度、軌跡等。機(jī)器人軀干內(nèi)。DFROBOT，搜狗百科，NAO 機(jī)器人，百度百科，對(duì)于人形機(jī)器人的控制器而言，其關(guān)鍵主要在于了解客戶的應(yīng)用場(chǎng)景，以及對(duì)相關(guān)工藝的要求。由于終端對(duì)精度要求，每向上一級(jí)疊加都需要留出一定的余量，因此驅(qū)動(dòng)器對(duì)于最終精度的實(shí)現(xiàn)有至關(guān)重要的作用。此外，工業(yè)機(jī)器人一般只有一個(gè)固定底座，只有末端有一些視覺識(shí)別過程，相比之下，人形機(jī)器人的傳感器眾多，數(shù)據(jù)來源有多個(gè)口徑，需要處理的數(shù)據(jù)也很龐大和復(fù)雜，難度較大。另外，由于機(jī)器人對(duì)每個(gè)場(chǎng)景的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練過程也需要一定時(shí)間，因此，單獨(dú)一家廠商還很難將人形機(jī)器人做到各個(gè)場(chǎng)景的通用。一種可能的解決方

43、案是，廠商主要負(fù)責(zé)生產(chǎn)本體，將控制部分做成開源系統(tǒng)，讓不同的人對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行二次開發(fā)，這樣特斯拉人形機(jī)器人就有可能成為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)版的本體，在其能力范圍內(nèi)，由后端的多樣化算法來支持多個(gè)客戶應(yīng)用場(chǎng)景，例如 Poppy 機(jī)器人、Pepper 機(jī)器人。本體+視覺控制等外圍：本體材料輕量化，傳感技術(shù)或仍以視覺為主本體：輕量化的復(fù)合材料、金屬材料為首選，對(duì)觸感要求高的部位或采用硅膠本體在整個(gè)機(jī)器人中屬于輔助部分，主要起到支撐、連接各個(gè)關(guān)節(jié)的作用，在整個(gè)機(jī)器人成本占比中也是最低的，原因在于相比內(nèi)部的核心部件，外部的損傷是較易于修復(fù)的。人形機(jī)器人本體在成本中比重要低于工業(yè)機(jī)器人。由于負(fù)載的要求，工業(yè)機(jī)器人的本體

44、一般需要由鑄鐵、高強(qiáng)度鋼制成。相比之下，人形機(jī)器人的本體一般采用密度更小的復(fù)合材料，或密度更小的金屬材料，如鋁硅、鋁鎂等，其密度比合金鋼更小，但強(qiáng)度、支撐能力也能夠滿足負(fù)載的要求，關(guān)鍵是材質(zhì)相對(duì)更軟，可塑性更好。除此之外，有些機(jī)器人的本體也會(huì)采用碳纖維，在保證橫端拉力的情況下，質(zhì)量也較輕。而在手指等末端、對(duì)質(zhì)感和觸感要求較高的部位也會(huì)采用硅膠作為材料。本田 ASIMOAtlas 系列POPPYNao表6：幾款人形機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)材料解決方案圖片展示工業(yè)塑料肢體：采用 PA 材料（尼龍）和選擇性激光燒結(jié)技術(shù)，3D 打印零件外殼：航空級(jí)鋁和鈦核心部件：3D 打印本體結(jié)結(jié)構(gòu)：鎂合金構(gòu)材料外殼：復(fù)合樹

45、脂DFROBOT ，搜狗百科，NAO 機(jī)器人，此外，一些機(jī)器人的關(guān)鍵零部件，可能會(huì)采用工業(yè)級(jí) 3D 打印技術(shù)。如歷史上法國(guó) INRIA Flowers 研發(fā)的 Poppy 機(jī)器人就是一種 3D 打印機(jī)器人，3D 打印可以降低機(jī)器人本體重量，并減輕伺服電機(jī)等關(guān)鍵部件的壓力，從而降低成本，并實(shí)現(xiàn)快速制作。另外，像波士頓動(dòng)力的 Atlas 機(jī)器人關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件也是使用工業(yè)級(jí) 3D 打印制作，驅(qū)動(dòng)器和液壓管路是被嵌入結(jié)構(gòu)當(dāng)中，所有的動(dòng)態(tài)平衡、傳感、過濾、排污閥、動(dòng)力裝置所需的一切零件，都集成在一個(gè) 3D 打印部件中而非由單獨(dú)的組件制成。 圖13：Poppy 機(jī)器人主要零部件通過 3D 打印完成 圖14：A

46、tlas 機(jī)器人的腿部結(jié)構(gòu)DFROBOTBoston Dynamics，傳感：仍以視覺傳感為主，或引入工業(yè)級(jí)雙目/多目相機(jī)與人相同的是，人形機(jī)器人也需要很多傳感器。根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的不同，可以分為內(nèi)部傳感器、外部傳感器。內(nèi)部傳感器一般用來檢測(cè)機(jī)器人本身狀態(tài)，多為檢測(cè)位置和角度的傳感器。外部傳感器一般用來檢測(cè)機(jī)器人搜出環(huán)境裝款，如物體識(shí)別傳感器、物體探傷傳感器、接近覺傳感器、距離傳感器、力覺傳感器、聽覺傳感器等。傳感器檢測(cè)內(nèi)容應(yīng)用目的傳感器件位置覺物體的位置、角度、距離物體空間位置、判斷物體移動(dòng)光敏陣列、CCD明暗覺是否有光、亮度多少判斷有無對(duì)象，得到定量結(jié)果光敏管、光電斷續(xù)器色覺對(duì)象的色彩及濃度利

47、用顏色識(shí)別對(duì)象的場(chǎng)合彩色攝像機(jī)、濾波器、彩色 CCD形狀覺物體的外形提取物體輪廓及固有特征，識(shí)別物體光敏陣列、CCD表7：機(jī)器人傳感器及核心部件接觸覺與對(duì)象是否接觸、接觸的位置確定對(duì)象位置，識(shí)別對(duì)象形態(tài)，控制速度，安全保障，一場(chǎng)停止，尋徑光電傳感器、微動(dòng)開關(guān)、薄膜特點(diǎn)、壓敏高分子材料壓覺對(duì)物體的壓力、握力、壓力分布力覺有關(guān)部件（如手指）所受外力及轉(zhuǎn)矩接近覺對(duì)象物是否接近，接近距離，對(duì)象面的傾斜控制握力、識(shí)別握持物，測(cè)量物體彈性壓電元件、導(dǎo)電橡膠、壓敏高分子材料控制手腕移動(dòng)，伺服控制，正解完成作業(yè)應(yīng)變片、導(dǎo)電橡膠控制位置，尋徑，安全保障，異常停止滑覺垂直握持面方向物體的位移，重力引起的變形聽覺感

48、受和解釋在氣體、液體、固體中的聲波修正握力，防止打滑，判斷物體重量及表面狀態(tài)對(duì)連續(xù)自然語言中的單獨(dú)語音和詞匯進(jìn)行辨別球形接點(diǎn)式、光電旋轉(zhuǎn)傳感器、角編碼器、震動(dòng)檢測(cè)器電容式駐極體話筒、駐極體振動(dòng)膜（負(fù)責(zé)聲電轉(zhuǎn)換）、場(chǎng)效應(yīng)管YGJ Themes，機(jī)器人傳感器概述，整理從已經(jīng)發(fā)布的幾款人形機(jī)器人來看，視覺、語音、觸覺、力覺、測(cè)距、姿態(tài)等需要基本都需要配備相應(yīng)的傳感器，傳感器的數(shù)量少則十?dāng)?shù)個(gè)，多則上百個(gè)（如 Nao 機(jī)器人）。一般視覺傳感多采用雙目或多目的高清攝像頭、立體攝像機(jī)，姿態(tài)傳感器采用陀螺儀，探測(cè)器包括激光雷達(dá)、聲納、超音波感應(yīng)器等，語音識(shí)別多以麥克風(fēng)形式。本田 ASIMOAtlas 系列歐洲

49、 ICUBPOPPYROMEOPepperNaoWalker圖片展示表8：幾款人形機(jī)器人的傳感器解決方案?jìng)鞲衅? 軸向腳步方位傳感器軀干陀螺儀 加速度傳感器視覺：眼部攝影機(jī)水平感應(yīng)：紅外線感應(yīng)器、CCD攝像機(jī)超音波感應(yīng)器:測(cè)量 3m 范圍內(nèi)的物體（可在黑暗中行走）視覺：激光雷達(dá)定視覺：頭部2 個(gè)高清攝視覺：植入前觸摸傳感位器+立體攝像機(jī)為旋轉(zhuǎn)立體像頭庭系統(tǒng)，穩(wěn)定器（TOF 深度相攝像頭1 個(gè)麥克風(fēng)視覺圖像麥克風(fēng)機(jī)）語音：雙麥1 個(gè)慣性測(cè)語音：使用 163d 攝像姿態(tài)傳感器：陀螺克風(fēng)作為耳量單元路的語音天線頭儀朵16 路力傳感實(shí)現(xiàn)慣性單元觸覺：每個(gè)器，（鞋子揚(yáng)聲器指尖裝有觸上有 5 個(gè)壓激光覺傳

50、感器力傳感器）聲納視覺：2 個(gè)攝像頭語音：4 個(gè)麥克風(fēng)、1 個(gè)聲納 距離：2 個(gè)紅外線發(fā)射器和接收器姿態(tài)：陀螺儀觸覺：9 個(gè)傳感器力傳感器：8 個(gè)加速度傳感器視覺：多目立體視覺全向聽覺和慣性、測(cè)距等感知系統(tǒng)資料來源：傳感器專家網(wǎng)，百度百科，NAO 機(jī)器人，優(yōu)必選官網(wǎng)，鑫玥科技，整理據(jù)中國(guó)傳動(dòng)網(wǎng)，特斯拉即將推出的“擎天柱”人形機(jī)器人運(yùn)用了特斯拉最先進(jìn)的 AI 技術(shù)，其頭部配備了與特斯拉汽車相同的智能駕駛攝像頭，內(nèi)置 FSD 芯片，并基于視覺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)系統(tǒng)預(yù)測(cè)能力的自動(dòng)駕駛技術(shù)驅(qū)動(dòng)，與汽車共用 AI 系統(tǒng)。這意味著，特斯拉人形機(jī)器人延續(xù)了以視覺為主的傳感技術(shù)路線。特斯拉最著名的 AI 算法是其機(jī)

51、器視覺中的純視覺解決方案，預(yù)計(jì)該算法在人形機(jī)器人的制造中將延續(xù)。 圖15：人形機(jī)器人需要多個(gè)傳感器 圖16：特斯拉 2D 到 3D 物體識(shí)別的過程示意圖YOLE資料來源：傳感器技術(shù)，面包板社區(qū)，由于人形機(jī)器人不僅需避障、路徑規(guī)劃，還需要準(zhǔn)確識(shí)別目標(biāo)，因此若要完成類似人手的精密操作，機(jī)器人視覺系統(tǒng)定位精度需達(dá)毫米級(jí)，需引入工業(yè)級(jí)雙目/多目相機(jī)，單機(jī)價(jià)值量相對(duì)普通服務(wù)機(jī)器人較高。預(yù)計(jì)人形機(jī)器人的 3D 傳感器成本將遠(yuǎn)高于普通的服務(wù)機(jī)器人，但要略低于工業(yè)機(jī)器人。此外，激光雷達(dá)通常會(huì)作為視覺傳感的輔助，因?yàn)樵跈C(jī)器人工作過程中，很多物體都是“眼見為虛”的，需要借用激光雷達(dá)對(duì)景深進(jìn)行驗(yàn)證。除視覺之外，人形

52、機(jī)器人還需要加入力傳感器，例如對(duì)于一個(gè)玻璃制成的物體輸出的力，不能等同于對(duì)一個(gè)氣球輸出的力，而力的大小最終由電流決定，因此加入力學(xué)傳感和反饋也是必要的。相同的，還有對(duì)溫度、位置的感知。散熱：風(fēng)冷、散熱器散熱、導(dǎo)熱材料+新興散熱解決方案由于要面對(duì)大量信息，大量的動(dòng)作，人形機(jī)器人運(yùn)算量非常大，其所有的元件都在發(fā)熱，因此，散熱也是研制人形機(jī)器人需要解決的最重要問題之一。在設(shè)計(jì)機(jī)器人時(shí)，通常需要通過各種軟件的模擬來實(shí)現(xiàn)，盡可能讓其少發(fā)熱，或發(fā)熱相對(duì)更集中、更易于散熱，這就需要用到一些工程軟件。此外，在散熱方面，一般有風(fēng)冷、液冷、散熱器、導(dǎo)熱材料等方式。以風(fēng)冷為例，機(jī)器人的散熱結(jié)構(gòu)呆滯包括，表面的機(jī)器外

53、殼、內(nèi)部排氣扇，外殼下部設(shè)置有進(jìn)氣孔，外殼的上部設(shè)置有排氣孔，排氣扇用于使空氣由進(jìn)氣孔進(jìn)入外殼內(nèi)部，并由排氣孔排出。由于進(jìn)氣孔接近散熱結(jié)構(gòu)的最低處，排氣孔位于散熱結(jié)構(gòu)的最高處，熱空氣由排氣孔排至散熱結(jié)構(gòu)外。在此情況下，散熱結(jié)構(gòu)內(nèi)形成低壓，外部的空氣經(jīng)進(jìn)氣孔進(jìn)入散熱結(jié)構(gòu)內(nèi)。冷空氣接觸設(shè)置于外殼內(nèi)部的電路板組件，達(dá)到散熱效果。除了空冷之外，機(jī)器人的散熱也需要配合其他方式。一般，主板控制器結(jié)構(gòu)上會(huì)根據(jù)發(fā)熱源位置安裝散熱器，但是，由于發(fā)熱源于散熱器間會(huì)出現(xiàn)空襲，因此必須將導(dǎo)熱界面原材料彌補(bǔ)在其中傳導(dǎo)熱量，目的是清除空隙中的氣體、增加換熱范圍、降低傳熱系數(shù)、提升散熱性能。導(dǎo)熱硅膠片是常見的導(dǎo)熱界面原材料

54、之一，一般將其組裝在機(jī)器人處理芯片與散熱器或機(jī)殼中間。導(dǎo)熱硅膠片具有高導(dǎo)熱性、質(zhì)地綿軟、有延展性、壓縮率等特點(diǎn)，因此可以密切迎合在芯片和散熱器中間，增加換熱效率。此外，導(dǎo)熱硅膠片還有優(yōu)良的絕緣性、使用方便、不易損耗等特點(diǎn)。 圖17：水凝膠材料制造的軟體機(jī)器人手掌 圖18：軟體手指可在短時(shí)間內(nèi)迅速降溫Scientific Ameircan，Science Robotics，Scientific Ameircan，Science Robotics，除了傳統(tǒng)的散熱方式之外，目前也有科研機(jī)構(gòu)在不斷探索更加類人的散熱機(jī)制，比如“排汗”?？的螤柎髮W(xué)的謝菲德研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種更利于柔性機(jī)器人的散熱方式。由于

55、柔性機(jī)器人很多部件都是由復(fù)合材料制成，其散熱性能不如金屬，而風(fēng)扇燈內(nèi)部散熱技術(shù)占空間較大，重量也較大，因此，謝菲德發(fā)明了機(jī)器人的“排汗系統(tǒng)”。研究團(tuán)隊(duì)通過多材料立體光刻技術(shù)，發(fā)明機(jī)器人“排汗”所必須的納米聚合物材料，該技術(shù)可以通過光將樹脂類材料固化為設(shè)計(jì)好的形狀。研究團(tuán)隊(duì)利用兩種水凝膠材料開發(fā)制造了手指形狀的驅(qū)動(dòng)器，這種水凝膠具有蓄水功能，而且可以根據(jù)溫度來調(diào)節(jié)水分，相當(dāng)于一個(gè)“智能海綿”。當(dāng)溫度達(dá)到 30 攝氏度以上時(shí)，由水凝膠制成的驅(qū)動(dòng)器底層會(huì)隨著溫度上升而收縮，從而將水?dāng)D壓到頂層，頂層由聚丙烯酰胺支撐，密布著微米級(jí)的小孔，與地層相同，當(dāng)溫度高于 30 攝氏度時(shí)，為空會(huì)自動(dòng)打開，開始“排汗

56、”。該研究團(tuán)隊(duì)表示，該排汗系統(tǒng)可讓驅(qū)動(dòng)器表面在 30 秒之內(nèi)下降 21 度，散熱效率畢人體排汗系統(tǒng)高三倍，若由風(fēng)扇燈外置風(fēng)冷設(shè)備，其散熱效率還可提升六倍。但該機(jī)器人也有一定的缺陷，即移動(dòng)性較差，而且補(bǔ)水也是一個(gè)問題。電池：三元鋰電池或?yàn)橹饕鉀Q方案機(jī)器人的電池主要有鎳氫電池、鋰電池、鉛酸蓄電池三類。其中，鎳氫電池主要用于成本控制嚴(yán)格，不需要大容量和大電流放電、安全性要求較高的玩具機(jī)器人、掃地機(jī)器人等領(lǐng)域。鉛酸蓄電池技術(shù)較鋰電池更為成熟，但由于比較笨重，移動(dòng)不方便，基本用于不需要移動(dòng)的機(jī)器人領(lǐng)域，由于污染較為嚴(yán)重，正在逐漸被鋰電池取代。鋰電池主要應(yīng)用于智能服務(wù)機(jī)器人、娛樂經(jīng)紀(jì)機(jī)器人、探險(xiǎn)排爆等特

57、種用途機(jī)器人領(lǐng)域。一般，對(duì)于成本不敏感的機(jī)器人，切要求電池較輕、可提供大電流放電、保障長(zhǎng)使用壽命的機(jī)器人一般會(huì)選擇聚合物鋰電池，如競(jìng)技機(jī)器人、特種機(jī)器人。磷酸鐵鋰在不需要電池大電流放電、低溫性能的 AI 服務(wù)機(jī)器人、工業(yè)較大型機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用較多。三元鋰電池相比聚合物電池成本更低，且能量密度較磷酸鐵鋰電池更大，在機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，尤其是 18650 鋰電池。指標(biāo)鎳氫電池鋰電池鉛酸蓄電池聚合物鋰電池三元鋰電池磷酸鐵鋰電池表9：機(jī)器人電池解決方案圖片一般用作備用電源，安能量密度大、可大電流循環(huán)使用壽命長(zhǎng)，耐高能力密度較大，一致性裝應(yīng)用成本比較低，單成本低、安全性較好放電、低溫性能好、尺溫，安全

58、性能好、生產(chǎn)成較好，適用范圍廣體一致性比較好，技術(shù)寸靈活本較低相對(duì)成熟。優(yōu)點(diǎn)無法滿足大容量、大電缺點(diǎn)流放電成本高循環(huán)使用壽命、熱穩(wěn)定性不如磷酸鐵鋰電池能量密度、低溫性能不如聚合物鋰電池，一致性不如 18650 鋰電池比較笨重，在可移動(dòng)機(jī)器人上安裝非常不方 便；污染嚴(yán)重不需要移動(dòng)的機(jī)器人，AI 服務(wù)機(jī)器人、工業(yè)大型在工業(yè)領(lǐng)域有一定應(yīng)機(jī)器人用。適用范圍廣娛樂競(jìng)技機(jī)器人、探險(xiǎn)排爆等特種用途機(jī)器人適用領(lǐng)低檔玩具類機(jī)器人、掃域地機(jī)器人資料來源：鋰電池百科，格瑞普電池，廣州高勝電子科技，整理人形機(jī)器人電池的配重和續(xù)航市場(chǎng)如何？從發(fā)展歷史上看，幾款較為知名人形機(jī)器人主要經(jīng)歷了外部供電、電池供電兩個(gè)發(fā)展階段。

59、電池供電普遍采用鋰電池組，其安裝的位置最初普遍采用“背包”形式，后逐漸將電池內(nèi)置。從續(xù)航時(shí)間上看，大部分雙足的人形機(jī)器人的連續(xù)工作時(shí)間都在 2 小時(shí)以內(nèi)。然而，根據(jù)我們的產(chǎn)業(yè)鏈調(diào)研，目前機(jī)器人的價(jià)格主要停留在展示和實(shí)驗(yàn)階段，若實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化，其續(xù)航時(shí)間應(yīng)達(dá)到 3-10 個(gè)小時(shí)不等。 本田 ASIMOAtlas 系列歐洲 ICUBPepperNaoWalker X表10：歷史上幾款人形機(jī)器人的電池解決方案圖片展示鋰離子電池 21.6V-2.25Ah鋰電池 54.6V/10Ah48.5Wh鋰電池容量：30Ah/795Wh額定電壓：25.46V循環(huán)壽命：1000 次后仍然保持 70容量電池背包：鋰

60、離子電池51.8V 的可充電第一版：外部供電組 36V-9.3Ah。電池鋰離子電池 (Li-第二版：板載 3.7 千BMS 板、電池狀態(tài)監(jiān)視ION)瓦時(shí)的鋰離子電池組板續(xù)航1 小時(shí)第二版：持續(xù) 1h連續(xù)工作 12h 以上1-1.5 小時(shí)時(shí)間充電：2h續(xù)航（綜合工況）：2h軀干初代裝于背部，iCub3裝于軀干背包位置背包位置，近6kg 重安裝位置資料來源：搜狗百科，鑫玥科技，AI 星球，EDN，Tektronix，天聚機(jī)器人，百度百科，整理目前，人形機(jī)器人普遍采用三元鋰電池。相比汽車主要采用的磷酸鐵鋰電池，三元鋰電池的電流密度更高。由于人形機(jī)器人需要在有限空間和體重情況下滿足更大的動(dòng)力續(xù)航。壽命