<p>近年来，机器人呈现从机械化向仿人化发展的新趋势。</p>
<p>日前，马斯克宣布将于 9 月 30 日发布人形机器人原型机，一石激起千层浪。市场对此展开了多方位研究和分析。</p>
<p>中信建投证券分析师朱玥、张亦弛在最新的报告中认为，<strong>当下市场对仿人机器人的认知仍有重大偏差。</strong></p>
<p>两位分析师认为，目前市场简单复刻工业机器人的硬件构成和技术要求对其供应链进行分析，认为仿人机器人与工业机器人在供应链上相差无几。</p>
<p>但无论是从研发设计角度，还是规模量产角度，仿人机器人与工业机器人差异非常大，在结构设计、硬件构成、控制算法、核心性能要求以及零部件选择上都有很大的差异。</p>
<p>他们表示，<strong>仿人机器人技术壁垒极高，非普通机器人厂家可短期转型：</strong></p>
<blockquote>
<p>“仿人机器人涉及工程学和控制科学，汇集电子、机械、自动化控制及计算机等领域的研究成果，<strong>不是简单买来零部件组装就可实现仿人功能</strong>。仿人机器人核心设计要求也与普通机器人不同，<strong>哪怕是国际领先的工业机器人厂家也很难短期切入</strong>。”</p>
</blockquote>
<h2>仿人机器人的技术构思</h2>
<div>一个普通成年人一般具有 206 块骨骼和近 230 个关节，<strong>构成由 630 肌肉控制的 244 个自由度</strong>。</div>
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<div>如果对人体精确建模，工作将极其复杂，Hanavan 于 1964 年提出将人体模型简化，<strong>通常分为 15 个部分</strong>，对应人体的<strong>头部、胸部、大臂、小臂、手、大腿、小腿及脚部。</strong></div>
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<div><img src="https://imageproxy.pbkrs.com/https://wpimg-wscn.awtmt.com/7b28d89e-0c97-4162-aeff-d6ab7d7118e4.png?x-oss-process=image/auto-orient,1/interlace,1/resize,w_1440,h_1440/quality,q_95/format,jpg" width="694" height="480" original-src="https://imageproxy.pbkrs.com/https://wpimg-wscn.awtmt.com/7b28d89e-0c97-4162-aeff-d6ab7d7118e4.png"/></div>
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<div>仿人机器人是一种具有高自由度、强非线性的动力学系统，<strong>通常采用多刚体动力学系统和仿真数值计算结合的方法进行动力学和运动学分析</strong>。在机器人运动分析中，包含动力学分析和运动学分析，其中运动学分为正运动学和逆运动学。</div>
<div> </div>
<div>仿人机器人不仅具有人体的部分外形，如上肢、头部等，<strong>同时应具备人类的下肢结构和类人的双足步行能力。</strong></div>
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<div>在仿生机构设计过程中，首先根据目标规格，<strong>决定自由度的构成，决定关节类型及数量，在结构上通常由多个单自由度的旋转关节构成。</strong></div>
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<div>通常使用传感器完模拟人对环境的感知，例如机器视觉、压力传感器、触摸传感器、定向麦克风，声呐测距仪等。</div>
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<div><img src="https://imageproxy.pbkrs.com/https://wpimg-wscn.awtmt.com/744a98c4-922d-429c-8314-3ed181d53cfb.png?x-oss-process=image/auto-orient,1/interlace,1/resize,w_1440,h_1440/quality,q_95/format,jpg" width="695" height="504" original-src="https://imageproxy.pbkrs.com/https://wpimg-wscn.awtmt.com/744a98c4-922d-429c-8314-3ed181d53cfb.png"/></div>
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<div><strong>以中小型仿人机器人 NAO 为例，其共有 25 个驱动电机、2 个摄像头、9 个触摸传感器、4 个定向麦克风、8 个压力传感器、2 套红外接收器发生器以及声呐测距仪等。</strong></div>
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<div>NAO 机器人由法国的 Aldebaran Robotics 公司推出，销量达一万多台，公司一直坚持商业化的路径，与波士顿动力、日本 HONDA 有很大的差异，后来被日本的软银收购。后续推出 Pepper，Romeo 机器人。</div>
<h2>关节驱动三条技术路线：电机驱动应用范围广</h2>
<div>在关节驱动方面，目前仿人机器人存在三种技术路线。</div>
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<div><strong>路线一：液压驱动。</strong>其优点是，输出功率大，不需要减速器，<strong>力量大，爆发力强</strong>，可承受机械冲击和损伤的能力强；缺点是，液压系统易漏油，体积大，噪声大，功耗高，必须配置液压源。</div>
<div> </div>
<div><img src="https://imageproxy.pbkrs.com/https://wpimg-wscn.awtmt.com/28d83bb3-3ee7-4a6b-ac3d-1c0b0de22781.png?x-oss-process=image/auto-orient,1/interlace,1/resize,w_1440,h_1440/quality,q_95/format,jpg" width="506" height="363" original-src="https://imageproxy.pbkrs.com/https://wpimg-wscn.awtmt.com/28d83bb3-3ee7-4a6b-ac3d-1c0b0de22781.png"/></div>
<div> </div>
<div><strong><strong><strong><strong>路线二：电机驱动。</strong></strong></strong></strong></div>
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<div>又分为三种方案：<strong>①传统电机驱动 + 力矩传感器。</strong>优点：<strong>结构简单，位置伺服精确</strong>；缺点：力矩伺服差，传动损耗高，爆发力不如液压驱动。</div>
<div> </div>
<div><img src="https://imageproxy.pbkrs.com/https://wpimg-wscn.awtmt.com/998de0f4-1e2f-4cc7-b42e-f12291f454e2.png?x-oss-process=image/auto-orient,1/interlace,1/resize,w_1440,h_1440/quality,q_95/format,jpg" width="518" height="359" original-src="https://imageproxy.pbkrs.com/https://wpimg-wscn.awtmt.com/998de0f4-1e2f-4cc7-b42e-f12291f454e2.png"/></div>
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<div><strong>②电机驱动 + 柔性软件</strong>。优点：力矩精度高，被动柔性，<strong>可实现能量储存循环</strong>；缺点：位置伺服差，响应带宽有限。</div>
<strong><strong><br/></strong></strong><img src="https://imageproxy.pbkrs.com/https://wpimg-wscn.awtmt.com/c1c1a0c8-6ed3-4f49-8625-f097f4e81c84.png?x-oss-process=image/auto-orient,1/interlace,1/resize,w_1440,h_1440/quality,q_95/format,jpg" width="517" height="357" original-src="https://imageproxy.pbkrs.com/https://wpimg-wscn.awtmt.com/c1c1a0c8-6ed3-4f49-8625-f097f4e81c84.png"/></div>
<div><strong><strong>③电机直驱方案。</strong></strong>优点：<strong>力矩精度高，位置精度高，响应速度快</strong>；缺点：<strong>电机需要特制，电机体积大</strong>。</div>
</div>
<div> </div>
<div><img src="https://imageproxy.pbkrs.com/https://wpimg-wscn.awtmt.com/285ddd03-08ff-4851-b09f-af5731d7c845.png?x-oss-process=image/auto-orient,1/interlace,1/resize,w_1440,h_1440/quality,q_95/format,jpg" width="457" height="359" original-src="https://imageproxy.pbkrs.com/https://wpimg-wscn.awtmt.com/285ddd03-08ff-4851-b09f-af5731d7c845.png"/></div>
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<div>液压、电机和气动驱动方式各有特点，其中<strong>电机驱动最为传统，技术进步迭代速度快，全球应用范围广</strong>；<strong>液压驱动难度高，液压阀难度极高，系统成本非常昂贵，机器人运动性能最优秀</strong>；气动驱动性能介于液压和电机直接，目前应用相对较少。</div>
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<h2>工业机器人要求高精度，仿人机器人追求感知和反应速度</h2>
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<div>仿人机器人和工业机器人在硬件结构设计、自由度配置、控制方法和内容上有显著差别。</div>
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<div> </div>
<div><img src="https://imageproxy.pbkrs.com/https://wpimg-wscn.awtmt.com/f927f5d9-0cd3-4a1a-95b8-92530c4d6515.png?x-oss-process=image/auto-orient,1/interlace,1/resize,w_1440,h_1440/quality,q_95/format,jpg" width="1024" height="400" original-src="https://imageproxy.pbkrs.com/https://wpimg-wscn.awtmt.com/f927f5d9-0cd3-4a1a-95b8-92530c4d6515.png"/></div>
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<div><strong><strong>①</strong>仿人机器人关节/电机数量远高于工业机器人，价值量更可期。</strong></div>
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<div>仿人机器人在结构上更加复杂，不仅包含两个手臂，同时包含双足和头部，机器人整体的自由度/关节数量通常为 20-50 个，甚至更高。工业机器人形态为机械臂，包含大臂、小臂、腕部和手部，自由度/关节的数量通常为 3-6 个，极少数会超过 10 个。</div>
<div> </div>
<div><strong>②减速器</strong>：仿人机器人需要控制自重，<strong>更多使用谐波减速器</strong>；<strong>工业机器人在减速器选择上面更广</strong>，尤其在大负载的机型里，其一二三轴必须用到 RV 减速器。</div>
<div> </div>
<div><img src="https://imageproxy.pbkrs.com/https://wpimg-wscn.awtmt.com/55a2bba2-7db0-4e6f-b1d9-cd2cd7d4adbf.png?x-oss-process=image/auto-orient,1/interlace,1/resize,w_1440,h_1440/quality,q_95/format,jpg" width="1024" height="383" original-src="https://imageproxy.pbkrs.com/https://wpimg-wscn.awtmt.com/55a2bba2-7db0-4e6f-b1d9-cd2cd7d4adbf.png"/></div>
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<div><strong>③仿人机器人视觉系统性能要求、数量需求更高。<br/></strong></div>
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<div>仿人机器人视觉系统为标配，且要求高，大多为双目视觉（需要 2 个相机），有时需用到 3D 视觉，相机数量与整体价格比工业机器人视觉更高。工业机器人视觉并非标准配置，属于可选择的高配选项，通常包含一个工业相机，大多为 2D 视觉。</div>
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<div>中信建投认为，<strong>国内厂商在电机、减速机、机构件方面或有机会：</strong></div>
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<div><strong>仿人机器人 50% 以上的成本来自于关节，</strong>如用电机驱动，一个关节使用一个电机，电机用量非常可观<strong>，国内电机厂商在性能上与海外厂商差距不大。</strong></div>
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<div>减速器方面，从性能上来看，<strong>部分国内厂商基本可以满足</strong>。</div>
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<div><strong>结构件成本占比为 20% 左右，仅次于关节，</strong>需根据仿人机器人的设计进行定制化生产，作为传统机加工技术<strong>，国内厂商可以满足要求。</strong></div>
</blockquote>
<div><strong><img src="https://imageproxy.pbkrs.com/https://wpimg-wscn.awtmt.com/8e79ad2e-d914-4021-a98e-af3c087c20b8.png?x-oss-process=image/auto-orient,1/interlace,1/resize,w_1440,h_1440/quality,q_95/format,jpg" width="1024" height="370" original-src="https://imageproxy.pbkrs.com/https://wpimg-wscn.awtmt.com/8e79ad2e-d914-4021-a98e-af3c087c20b8.png"/></strong></div>
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<h2>Tesla bot 大规模量产后，电机、减速器、电池需求开启上量趋势</h2>
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<p>仿人机器人最核心的优势是能够在复杂环境下完成多种任务，这需要仿人机器人具备良好的交互功能，而要实现良好的人机交互性能，算法、AI 技术、传感器都不可少。</p>
<p>东吴证券此前也梳理了仿人机器人的产业链：</p>
<blockquote>
<p><strong>上游为核心软硬件，硬件主要包括伺服电机、减速器、控制器、传感器等，软件包括机器视觉、人机交互、机器学习、系统控制等；</strong></p>
<p>中游则是人形机器人本体制造商，国内包括优必选、北京钢铁科技、国外包括波士顿动力、美国敏捷机器人、日本丰田、本田、特斯拉等；</p>
<p>下游目前还未有成熟的商业应用，可能的应用场景包括迎宾接待、展厅引导、高校科研等。</p>
</blockquote>
</div>
<div><strong>目前芯片以海外为主，软件算法为机器人核心技术，绝大部分公司选择自主研发</strong>，<strong>电机、减速器、结构件等硬件环节具备产业链机会</strong>。</div>
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<div>中信建投认为，随着机器人的运动性能与感知决策能力提升，规模量产带来成本下降，仿人机器人将渗透至以陪伴、教育为代表的服务业，市场空间非常广阔。</div>
<div> </div>
<div>其在报告中总结道：</div>
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<div>1、电机作为关节里的核心驱动部件，影响关节的输出力大小和运动性能。区别于工业机器人，仿人机器人需控制整体质量和体积，要求电机性能更高，质量更轻。<strong>在 Tesla bot 实现量产后，将带动电机需求快速爆发，新增电机市场规模有望达近千亿元</strong>，建议关注国内电机龙头企业；</div>
<div> </div>
<div>2、减速器作为仿人机器人关节里的另一核心部件，<strong>作为精密的动力传达机构，将电机的转速减速到所需的转速，实现扭矩的增加，直接影响关节的输出力矩和精度。</strong>在精度要求较高的关节里，通常选择谐波减速器，随着 Tesla bot 的规模量产，<strong>新增谐波减速器的市场规模将远超工业机器人</strong>，建议关注国内龙头企业；</div>
<div> </div>
<div>3. <strong>结构件作为仿人机器人的 “骨骼”</strong>，形成机器人的内在基本架构，连接全身结构于一体，承受负载和支撑全身，<strong>影响机器人结构的刚度，以及负载大小</strong>。我们预计结构件成本占比约 20%，需按照机器人结构进行定制化生产，大部分国内机加工企业可满足加工要求；</div>
<div> </div>
<div>4. 区别于工业机器人，<strong>每台仿人机器人需要配置至少一块电池或一套电池模组</strong>，电池容量将直接影响机器人正常运行时长。建议关注国内电池性能良好、性价比高的龙头企业；</div>
<div> </div>
<div>5. <strong>传感器是实现仿人机器人环境感知与交互功能的核心部件</strong>，其使用数量或将是<strong>工业机器人的几倍，甚至十倍以上</strong>。通常一台机器人配置一套机器视觉系统，选择性配置一套语音系统，但<strong>每个关节都可能配置位置、角速度、力矩传感器等内部传感器</strong>，其市场需求也将迎来高速增长，建议关注国内传感器、机器视觉龙头企业；</div>
<div> </div>
<div>6. 机器人壳体作为 “皮肤”，覆盖面积较大，<strong>将影响其工作场景和环境适应能力</strong>，需使用例如硅胶、碳纤维等质量轻、性能好的柔性材料，建议关注国内柔性材料企业</div>
</blockquote>
</div>
<div>
<div>当然，中信建投也指出，<strong>巨大市场蓝海能否兑现，核心还要看产品量产和成本控制。</strong>由于结构复杂，控制性能要求高，仿人机器人成本非常昂贵，现实情况是超过百万人民币。在保证性能的前提下，同时能实现量产降低成本，将成为打开市场的关键。</div>
</div>
<div> </div>
<div><span style="color: #b3b3b3">本文观点主要来自于中信建投证券研报《仿人机器人：赋予机器 “生命”，机器替人不再是想象》，原文作者：朱玥、张亦弛</span></div>

中信建投证券

中信建投

<p>中信建投证券认为，在 Tesla bot 大规模量产后，电机、减速器、电池需求将开启上量趋势，看好国内企业量价齐升。</p>

中信建投：当下市场对仿人机器人的认知仍有重大偏差