2022年6月23日下午,馬斯克在接受彭博社采訪時稱“人形機器人‘Tesla Bot - Optimus(擎天柱)’,將在9月30日的特斯拉AI日活動上面世”,第一版將于2023年投入生產,目的是代替部分危險、重復性勞動以及填補勞動力缺口。并且還表示,未來人形機器人“擎天柱”業務線會比特斯拉汽車更重要、更值錢。
據悉,Optimus大約高1.73米,體重約56千克,可攜帶約20千克的貨物,最快移動速度可達8KM/時。此機器人會采用FSD computer(全自動駕駛計算器)作為算力核心,配備功能強大的DOJO D1超級計算芯片,并通過AI機器視覺賦予其自主行動能力。
機器人產業現狀如何?市場規模多大?產業鏈上都有什么公司?未來會如何發展?
機器人一般指能夠半自主或全自主執行工作的機械裝置。
20世紀中葉以來,機器人從低級到高級主要經歷了三代發展歷程:程序控制機器人、自適應機器人和智能機器人。
第一代機器人完全按事先寫入存儲器的程序步驟進行工作,如果任務或環境發生變化,就要重新設定程序。這類機器人主要以模擬人的運動為目的,可應用于拿取、搬運、包裝、機械加工等程序固定類工作。
第二代機器人配備了傳感器,通過視覺類、觸覺類、聽覺類等不同傳感器獲取外部環境和操作對象信息,由計算機對這些信息進行處理與分析,進而對機器人發出相應的動作指令。這類機器人能夠隨環境變化來調整自身行為,可應用于焊接、裝配、搬運等有一定靈活度的工作。
第三代機器人具有類人特征,除了運動和自適應調整功能,還具有感知交互和思維能力,能夠根據不同環境和條件自主的處理復雜問題。現有機器人僅具有部分智能化功能,真正的智能機器人尚處于研發之中。
工業機器人是指用于生產過程與環境的機器人。服務機器人是指除工業用途外,用于非制造業并服務于人類的機器人。我國進一步將服務機器人分為個人/家用服務機器人、公共服務機器人和特種服務機器人三類。
技術性能方面,工業機器人側重運行精確度,服務機器人更側重對環境的感知和人機交互。
工作環境方面,工業機器人的工作環境大都固定不變,而服務機器人面臨的多是未知多變的環境。
所以,服務機器人對人工智能的要求更高更全面。
目前,全球范圍內人形機器人廠商主要有中國優必選、日本本田和豐田、美國波士頓動力和敏捷機器人,但各家產品在設計結構、價格、功能及使用場景方面均有不同。從產業化角度來看,僅有美國敏捷機器人和優必選實現了一定程度上的產業化銷售。
根據中國電子學會發布的《中國機器人產業發展報告(2021年)》,2021年我國機器人市場規模約839億元,其中工業機器人市場規模約為445.7億元,占53.1%;服務機器人市場規模約393.3億元,占46.9%。其中,服務機器人市場中,公共服務機器人及個人/家用服務機器人的市場規模估計達302.6億元,占總市場規模的36.1%;特種機器人市場規模約為90.7億元,占總市場規模的10.8%。
根據《機器人產業發展報告》數據統計,我國工業機器人市場規模近5年的年均復合增速超12%,現已成為全球第一大工業機器人應用市場。根據國家統計局數據,2021年全國工業機器人產量達36.6萬套,同比增長44.9%。隨著國內下游制造領域的智能化和數字化升級,工業機器人市場規模前景樂觀。
2016-2021年我國服務機器人的年均復合增速達34%,增速高于工業機器人。近年來人工智能獲得迅速的發展,長期來看,隨著消費升級,服務機器人市場空間更加巨大。
機器人產業鏈的上游主要為零部件供應商,核心零部件為伺服系統、減速器、控制系統等。中游為機器人本體提供商與集成供應商,主要負責機器人本體的生產,并根據不同的應有場景和用途進行有針對性地系統集成和軟件二次開發。下游包括工業應用與服務應用,工業應用主要為汽車、電子、金屬加工等產業,服務應用范圍較廣,主要從事維護保養、修理、運輸、清潔、保安、救援、監護等工作。
工業機器人:減速器/伺服系統/控制器/本體制造分別占機器人整機成本的35%/25%/10%/15%,其中核心零部件成本合計約占整機成本的70%。
服務機器人:除上游核心零部件外,算法(導航定位算法、識別類算法等)、智能交互等核心技術模塊也是主要成本,本體制造的價值量則占比較低。
減速器是連接伺服電機和執行系統的中間裝置,負責將伺服電機的動力傳遞到執行系統上,起到匹配轉速和傳遞扭矩的作用。根據GGII數據顯示,2021年我國工業機器人減速器總需求量為93.11萬臺,同比增長78.06%。其中增量需求82.41萬臺,同比增長95.05%;存量替換量為10.70萬臺,同比增長6.57%。
目前應用于機器人領域的減速器主要有兩種:RV減速器和諧波減速器,使用量對比約為65%:35%。
RV減速器:傳動比范圍大、精度較穩定、疲勞強度較高,且具有更高的剛性和扭矩承載力,一般用于機器人機座、大臂、肩部等重負載的位置。代表性廠商:日本納博特斯克、國內雙環傳動。
諧波減速器:單極傳動比大、體積小、質量小、運動精度高并能在密閉空間和介質輻射的工況下正常工作,使其應用在機器人小臂、腕部、手部等部位具有較大優勢。代表性廠商:日本哈默納科、國內綠的諧波。
RV減速器
RV減速器在工業機器人中應用范圍最廣泛,通常在對應關節處需要配套1個伺服電機+1個減速器,單個機器人RV減速器需求量為4-5個。因為RV減速器通常作為傳動和承重部件,磨損不可避免,其使用壽命通常在4-5年左右。伴隨機器人市場增長,增量和存量替換需求都會同步提升。根據MIR數據顯示,2021年國內RV減速器市場規模42.95億元,由目前20%的年化增長率逐年遞減到10%左右計算,預計2025年中國RV減速器市場規模也能達到65.53億元。
RV減速器結構復雜,進入壁壘較高,市場格局高度集中,納博特斯克占全球70%以上的市場份額。近年來,隨著國產RV減速器的發展,納博特斯克在我國的市場份額已低于全球水平,并呈下降趨勢。根據高工機器人數據顯示,2021年雙環傳動為國內市場份額僅次于納博特斯克的RV減速器供應商。
諧波減速器
從目前工業機器人的構成來看,一臺六軸機器人共使用6個減速器,其中底座、肩部一般使用RV減速器,其余部分一般使用諧波減速器(約4個)。人形機器人關節數量遠超普通工業機器人,人體共有78個已命名關節,其中適用諧波減速器的肘關節、腕關節、指關節、趾關節共有60個,因此人形機器人若要實現接近人體的活動自由度,則減速器用量將會呈數量級的增長。
諧波減速器所需技術較RV偏低,國內廠商更易于突破。從技術上看,減速比、輸出轉速、傳動精度等指標和國外差距已經明顯減小,2020年綠的諧波國內市占率超過20%。
減速器相關上市公司:
伺服系統是指可以精準輸出運動狀態的驅動系統,主要由驅動器、伺服電機和編碼器組成。編碼器通常內嵌于伺服電機之中。
由于壁壘較高,我國伺服系統市場一直為外資品牌主導,主要有日韓廠商、歐美廠商和國產廠商,外資廠商約占70%的份額。
近年來,國內廠商通過引進、消化吸收國際先進技術,不斷加強技術研發和生產能力,產品質量和技術水平不斷提高,逐漸在國內占據了一定的市場份額,但在整體性能上和國際知名企業相比還是存在一定的差距。
根據MIR睿工業的數據顯示,2020年我國伺服市場中,日韓品牌占約51%的市場份額,國產品牌占約30%份額,歐美品牌占約19%份額。其中,安川、三菱和松下分別以11.3%、10.5%、9.9%的市場份額位列前三,匯川技術以9.8%的份額占據國內龍頭地位。
伺服系統相關上市公司:
控制系統相當于機器人的大腦,負責向相關部件發布和傳遞指令動作,控制機器人的運動位置、姿態和軌跡等。
典型的運動控制系統主要包括控制器、伺服系統和傳感器三部分。運動控制器向伺服系統發送指令,進而帶動工作機械(負載)實現特定運動。同時,電機和機械系統的多種傳感器經過信號處理將實時信息反饋給控制器,控制器進行實時調整,保證整個系統的穩定運轉。
我國控制器市場也是外資占主導。美日韓廠商憑借在機器人核心技術領域的深厚積淀,占據了控制器市場的大部分份額。全球控制器龍頭發那科在國內的市場份額為18%。國內企業控制器尚未形成市場競爭力,工業機器人控制器國產率不足20%。
目前,不同人形機器人公司的產品對應的下游應用場景各有不同。波士頓動力Atlas主要用于搜索和拯救任務(目前仍處于研發階段,尚未商用);軟銀集團合作研發的pepper主要應用于商用和教育領域;國內企業優必選2021年推出的服務機器人WalkerX用于家庭和辦公;Agility Robotic旗下的Digit用于物流、倉庫和工業檢測。
公司介紹:波士頓動力是一家美國的工程與機器人設計公司,此公司的著名產品有:在國防高等研究計劃署(DARPA)出資下替美國軍方開發的四足機器人——波士頓機械狗 BigDog,以及 DI-Guy,一套用于寫實人類模擬的現成軟件(COTS)。
典型產品:Atlas 是一款雙足類人機器人,由美國波士頓動力公司為主開發,由美國國防部國防高等研究計劃署(DARPA)資助和監督。最新版Atlas 機器人大約 175 cm(5 英尺 9 英寸)高,重 180 磅(82 千克)。
Atlas 擅長在各種復雜地形上行動,包括雪地。Altas 采用電動和液壓驅動,利用身體和腿部的傳感器進行平衡,并通過頭部的光學雷達和立體傳感器,評估地形,躲避障礙物,輔助導航等。
公司介紹:創建于 2005 年,總部位于法國巴黎,并在中國上海和美國設有辦事處。Aldebaran robotics 自主研發,生產和銷售仿人智能機器人。有超過 1500 臺 nao 機器人分布在 35 個國家和地區,作為開放式平臺應用于計算機科學、數學、物理、人工智能、機械自動化、通信工程、心理學、醫療和企業管理營銷等與人類工作生活息息相關的各個領域。
典型產品:Pepper 由公司和日本軟銀集團共同研發,是個會判讀情感的私人化機器人。它配備語音識別技術、呈現優美姿態的關節技術,以及分析表情和聲調的情緒識別技術,通過視頻系統來識別人類的微笑、皺眉以及驚訝,通過語音識別系統來分辨人類的語音語調。在商用和教育領域應用場景均很豐富。
公司介紹:優必選是中國第一家將人形機器人商業化的公司,從人形機器人的核心源動力伺服舵機研發起步,逐步推出了消費級人形機器人、商業人形機器人、智能家居機器人和積木機器人系列。
典型產品:Walker X 身高 1.3 米、體重 63 公斤,具備由 41 個高性能伺服關節構成的靈巧四肢以及多目立體視覺、全向聽覺等感知系統。行走速度最快可達 3km/h,還可以在 20 度斜坡行走,實現“坡度實時自適應”。Walker X 針對多項技術進行了升級。例如,采用 U-SLAM 視覺導航技術,實現自主規劃路徑;基于深度學習的物體檢測與識別算法、人臉識別等,可以在復雜環境中識別人臉、手勢、物體;升級手眼協調等 AI 和機器人集成技術,可提供更加精準靈活的服務。
公司介紹:公司創立于 2015 年,總部位于美國,提供具有移動性和操縱能力的類人機器人。Agility Robotics 雖然是一家新公司,但團隊是由 ATRIAS 機器人背后的成熟研發人員組成。
典型產品:Digit 于 2019 年 2 月 26 日推出,是繼 Cassie 之后的第二臺機器人,其外觀與一個成年人類似,可以借助自帶傳感器進行半自動導航,手臂可以搬動 18kg 的箱子。從公司發布視頻可以看出, Digit 可以應用于多種行業,包括物流、倉儲、工業環境等領域。
運動控制和人工智能是人形機器人技術落地的核心難點。
一方面,要使人形機器人像人一樣運動,并按要求執行任務,開發者需要設計合理高效的機械結構(骨骼),根據各部位運動需求構建執行精度高的驅動系統(肌肉),并開發具有高穩定性和適應性的控制系統(神經系統);同時基礎層面的材料、芯片、能源系統、零部件等也需要持續提質和創新。
另一方面,要賦予人形機器人一定的自主完成任務的能力,即實現一定程度的認知和決策智能,尚需要人工智能軟硬件(大腦)的高度發展,這個道路還很長。
服務機器人具有消費類產品的屬性,其技術迭代更新速度也會較快,價格過高必然難以被大眾廣泛接受。如不能很好的控制成本,限制售價,則很難達到量產級別。
即使公布的Tesla Bot實現商業化量產,其16-30萬的定價也是一道不低的門檻。不同于智能汽車的明確需求,服務機器人要走進廣大家庭或商務場景,如果只是應用于家務、陪伴、教育、接待等方面,以其目前所能提供的服務水平,很難實現經濟性。如果考慮租賃等方式,需要考慮的問題還有很多。
傳統機器人一般由管理者輸入指令或設定程序,按部就班的完成所需任務。而服務機器人對互動性、靈活性、應對復雜場景的能力等要求更高,需要其具備更高的感知能力與智能化。現有機器人受成本預算與技術水平等因素的限制多處于功能簡單、初步智能的水平。
未來智能機器人在交互和數據處理上的技術將更加成熟和復雜。在人機交互過程中機器人會持續收集用戶以及環境的圖像、聲音、行為等數據信息,尤其是家庭/個人服務機器人,其面向的消費者多有隱私信息,這些關乎安全的數據有的在本地處理,有的在云端處理,如何保證這些數據的安全而不被竊取、攻擊也是大數據時代必須重視的問題。
5、小結
對于9月30日即將發布的機器人,前寶盈基金研究部負責人李微表示很難抱有多高的預期。最終較為理想的人形機器人一定需要經過多次的迭代,不斷的打磨。但其加快了人形機器人這一產業趨勢的發展速度是必然的。未來,對于機器人配套的相關產業鏈來說,在現有機器人產業的需求基礎上,必將產生更多的、更高級別的需求,這一產業也將得到不斷的壯大。
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