人形机器人发展与展望：天工人巧日争新

天工人巧日争新证券研究报告证券研究报告证券研究报告人形机器人到达发展奇点：全球又进入新一轮科技涌现期，AI助力下海外人形机器人研发不断迭代更新，同时国内人形机器人产业也迅速发展，小米、优必选、达闼、追觅、宇数、智元、伊艾克斯、博实股份（排名不分先后）等多家优秀人形机器人公司开始不断涌现。运控算法迭代，机器人走好第一步：谷歌deepmind团队推出RT-2，李飞飞团队开发具身智能等系列运控算法推陈出新，大模型、深度学习等前沿内容逐步深入机器人运控算法。多模态大模型主力下，人形机器人产业化进程有望加速。硬件设计方案与选择呈现多元化趋势：电机、减速器方案，传感器方案、外观结构方案多样化，根据应用场景与应用需求不断调整。风险提示：1）机器人新产品研发及拓展不及预期的风险；2）下游需求不及预期的风险证券研究报告 01人形机器人产业沿革及进展 02 03硬件设计方案与选择 04风险提示证券研究报告2人形机器人产业沿革及进展证券研究报告达闼人形双足机器人XR4“七仙女”搭载海睿云端大脑操作系统，集成了多模态大模型达闼人形双足机器人XR4“七仙女”搭载海睿云端大脑操作系统，集成了多模态大模型RobortGPT，创新性的引入了并联驱动结构的智能柔性关节技术。具备多模态融合感知、认知、决策和行为生成能力，实现高性能的具身智能；机器人实现平衡站立、优美步态、灵巧双臂和双手操作。人形机器人本体情况汇总技术方案技术方案TeslaBot人形机器人“擎天柱”（Optimus）全新型号结合AI技术，具有极强算力的DOJOD1超级计算机芯片，配合特斯拉自创的高带宽、低延迟的连接器，算力高达9PFLOPs。不仅会模仿人类动作，还可以完成物品分类、抓力控制等更复杂的任务。特斯拉优必选博实股份傅利叶WalkerXWalkerX身高130cm、体重63kg，能够进行类人步态行走，最高时速为3km/h；机器人实现了“模块化”；可拆卸电池。宇树通用人形机器人H1采用轻量化材料设计，专门为H1人形机器人设计了扭矩密度更高的M107关节电机。宇树通用人形机器人H1整身拥有19个自由度，行走姿态轻盈稳健宇树通用人形机器人H1采用轻量化材料设计，专门为H1人形机器人设计了扭矩密度更高的M107关节电机。扭矩达到了360N·m，并且配合中空轴线和双编码器。人形双足机器人远征A1全身49个自由度。自研的PowerFlow使用准直驱关节方案，搭配高力矩透明度行星减速器、共轭同轴双编码器、一体液冷循环散热系统，以及自研的矢量控制驱动器，峰值扭矩超过350NM，而重量仅为1.6KG。远征A1身高175cm，重量53kg，最高步速可达7km/h，在双足行走、智能任务、人机互动等领域展现出业界领先的能力。追觅自研伺服电机内含60多个零件，集成了电机、驱动器、减速器及双编码器，最大输出力矩可达32Nm，最大转速220RPM，力矩带宽＞1kHz。突破SLAM、ToF激光雷达、结构光等算法核心技术，增强了场景识别和语义理解能力。-机器人涉及仿真皮肤、机械结构、柔性机器人关节、运动控制等多项研发，是未来应用于远程教学、直播等场景的雏形。-目前计划核心零部件自主完成，已有很好的技术储备。-傅利叶智能在康复机器人领域的产品矩阵已经基本成型。“CyberOne”高1.77米，重52kg。CyberOne全身13个关节“CyberOne”高1.77米，重52kg。配备Mi-Sense深度视觉模块；面部的曲面OLED模块可以显示实时交互信息。资料来源：各公司公众号、官网（引用后文资料），民生证券研究院整理证券研究报告4 1.1特斯拉bot加速人形机器人赛道争夺战2023年5月特斯拉展示了TeslaBot人形机器人“擎天柱”（Optimus）的全新型号。该款人形机器人不仅会模仿人类动作，还可以完成物品分类、抓力控制等更复杂的任务。该款人形机器人结合了特斯拉的AI技术，即基于视觉神经网络神经系统预测能力的自动驾驶技术，具有极强算力的DOJOD1超级计算机芯片，Dojo架构拥有一个大规模计算平面，极高宽带和低延迟。作为Dojo架构的重要组成部分，D1芯片采用7纳米制造工艺，处理能力为每秒1024亿次。由于每个D1芯片之间都是无缝连接在一起，相邻芯片之间的延迟极低，训练模块最大程度上实现了带宽的保留，配合特斯拉自创的高带宽、低延迟的连接器，算力高达9PFLOPs（9000万亿图表：Optimus实物资料来源：Tesla，民生证券研究院资料来源：快科技，资料来源：Tesla，民生证券研究院55优必选科技在2012年成立前就开始投入人形机器人的研发，至今已超过11年。2016年优必选搭建Walker原型机，2018年发布第一代大型双足仿人服务机器人Walker，迄今已经过四次迭代，2021年发布人形服务机器人WalkerX。WalkerX身高130cm、体重63kg，具有41个高性能伺服驱动关节，能够进行类人步态行走，最高时速为3km/h；面部160°环绕4.6K高清双柔性曲面屏，灵动酷炫的四维灯语体系；机器人的头部、手掌、电池都可以快速拆卸和组装，实现了“模块化”；配备便捷可拆卸电池。资料来源：优必选，民生证券研究院66 8月16日至22日，达闼人形双足机器人XR4“七仙女”亮相2023世界机器人大会，这款人形双足机器人由达闼全栈自研，搭载海睿云端大脑操作系统，集成了多模态大模型RobortGPT，拥有接近人类的智慧，使其成为“具身智能”的代表之作。同时，“七仙女”还创新性的引入了并联驱动结构的智能柔性关节技术，通过基于标准化、模块化、高产量、低成本的智能柔性关节SCA，解决了人形双足机器人关键零部件“卡脖子”问题。“七仙女”支持实时接入达闼云端大脑，通过多模态大模型RobotGPT赋能，具备多模态融合感知、认知、决策和行为生成能力，实现高性能的具身智能，以接近人类智慧的能力开展工作；基于数字孪生的深度强化学习完成自主智能训练，生成机器人多种步态和动作，实现平衡站立、优美步态、灵巧双臂和双手操作。图表：达闼XR4“七仙女”机器人资料来源：达闼公众号，民生证券研究院整理资料来源：人民政协网，民生证券研究院整理证券研究报告 8月15日晚，宇树正式宣布进军通用人形机器人领域，发布旗下首款通用人形机器人产品H1。从已公布的数据来看，H1人形机器人采用轻量化材料设计，整体重量只有47kg，整身拥有19个自由度，行走姿态轻盈稳健，尤为突出的H1腿部关节电机部分，峰值扭矩达到了360N·m，并且配合中空轴线和双编码器。据宇树研发工程师透露，为适配大负载，高密度，大功率的需要，宇树专门为H1人形机器人设计了扭矩密度更高的M107关节电机。资料来源：资料来源：Unitree宇树科技公众号，民生证券研究院资料来源：Unitree宇树科技公众号，民生证券研究院资料来源：Unitree宇树科技公众号，民生证券研究院8 8月18日，智元机器人举办发布会，稚晖君与团队一起发布了人形双足机器人远征A1。远征A1身高175cm，重量53kg，最高步速可达7km/h，全身49个自由度，整机承重80kg，单臂最大负载5kg。不仅在形态上与人类相似，远征A1更在双足行走、智能任务、人机互动等领域展现出业界领先的能力。“远征A1是智元的第一代通用型具身智能机器人，未来可在各种复杂场景下自主完成移动和操作任务。我们致力于将先进的机器人和AI技术与人类生活以及生产制造紧密结合，让机器人成为人类的得力助手。”智元公司的联合创始人稚晖君在发布会上表示。智元自研的PowerFlow使用准直驱关节方案，实现了低齿槽转矩设计，搭配10速比以内的高力矩透明度行星减速器、共轭同轴双编码器、一体液冷循环散热系统，以及自研的矢量控制驱动器，峰值扭矩超过350NM，而重量仅为1.6KG。资料来源：新智元公众号，民生证券研究院资料来源：新智元公众号，民生证券研究院资料来源：新智元公众号，民生证券研究院·99 2023年3月28日，追觅通用人形机器人首次亮相。智能算法方面，追觅科技突破SLAM、ToF激光雷达、结构光等算法核心技术，增强了场景识别和语义理解能力。同时，得益于追觅科技在扫地机器人上拥有丰富的目标检测与识别、多传感器感知融合处理策略、导航定位及地图管理与应用经验，包括地图语义理解自动分割、航点导航等技术，在智能送餐机器人、无线泳池清洁机器人、四足机器狗及通用人形机器人研发过程中，实现了高效技术复用。电机方面，追觅科技具有伺服电机自主设计开发以及生产制造能力。据介绍，追觅科技自研伺服电机内含60多个零件，集成了电机、驱动器、减速器及双编码器，其中减速器部分采用高强度铬钢，主体结构部分采用铝合金和镁合金，最大输出力矩可达32Nm，最大转速220RPM，力矩带宽＞1kHz，具备快速响应能力，能够实现对机器人关节力度和精度的精准控制。图表：追觅机器人灵巧手图表：追觅机器人拉花资料来源：追觅机器人公众号，民生证券研究院整理资料来源：追觅机器人公众号，民生证券研究院整理资料来源：追觅机器人公众号，民生证券研究院整理资料来源：追觅机器人公众号，民生证券研究院整理 在2023世界机器人大会中，EX机器人是唯一参展的仿生人形机器人企业。EXROBOT作为国内领先人形机器人品牌，将在今年大会期间展示领先的前沿技术、核心零部件、“人形机器人+”应用场景，具体包括机器人柔性电机、动态脸墙、人形机器人酒吧、人形机器人灵巧手等。同时，还将发布最新多模态人机交互人形机器人产品，展示领先的人形机器人前沿技术，引领仿生人形机器人发展方向。EX机器人联合创始人李博阳介绍，这些机器人涉及仿真皮肤、机械结构、柔性机器人关节、运动控制等多项研发，是未来应用于远程教学、直播等场景的雏形。资料来源：EXROBOTS，民生证券研究院资料来源：EXROBOTS，民生证券研究院证券研究报告博实股份8月18日晚间公告，公司与哈尔滨工业大学签订《战略合作框架协议》，共同设立人形机器人关键技术及原理样机产业化研发项目，并在未来共同推进相关技术成果和产品的产业化。在回复“公司与哈工大合作研发人形机器人，人形机器人的核心零部件，计划自主还是外采？”问题时，博实股份称，考虑到相对极限的设计技术指标和性能，目前计划核心零部件自主完成，已有很好的技术储备。资料来源：博实股份官网资料来源：博实股份官网，民生证券研究院证券研究报告资料来源：博实股份官网，民生证券研究院傅利叶是国内康复机器人头部企业。目前，傅利叶智能在康复机器人领域的产品矩阵已经基本成型，包括上肢、下肢、运动与平衡以及物理治疗；自主研发的ArmMotus™EMU三维上肢康复机器人、ExoMotus™下肢康复机器人、运动与平衡训练系统、物理因子治疗系列等产品，针对身体不同部位，融合多种康复类型，提供从急性期、稳定期到恢复期的全周期同质化康复治疗，显著提升康复效率。7月6日，2023世界人工智能大会开幕式上，傅利叶智能在重大创新成果首秀环节发布了最新研发的一款通用人形机器人GR-1。资料来源：傅利叶，民生证券研究院图表：傅利叶第一款通用人形机器人GR-1资料来源：澎湃新闻，民生证券研究院2022年8月小米发布公司首个全尺寸人形仿生机器人“CyberOne”，高1.77米，重52kg，内部名称“铁大”。CyberOne配备Mi-Sense深度视觉模块，搭配AI算具备感知3D空间并识别个体、手势和表情的能力；凭借自主研发的MiAI环境语义识别引擎和MiAI语音情感识别引擎，CyberOne可识别85种环境声音和45类人类情感；面部的曲面OLED模块，可以显示实时交互信息。人形机器人尚需突破多项关键技术，小米持续耕耘。小米“极度看好智能机器人在生活、工作中的应用”，目前人形机器人的成本每台大概六、七十万元，尚无法实现量产；2023年4月21日，小米在北京投资5000万元设立北京小米机器人技术有限公司，持续耕耘人形机器人板块。图表：小米CyberOne发布资料来源：小米，民生证券研究院资料来源：小米，民生证券研究院资料来源：小米，民生证券研究院证券研究报告运控算法迭代，机器人踏出第一步证券研究报告 7月29日，谷歌旗下的AI研究机构DeepMind发布了RT-2。RT-2表明，将视觉语言模型(VLM)预训练与机器人数据相结合，可以将视觉语言模型(VLM)转化为强大的视觉语言动作(VLA)模型，从而直接控制机器人。通过基于PaLM-E和PaLI-X的两个VLAs实例，RT-2产生了高度改进的机器人策略，更重要的是，从网络规模的视觉语言预训练中继承了显著更好的泛化性能和应急能力。RT-2不仅是对现有VLM模型的简单有效的修改，该甚至机器人可以推理，解决问题，并解释在现实世界中执行各种任务的信息。图表：可以控制机器人的视觉语言动作(VLA)模型图表：RT-2架构和训练资料来源：GoogleDeepmind，民生证券研究院资料来源：GoogleDeepmind，民生证券研究院资料来源：GoogleDeepmind，民生证券研究院2023年7月，李飞飞团队发布具身智能研究成果，大模型接入机器人，把复杂指令转化成具体行动规划，无需额外数据和训练。RT-2不仅是对现有VLM模型的简单有效的修改，而且还显示了构建通用物理机器人的承诺，该机器人可以推理，解决问题，并解释在现实世界中执行各种任务的信息。根据RGB-D对环境的观察和语言指令，LLM生成与VLM交互的代码，以生成基于机器人观察空间的一系列3D功能图和约束图(统称为值图)(a)。然后，合成的值图作为运动规划者合成机器人操作轨迹的目标函数(b)。整个过程不涉及任何额外的训练。资料来源：资料来源：VoxPoser，民生证券研究院整理8月15日，宇树发布人形机器人H1，具备走路、预判躲闪、干扰后复位、小跑等运动能力。目前H1人形机器人的行走和平衡均是通过自主计算来完成的，没有人为干预介入。宇树在H1人形机器人上面也集成了AI大模型，来提升与人类的交互水平。宇树H1感知传感器配置为3D激光雷达＋深度相机，控制和感知算力选用2xlntelCorei7-1265U。资料来源：资料来源：Unitree宇树科技公众号，民生证券研究院资料来源：Unitree宇树科技公众号，民生证券研究院资料来源：Unitree宇树科技公众号，民生证券研究院8月22日，智元人形机器人远征A1。AgiROS是智元自研的一套机器人运行时中间件系统AgiROS秉持轻量、易用、高性能、高扩展性等原则，遵循现代的开发范式，提供多种语言的接口，以插件形式兼容主流生态，包括ROS、ROS2等机器人开发生态、GRPC、HTTP等云服务生态。智元的具身智脑El-Brain架构中，把机器人的思维系统分为云端的超脑、端侧的大脑、小脑，以及脑干几层，分别对应机器人任务级、技能级、指令级以及伺服级的能力。并且基于任务数据反馈，El-Brain具备在机器人任务执行过程中不断自我学习强化的能力。与传统Al技术不同，智元的Work-GPT充分应用了语言和图像大模型庞大的先验知识库和强大的通识理解能力，并实现了复杂的语义多级推理能力，即“思维链”。资料来源：智元机器人公众号，民生证券研究院资料来源：智元机器人公众号，民生证券研究院03.硬件设计方案与选择证券研究报告20力传感器力传感器力传感器可分为一维传感器和多维传感器，根据感力原件的不同，传感器主要分为三类：应变式力传感器、光学式传感器以及压电式力传感力传感器是机械、电子、算法、计量融合的复杂交叉学科，技术壁垒较高。多维力传感器能够实现更精细的工作需求。利用传感器的路径记录功能，操作员可以简单地抓住臂端装置并进行预期的移动。传感器记录操作员施加的力和方向，然后机器人就可以重复操作员的动作。这将极大地提高工作效率，同时将有助于保障操作工人的安全。力传感器的重要部件包含弹性体和应变片，弹性体制造质量直接影响到传感器的测试性能指标，因此，弹性体的制造是力传感器生产的重要环节。力传感器的生产流程主要包含弹性体加工及后处理工艺。证券研究报告21 机器视觉系统是指用计算机来实现人的视觉功能，即用计算机来实现对客观的三维世界的识别。当前主流的的视觉方案分为飞行时间（TOF）法、立体视觉法、结构光法。综合分析特斯拉、优必选、小米、波士顿动力，综合本与性能考虑，目前人形机器人中主要采用TOF法与立体视觉法。视觉传感器分为消费级与工业级，不同情形下单价有差异。消费级3D视觉方案对于精度的要求更低，对成本的控制更为严格。工业级机器视觉由于各厂商内部情况和应用场景不同，定制化程度更高，对技术、精度、稳定性等的要求也更高，工业中的机器视觉单元主要由工业相机、图像采集卡、图像处理器构成。图表：机器视觉系统构造资料来源：《2022年中国机器视觉产业发展白皮书》，民生证券研究院证券研究报告22 一个IMU通常包含三个轴向的陀螺和三个轴向的加速度计，以测量物体在三维空间中的角速率和加速度。IMU传感器：人形机器人借助实现定位、平衡及姿态检测。目前人形机器人中需要采用IMU惯性传感器。根据精度要求，IMU可分为消费级、工业级、战术级，根据原理的不同也可分为MEMSIMU，光纤IMU，其中自动驾驶或人形机器人一般采用工业级的MMESIMU即可，价格带在数百元至数千元。IMU难点主要在解决误差和提高精度。MEMSIMU的误差一是来源于惯性传感器自身的误差，二是IMU在集成过程中产生的误差。而上述两种误差又可分为系统误差和随机误差。图表：MEMS陀螺仪内部结构资料来源：知乎，民生证券研究院资料来源：知乎，民生证券研究院资料来源：芯动联科招股书，民生证券研究院23资料来源：华强电子，民生证券研究院 电子皮肤是一类柔韧、可拉伸、能够自我修复的电子产品，它能够模仿人类或动物皮肤的功能。电子皮肤通常具有感知能力，它旨在重现人类皮肤响应环境因素变化的能力（如热量和压力的变化）。电子皮肤可以为机器人提供精细的力学反馈,帮助机器人完成准确的抓握和操纵任务。电子皮肤既将灵活的机械特性和传感器成功结合，又具有自我修复能力。资料来源：澎湃新闻，民生证券研究院资料来源：小米官网，民生证券研究院证券研究报告24 行星减速器是一种动力传达机构，利用齿轮的速度转换器，将马达的回转数减速到所要的回转数，并得到较大转矩的机构。行星减速机体积小、重量轻，承载能力高，使用寿命长、运转平稳，噪声低。具有功率分流、多齿啮合独用的特性。资料来源：百度百科，民生证券研究院资料来源：深圳维动自动化设备，民生证券研究院2521.00%21.00%谐波减速器是人形机器人的重要核心零部件。减速器是常用作原动件与工作件之间的减速传动装置，在二者之间起到匹配转速、传递扭矩的作用，常见的有RV减速机、谐波减速机等。由于谐波减速器具有体积小、重量轻的优点，因此是人形机器人的优质选择。国产替代持续进行，哈默纳科仍是国内市占第一。哈默纳科在全球范围内谐波减速器领域处于市场主导地位，依靠长期的研发技术积累、规模化的生产能力、稳定的产品质量和性能持续保持竞争力。但近年来，随着国内谐波减速器技术的突破，国产化进程不断推进，2021年国内市场占有率已经超过45%，未来有望继续提高。来福谐波13.00%8.00%51.00%7.00%51.00%18.06%37.03%4.06%4.73%9.00%21.03%6.09%21.03%绿的谐波绿的谐波10.28%35.51%4.24%35.51%4.45%5.70%7.40%24.72%7.69%24.72%资料来源：高工机器人，《工业机器人减速器市场分析与产业供需格局研究报告》，民生证券研究院26 丝杠具有滑动摩擦系数较小、高效率、长寿命、可逆转、易于控制的特点，使其在机械传动中被广泛丝杠按其摩擦特性可分为三类：即滑动丝杠、滚动丝杠及静压丝杠。导轨与丝杠成套运行，导轨用于实现支撑和导向。常用导轨种类包括滑动导轨、滚动导轨、静压导轨等。图表：滚珠丝杠、滚柱丝杠、梯形丝杠的特点对比图表：主资料来源：上银科技，民生证券研究院静压导轨静压导轨一般滑动导轨滚动导轨塑料导轨液体静压气体静压定位精度高高高高高低摩擦性大小运动平稳性低速易爬行好好好好抗振性能成本低高资料来源：知乎，深圳合发齿轮机械公众号，南通威昂传动科技有限公司官方账号等，民生证券研究院资料来源：知乎，深圳合发齿轮机械公众号，南通威昂传动科技有限公司官方账号等，民生证券研究院资料来源：《机电一体化技术》，民生证券研究院证券研究报告27 常见电机可分为直流与交流电机、有刷与无刷电机、同步与异步电机。空心杯电机——机器人的手指执行器。属于直流永磁伺服电动机的空心杯电机完美契合人形机器人对应手指关节轻量化、高精度等需求。直驱电机在部分承力较大的关节大扭矩是不错的选择。直驱电机是直接驱动式电机的简称，不需经过传动装置（如传动皮带等），可以分为旋转直驱电机或直线直驱电机两类。与非直驱电机相比直驱电机刚性高，系统控制带宽高，系统响应迅速，精度更高，具有较高的能源效率，且减少了维护工作量，可靠性更高。资料来源：找磁材、民生证券研究院资料来源：东莞市泰莱自动化、民生证券研究院资料来源：北京博创兴盛机器人、民生证券研究