2022年6月23日下午,马斯克在接受彭博社采访时称“人形机器人‘Tesla Bot - Optimus(擎天柱)’,将在9月30日的特斯拉AI日活动上面世”,第一版将于2023年投入生产,目的是代替部分危险、重复性劳动以及填补劳动力缺口。并且还表示,未来人形机器人“擎天柱”业务线会比特斯拉汽车更重要、更值钱。
据悉,Optimus大约高1.73米,体重约56千克,可携带约20千克的货物,最快移动速度可达8KM/时。此机器人会采用FSD computer(全自动驾驶计算器)作为算力核心,配备功能强大的DOJO D1超级计算芯片,并通过AI机器视觉赋予其自主行动能力。
机器人产业现状如何?市场规模多大?产业链上都有什么公司?未来会如何发展?
机器人一般指能够半自主或全自主执行工作的机械装置。
20世纪中叶以来,机器人从低级到高级主要经历了三代发展历程:程序控制机器人、自适应机器人和智能机器人。
第一代机器人完全按事先写入存储器的程序步骤进行工作,如果任务或环境发生变化,就要重新设定程序。这类机器人主要以模拟人的运动为目的,可应用于拿取、搬运、包装、机械加工等程序固定类工作。
第二代机器人配备了传感器,通过视觉类、触觉类、听觉类等不同传感器获取外部环境和操作对象信息,由计算机对这些信息进行处理与分析,进而对机器人发出相应的动作指令。这类机器人能够随环境变化来调整自身行为,可应用于焊接、装配、搬运等有一定灵活度的工作。
第三代机器人具有类人特征,除了运动和自适应调整功能,还具有感知交互和思维能力,能够根据不同环境和条件自主的处理复杂问题。现有机器人仅具有部分智能化功能,真正的智能机器人尚处于研发之中。
工业机器人是指用于生产过程与环境的机器人。服务机器人是指除工业用途外,用于非制造业并服务于人类的机器人。我国进一步将服务机器人分为个人/家用服务机器人、公共服务机器人和特种服务机器人三类。
技术性能方面,工业机器人侧重运行精确度,服务机器人更侧重对环境的感知和人机交互。
工作环境方面,工业机器人的工作环境大都固定不变,而服务机器人面临的多是未知多变的环境。
所以,服务机器人对人工智能的要求更高更全面。
目前,全球范围内人形机器人厂商主要有中国优必选、日本本田和丰田、美国波士顿动力和敏捷机器人,但各家产品在设计结构、价格、功能及使用场景方面均有不同。从产业化角度来看,仅有美国敏捷机器人和优必选实现了一定程度上的产业化销售。
根据中国电子学会发布的《中国机器人产业发展报告(2021年)》,2021年我国机器人市场规模约839亿元,其中工业机器人市场规模约为445.7亿元,占53.1%;服务机器人市场规模约393.3亿元,占46.9%。其中,服务机器人市场中,公共服务机器人及个人/家用服务机器人的市场规模估计达302.6亿元,占总市场规模的36.1%;特种机器人市场规模约为90.7亿元,占总市场规模的10.8%。
根据《机器人产业发展报告》数据统计,我国工业机器人市场规模近5年的年均复合增速超12%,现已成为全球第一大工业机器人应用市场。根据国家统计局数据,2021年全国工业机器人产量达36.6万套,同比增长44.9%。随着国内下游制造领域的智能化和数字化升级,工业机器人市场规模前景乐观。
2016-2021年我国服务机器人的年均复合增速达34%,增速高于工业机器人。近年来人工智能获得迅速的发展,长期来看,随着消费升级,服务机器人市场空间更加巨大。
机器人产业链的上游主要为零部件供应商,核心零部件为伺服系统、减速器、控制系统等。中游为机器人本体提供商与集成供应商,主要负责机器人本体的生产,并根据不同的应有场景和用途进行有针对性地系统集成和软件二次开发。下游包括工业应用与服务应用,工业应用主要为汽车、电子、金属加工等产业,服务应用范围较广,主要从事维护保养、修理、运输、清洁、保安、救援、监护等工作。
工业机器人:减速器/伺服系统/控制器/本体制造分别占机器人整机成本的35%/25%/10%/15%,其中核心零部件成本合计约占整机成本的70%。
服务机器人:除上游核心零部件外,算法(导航定位算法、识别类算法等)、智能交互等核心技术模块也是主要成本,本体制造的价值量则占比较低。
减速器是连接伺服电机和执行系统的中间装置,负责将伺服电机的动力传递到执行系统上,起到匹配转速和传递扭矩的作用。根据GGII数据显示,2021年我国工业机器人减速器总需求量为93.11万台,同比增长78.06%。其中增量需求82.41万台,同比增长95.05%;存量替换量为10.70万台,同比增长6.57%。
目前应用于机器人领域的减速器主要有两种:RV减速器和谐波减速器,使用量对比约为65%:35%。
RV减速器:传动比范围大、精度较稳定、疲劳强度较高,且具有更高的刚性和扭矩承载力,一般用于机器人机座、大臂、肩部等重负载的位置。代表性厂商:日本纳博特斯克、国内双环传动。
谐波减速器:单极传动比大、体积小、质量小、运动精度高并能在密闭空间和介质辐射的工况下正常工作,使其应用在机器人小臂、腕部、手部等部位具有较大优势。代表性厂商:日本哈默纳科、国内绿的谐波。
RV减速器
RV减速器在工业机器人中应用范围最广泛,通常在对应关节处需要配套1个伺服电机+1个减速器,单个机器人RV减速器需求量为4-5个。因为RV减速器通常作为传动和承重部件,磨损不可避免,其使用寿命通常在4-5年左右。伴随机器人市场增长,增量和存量替换需求都会同步提升。根据MIR数据显示,2021年国内RV减速器市场规模42.95亿元,由目前20%的年化增长率逐年递减到10%左右计算,预计2025年中国RV减速器市场规模也能达到65.53亿元。
RV减速器结构复杂,进入壁垒较高,市场格局高度集中,纳博特斯克占全球70%以上的市场份额。近年来,随着国产RV减速器的发展,纳博特斯克在我国的市场份额已低于全球水平,并呈下降趋势。根据高工机器人数据显示,2021年双环传动为国内市场份额仅次于纳博特斯克的RV减速器供应商。
谐波减速器
从目前工业机器人的构成来看,一台六轴机器人共使用6个减速器,其中底座、肩部一般使用RV减速器,其余部分一般使用谐波减速器(约4个)。人形机器人关节数量远超普通工业机器人,人体共有78个已命名关节,其中适用谐波减速器的肘关节、腕关节、指关节、趾关节共有60个,因此人形机器人若要实现接近人体的活动自由度,则减速器用量将会呈数量级的增长。
谐波减速器所需技术较RV偏低,国内厂商更易于突破。从技术上看,减速比、输出转速、传动精度等指标和国外差距已经明显减小,2020年绿的谐波国内市占率超过20%。
减速器相关上市公司:
伺服系统是指可以精准输出运动状态的驱动系统,主要由驱动器、伺服电机和编码器组成。编码器通常内嵌于伺服电机之中。
由于壁垒较高,我国伺服系统市场一直为外资品牌主导,主要有日韩厂商、欧美厂商和国产厂商,外资厂商约占70%的份额。
近年来,国内厂商通过引进、消化吸收国际先进技术,不断加强技术研发和生产能力,产品质量和技术水平不断提高,逐渐在国内占据了一定的市场份额,但在整体性能上和国际知名企业相比还是存在一定的差距。
根据MIR睿工业的数据显示,2020年我国伺服市场中,日韩品牌占约51%的市场份额,国产品牌占约30%份额,欧美品牌占约19%份额。其中,安川、三菱和松下分别以11.3%、10.5%、9.9%的市场份额位列前三,汇川技术以9.8%的份额占据国内龙头地位。
伺服系统相关上市公司:
控制系统相当于机器人的大脑,负责向相关部件发布和传递指令动作,控制机器人的运动位置、姿态和轨迹等。
典型的运动控制系统主要包括控制器、伺服系统和传感器三部分。运动控制器向伺服系统发送指令,进而带动工作机械(负载)实现特定运动。同时,电机和机械系统的多种传感器经过信号处理将实时信息反馈给控制器,控制器进行实时调整,保证整个系统的稳定运转。
我国控制器市场也是外资占主导。美日韩厂商凭借在机器人核心技术领域的深厚积淀,占据了控制器市场的大部分份额。全球控制器龙头发那科在国内的市场份额为18%。国内企业控制器尚未形成市场竞争力,工业机器人控制器国产率不足20%。
目前,不同人形机器人公司的产品对应的下游应用场景各有不同。波士顿动力Atlas主要用于搜索和拯救任务(目前仍处于研发阶段,尚未商用);软银集团合作研发的pepper主要应用于商用和教育领域;国内企业优必选2021年推出的服务机器人WalkerX用于家庭和办公;Agility Robotic旗下的Digit用于物流、仓库和工业检测。
公司介绍:波士顿动力是一家美国的工程与机器人设计公司,此公司的著名产品有:在国防高等研究计划署(DARPA)出资下替美国军方开发的四足机器人——波士顿机械狗 BigDog,以及 DI-Guy,一套用于写实人类模拟的现成软件(COTS)。
典型产品:Atlas 是一款双足类人机器人,由美国波士顿动力公司为主开发,由美国国防部国防高等研究计划署(DARPA)资助和监督。最新版Atlas 机器人大约 175 cm(5 英尺 9 英寸)高,重 180 磅(82 千克)。
Atlas 擅长在各种复杂地形上行动,包括雪地。Altas 采用电动和液压驱动,利用身体和腿部的传感器进行平衡,并通过头部的光学雷达和立体传感器,评估地形,躲避障碍物,辅助导航等。
公司介绍:创建于 2005 年,总部位于法国巴黎,并在中国上海和美国设有办事处。Aldebaran robotics 自主研发,生产和销售仿人智能机器人。有超过 1500 台 nao 机器人分布在 35 个国家和地区,作为开放式平台应用于计算机科学、数学、物理、人工智能、机械自动化、通信工程、心理学、医疗和企业管理营销等与人类工作生活息息相关的各个领域。
典型产品:Pepper 由公司和日本软银集团共同研发,是个会判读情感的私人化机器人。它配备语音识别技术、呈现优美姿态的关节技术,以及分析表情和声调的情绪识别技术,通过视频系统来识别人类的微笑、皱眉以及惊讶,通过语音识别系统来分辨人类的语音语调。在商用和教育领域应用场景均很丰富。
公司介绍:优必选是中国第一家将人形机器人商业化的公司,从人形机器人的核心源动力伺服舵机研发起步,逐步推出了消费级人形机器人、商业人形机器人、智能家居机器人和积木机器人系列。
典型产品:Walker X 身高 1.3 米、体重 63 公斤,具备由 41 个高性能伺服关节构成的灵巧四肢以及多目立体视觉、全向听觉等感知系统。行走速度最快可达 3km/h,还可以在 20 度斜坡行走,实现“坡度实时自适应”。Walker X 针对多项技术进行了升级。例如,采用 U-SLAM 视觉导航技术,实现自主规划路径;基于深度学习的物体检测与识别算法、人脸识别等,可以在复杂环境中识别人脸、手势、物体;升级手眼协调等 AI 和机器人集成技术,可提供更加精准灵活的服务。
公司介绍:公司创立于 2015 年,总部位于美国,提供具有移动性和操纵能力的类人机器人。Agility Robotics 虽然是一家新公司,但团队是由 ATRIAS 机器人背后的成熟研发人员组成。
典型产品:Digit 于 2019 年 2 月 26 日推出,是继 Cassie 之后的第二台机器人,其外观与一个成年人类似,可以借助自带传感器进行半自动导航,手臂可以搬动 18kg 的箱子。从公司发布视频可以看出, Digit 可以应用于多种行业,包括物流、仓储、工业环境等领域。
运动控制和人工智能是人形机器人技术落地的核心难点。
一方面,要使人形机器人像人一样运动,并按要求执行任务,开发者需要设计合理高效的机械结构(骨骼),根据各部位运动需求构建执行精度高的驱动系统(肌肉),并开发具有高稳定性和适应性的控制系统(神经系统);同时基础层面的材料、芯片、能源系统、零部件等也需要持续提质和创新。
另一方面,要赋予人形机器人一定的自主完成任务的能力,即实现一定程度的认知和决策智能,尚需要人工智能软硬件(大脑)的高度发展,这个道路还很长。
服务机器人具有消费类产品的属性,其技术迭代更新速度也会较快,价格过高必然难以被大众广泛接受。如不能很好的控制成本,限制售价,则很难达到量产级别。
即使公布的Tesla Bot实现商业化量产,其16-30万的定价也是一道不低的门槛。不同于智能汽车的明确需求,服务机器人要走进广大家庭或商务场景,如果只是应用于家务、陪伴、教育、接待等方面,以其目前所能提供的服务水平,很难实现经济性。如果考虑租赁等方式,需要考虑的问题还有很多。
传统机器人一般由管理者输入指令或设定程序,按部就班的完成所需任务。而服务机器人对互动性、灵活性、应对复杂场景的能力等要求更高,需要其具备更高的感知能力与智能化。现有机器人受成本预算与技术水平等因素的限制多处于功能简单、初步智能的水平。
未来智能机器人在交互和数据处理上的技术将更加成熟和复杂。在人机交互过程中机器人会持续收集用户以及环境的图像、声音、行为等数据信息,尤其是家庭/个人服务机器人,其面向的消费者多有隐私信息,这些关乎安全的数据有的在本地处理,有的在云端处理,如何保证这些数据的安全而不被窃取、攻击也是大数据时代必须重视的问题。
5、小结
对于9月30日即将发布的机器人,前宝盈基金研究部负责人李微表示很难抱有多高的预期。最终较为理想的人形机器人一定需要经过多次的迭代,不断的打磨。但其加快了人形机器人这一产业趋势的发展速度是必然的。未来,对于机器人配套的相关产业链来说,在现有机器人产业的需求基础上,必将产生更多的、更高级别的需求,这一产业也将得到不断的壮大。
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