最近一段时间，人形机器人(HumanoidRobot)成为了市场热点之一。
在7月初的第六届世界人工智能大会(WAIC2023)上，特斯拉只展出了一个人形机器人模型，特斯拉首席执行官马斯克在视频发言中表示，特斯拉人形机器人正在开发中，其目标是帮助人们处理琐碎的工作，完成人类不愿做的无聊、重复或危险的任务，因此，它不需要很高的智能水平就可以胜任这些工作。
同时，他还提出了一个有趣的问题：随着时间推移，机器人与人类的比例会是多少?而他认为，在将来某个时刻，二者的比例可能超过1:1，这意味着机器人将比人类多，甚至是多很多，这一趋势已经十分明显。
1、是概念炒作，还是机遇？
从目前的情况来看，在仿生人形机器人开发领域较为活跃的中外厂商及其代表产品有：特斯拉及其Optimus(擎天柱)、波士顿动力及其Atlas、小米及其CyberOne、优必选及其WalkerX、傅利叶及其GR-1等等。人形机器人的市场规模逻辑在于替代人工，一是人口老龄化下的劳动力短缺;二是特定行业(尤其是重复性低端行业)的劳动成本降低;三是危险、高精度要求行业中同等成本下效率和作业能力的提升。
而另一个现实是，现阶段，通用人形机器人的量产难度仍然较大，从特斯拉的视频介绍中可以看到，即使是执行器的设计也是难度和工作量极大的系统工程。而早在2022年3月，在本田汽车公司东京总部，仿人机器人阿西莫(ASIMO)正式宣布退役，结束了长达22年的职业生涯，本田方面给出的原因除了公司发展规划上的转变之外，ASIMO的研发成本也是一个重要的考虑因素。
一个市场要走向成熟，技术、产品与应用缺一不可。在技术层面，人形机器人的核心技术在于人机交互、环境感知、运动控制，很多领域仍有待攻关和突破。以特斯拉机器人机械团队自主设计的执行器为例，针对电磁、齿轮组选择和参数化、定制电机设计等主要环节，需要持续进行仿真测试和演练，得出最佳的机器人运动学参数，并不断优化执行器的结构和封装，在机器人系统的集成工作量呈指数型增长的趋势下，完成简洁、紧凑的封装设计，最终促成整体系统交付时间的加快，这对于规模化应用是至关重要的。
在产品层面，应用成本是一个关键点，马斯克在特斯拉的开放日上提出，特斯拉人形机器人的最终售价将下降到2万美金以下，与目前产业链的成本来看，还有很大的降本空间，但也是目前最有可能实现商业化落地的厂商。在应用场景方面，工厂生产、生活服务、勘探、救援及科研是目前这类厂商重点开拓的目标市场，而从应用规模来看，工厂生产和生活服务是最有可能引发人形机器人大批量应用的主力市场，特别是前者，因为后者还牵涉到人类情感接受和社会融入等议题。无论是从特斯拉本身的工厂发展，还是最近日本机器人初创公司Telexistence与富士康建立合作伙伴关系，进行下一代机器人模型“GHOST”的大规模生产，都反映出全球制造业对机器人的需求已是迫在眉睫。
图1全球典型仿生人形机器人一览(资料来源：网络公开信息)
综上所述，可以看出，仿生人形机器人的开发大多数还处于商业化的初级阶段，特斯拉等一批厂商是这一领域的风向标。但着眼于未来，仅仅满足“替代重复性劳动”的应用标准，特斯拉一类超级工厂的使用需求并非空中楼阁，人形机器人市场也许并不遥远，紧跟趋势，挖掘新的机会和商机，加快布局人形机器人产业供应链，也是中国制造业高质量发展的一个重要方向。
2、电驱动力系统助力商业化
从整个人形机器人的构造来看，肩、手、腿三个部位的动力系统最为关键，它们所牵引的关节活动能力直接影响到机器人全身的灵敏度。在技术开发上，这些动力系统大致又分为液驱和电驱两种方式。
特斯拉等厂商采用的电驱方式中，肩部一般采用的是旋转执行器、腿部用的是线性执行器、手部则强调灵巧手设计(图2)。具体来看内部的零部件，在肩部关节的旋转执行器中，包括谐波减速器、无框力矩电机、力矩传感器、轴承;在腿部的线性执行器中会有无框力矩电机、力矩传感器、滚珠丝杠、轴承;为了保证人形机器人手部的灵活性，要用到空心杯电机、步进电机、多级行星减速器、滚珠丝杠、触觉传感器、力矩传感器、红外探测器等等。
图2特斯拉Optimus人形机器人核心零部件分布示意图(图片来源：网络公开信息）
与其不同的是，波士顿动力在人形机器人的动力系统中采用的则是液压驱动方式，Atlas机器人包含28个液压驱动器来提供动力，驱动器为充满加压流体的气缸，以很大的力驱动活塞;定制化伺服阀优化设计演变得更小、更轻，Atlas内部由流体管线连接液压驱动器。
两者比较而言，电驱方式对比液驱方式主要的劣势在于力密度(更大的力密度带来人形机器人更优质的运动性能)，并且液驱更大的惯量也可保障人形机器人的运动更加平稳，这些使得电驱目前在人形机器人领域仍无法完全取代液驱方式;但就产业化发展而言，电驱有望替代液驱实现高运控性能，以低成本优势打开消费市场。电液驱动在惯量比、响应速度、力密度等方面具备显著优势，而伺服电机系统通过电机性能迭代、精密减速器优化等途径，未来3-5年内有望在各项指标上实现突破，且目前国内外厂商及科研院所在的各环节均发力研发，考虑到电驱在成本、维护、体积重量等方面均优于液驱，因此这一技术路线将会是商用人形机器人的不二选择。
在电驱方案中，以特斯拉人形机器人的BOM表为例，据统计，各类零部件的价值分布大致上分别为：各种电机占29%，滚珠丝杠占9%，谐波减速器占6%，力矩传感器占3%，行星减速器占2%。由此可见，步进电机、无框力矩电机和空心杯电机等，以及各种减速器、传感器等都是仿生人形机器人运动控制的核心部件。
在电机方面，有厂商表示，在人形机器人大关节的使用上，无框力矩电机产品可以满足其功能需求，未来需要看不同厂家对人形机器人呈现的产品形态，可能会在尺寸和功率段内有一些差别和调整，但是从无框力矩电机的基础设计和工艺来看，可能没有特别大的差别。
图3仿人五指灵巧手(图片来源：因时机器人官网)
空心杯电机主要应用在人形机器人的手部，它是直流永磁同步电机的一种，也是小功率段功率密度较大的一类电机。在此基础上，新的产品形态也在出现，以因时机器人推出的微型伺服电缸为例，它是一种小型一体化直线伺服系统，其内部集成了高精密减速器、高性能空心杯电机、丝杆机构、传感器以及伺服控制系统，在保证更小体积的基础上实现驱控一体化，具有体积小、精度高、负载大等技术特点。基于这一技术开发的仿人五指灵巧手依靠的是内置的六个微型伺服电缸，可实时反馈手指的受力情况，以实现对每一个手指抓握力的实时控制，并可对不同软硬程度、不同形状、不同尺寸、不同材质的物体具有更好的适应性和交互安全性。
步进电机则是一种可以控制旋转角度和位置的电机，适用于机器人的定角度运动。它通过脉冲信号驱动来控制步进角度，具有结构简单、体积小、承载力强等特点，多被应用于人形机器人的定位和步进运动中。
3、机械传动模组化形态兴起
减速器连接动力源和执行机构，它将传动设备在高速运转时的动力，通过齿轮比传动(输入轴上的小齿轮啮合输出轴上的大齿轮)或是差齿传动(由于输入端和输出端齿轮数量差异产生减速)，达到降低转速和增大扭矩的目的。
人形机器人对减速器的精度、体积重量、减速性能等均提出了很高的要求，要模拟人类的运动模式，就需要具备高精度、高稳定性的特点，且减速器必须轻量化，因此在人形机器人的膝关节、髋关节等大关节处，RV减速器具备良好的应用前景，它是传统摆线针轮和行星齿轮传动装置的一种新的混合型产品，RV减速器的传动比较大;而在小关节处，谐波减速器是较为理想的解决方案。
也有厂商认为，谐波减速器具有体积小、传动比大的优点，但是在抗冲击能力方面稍差;行星减速器则具备刚性大、抗冲击能力强、价格低的优势，但速比大小直接影响到体积大小，所以空间上受限;从技术角度出发，两者都可以实现在人形机器人上的应用，但都会做出特殊的设计调整，不是以单个零件的模式，而是以模组化形态融入，令精度更高、体积更小。
此外，值得关注的还有人形机器人产业化所带来的滚珠丝杠的市场需求，在特斯拉目前尚未公布的线性执行器具体方案中，人们预测的可能方案有两种：一种是4个滑动丝杆+8个行星滚柱丝杠;另一种是14个滚珠丝杠。根据专业机构的统计，2022年全球滚珠丝杠的市场规模约为20.4亿美元，如果不考虑人形机器人产业化，预计行业将保持低速稳定成长，到2029年，市场规模有望达到30.9亿美元，2023年至2029年的年复合增速为6.1%。
4、主要核心零部件厂商动态
从目前国内产业界来看，真实的情况是大部分厂商并没有真正进入人形机器人市场供应链，还处在技术跟踪、密切关注的状态。在公开信息中，只有鸣志电器等少数几家企业透露有获得该领域头部企业的关注以及合作意向，全套技术方案及样机正在做可靠性及实际应用的测试验证。
昊志机电目前应用于机器人领域的产品包括数控系统、谐波减速器、DD电机、驱动器、编码器、六维力矩传感器、刹车机构、机器人关节模组、低压驱动、末端执行等，但公司生产的谐波减速器等产品目前尚未应用于人型机器人领域。公司凭借在机器人领域深厚的技术积累，以及通过与瑞士Infranor集团研发人员的交流、学习和合作，先后攻克了智能机器人用“高性能谐波减速器”、“高精度编码器”、“一体化关节模组”、“六维力传感器”、“控制系统”等一系列核心功能部件技术。未来，公司在机器人领域产品方面将继续深化减速器等产品研发，加强协作机器人市场开拓力度，拓展公司减速器等产品的下游应用领域，包括工业应用领域以及医美业领域，推进产品的产业化生产。
步科自动化开发的无框力矩电机可用在人形机器人的大关节上，公司目前正在密切跟踪特斯拉整体产品的开发情况，并且也在和一些客户进行相关产品的共创工作。在技术方面，无框力矩电机在磁路和工艺设计方面都会有一定的技术要求，随着公司产品规模的扩大和工艺的创新，产品会存在一定降本空间，力争使公司的无框力矩电机产品的售价更具竞争优势;同时公司还开发出了多系列的电机产品，使得产品规格、尺寸、功率等覆盖面更全，以满足不同客户的需求，据介绍，目前公司的第三代无框力矩电机产品可以对标国际领先产品，部分型号已具备一定优势。
图4小米CyberOne(铁大)(图片来源：小米官网)
鸣志电器在人形机器人应用领域专注于手掌模组及指模所用的控制电机模组的研发和制造。据悉，基于公司已具备了该类控制电机模组的核心研发与制造技术，因此获得了该领域头部企业的关注以及合作意向，公司目前已经向该领域头部客户提交了全套技术方案及样机，供客户做可靠性及实际应用的测试验证。
中大力德在近期的投资者关系活动中表示，公司长期深耕于工业自动化领域，目前在机器人部分主要围绕工业机器人和协作机器人展开，不断开发新的应用场景，并且针对人形机器人这一目前热点话题，公司也在时刻保持高度关注。
江苏雷利称，公司微型行星滚柱丝杆、滑动丝杆可以用于人形机器人，其中滑动丝杆技术含量最高，主要用于重负荷、主关节，公司的产品在样品测试阶段已得到客户认可，目前已经完成开发并在成本上实现突破，量产时点需根据客户进度确定。
5、机器人新浪潮时代来临
按照马斯克的计划，特斯拉人形机器人有望在3-5年时间内交付，产量可达到数百万台，价格可能不到2万美元，这也许是人形机器人和人类社会最近的一次距离。人形机器人之所以能够成为今年以来除ChatGPT人工智能新技术之外的又一个热点，自然有其市场及资本运作的规律在做支撑，但从实业角度出发，看见未来，未雨绸缪，也是每一位企业家的职责所在。
就像马斯克的星链项目即使一次次的失败，但大多数人并不会嘲笑视之，而是非常钦佩他的勇气，他颇具远见和独特的商业模式也获得了愈来愈多投资者的青睐。人类对未来的探索从未停止，每一次成功的背后都是以千万次的挫折为代价，人形机器人的开发也是一样，它是对人类本身资源缺陷的一次大胆尝试。
实际上，除了本文重点探讨的运动控制技术及核心部件的研发之外，人们有理由相信，在AI算法的持续迭代、包含激光雷达在内的多模态视觉感知模组在机器人领域渗透率的不断提升，以及电驱系统性能不断升级的助力之下，人形机器人将在不久的未来真正打开C端消费市场的空间。在这一新的赛道上，工控自动化企业将迎来又一次的产业革新，新的产品形态、新的产业生态圈，将会以令人称奇的速度涌现在人们面前。
