人形机器人走向商业化,哪些应用与技术挑战亟待攻克

发布日期:2024-05-06     55 次

集成人工智能、高端制造、新材料等先进技术,有望成为继计算机、智能手机、新能源汽车后的颠覆性产品,”这是2023 年工信部发布的《创新发展指导意见》的第一句话。

可见,“头脑”聪明、“四肢”灵活的正成为未来产业的新赛道。

高盛最新预测人形机器人市场规模在2035年将达到378亿美元,相较2022年60亿美元的预测值提升了6倍多。对此,高盛指出,技术进步是推动市场增长的关键因素,同时高规格机器人物料成本在一年内下降40%左右。因此高盛预计人形机器人将可更快实现盈利,对人形机器人出货量的测算相较2022 年增加了4倍,达140万台。在落地时间方面,制造业领域的应用时间在2024年就将开始,消费者端的应用时间也将提早到2028年。

多位业内专家认为,2024 年有望成为人形机器人的量产元年。

关于未来,按照特斯拉CEO 马斯克的乐观预测,假设人形机器人与人口比例为2:1,人形机器人需求量有望达到100~200亿台,人类对人形机器人的需求甚至会远远超过汽车。

那么,目前各行各业已有了越来越多的机器人,为何要造人形机器人?人形机器人的应用和技术特点是什么?纵观发展历史,目前的人形机器人处于什么阶段?

1 为什么需要人形机器人

首先,相比四足机器人、机械臂等传统机器人设备,具有更强的通用性。一台人形机器人可以替代多种单一功能设备,也可以应用在多种生产生活场景中。

其次,作为一种模仿人类外观、形态和行为能力的智能机器人,人形机器人可以无缝使用人类所有基础设施和工具,融入人类社会。

再有,通过AI尤其是生成式AI赋能,给机器人带来了“大脑”,可实现自然的语言交互与行为动作,使其形态、交流、工作能力更像人。

因此在特种环境应用、智能制造、医疗、教育、家政等领域有广泛的应用前景,有望颠覆一些领域现有的发展格局。

2 哪个领域的应用会率先落地?

答案是智能制造领域。人形机器人正进入工厂,可代替部分重复性岗位,特别是当前工业机器人无法胜任的长尾工种。业界普遍预期,汽车生产线是人形机器人首个落地场景。因为:①汽车业劳动力短缺和成本上涨,促使车企加快拥抱生产自动化。②相较于汽车,其他行业(例如3C 制造和医疗等领域)的零部件更为精细,对于机器人执行能力的精准性要求更高,更为复杂。

在汽车制造中,目前在总装环节的自动化程度相对较低,是人形机器人可以发挥作用的机会点,其余制造环节已有工业机器人的成熟部署。例如汽车总装部分的安装汽车内饰、贴车标、玻璃窗打胶等,工业机器人还没能替代人类。这是因为车的结构完全是按照人体的活动特点进行设计的,普通工业机器人无法像人一样自由弯腰、下蹲来执行一些装配工作;相对而言,人形机器人拥有更灵活的移动能力,可以将现在仍由人类操作的岗位进一步自动化。

在商业化落地方面,车企已开始为机器人的场景化应用与训练提供平台,例如,今年1 月,美国Figure AI同宝马签署了一项合作协议,计划在宝马位于美国南卡罗来纳州的汽车制造车间部署人形机器人。今年2 月下旬,优必选首次公开最新版人形机器人Walker S在蔚来合肥汽车第二先进制造基地总装车间“实习”的画面(图1),视频展示了Walker S 完成车门锁质检、安全带检测、车灯盖板质检、贴车标等任务,人形机器人展现出精巧的身体控制能力。3 月15 日,梅赛德斯- 奔驰宣布将Apptronik公司研发的Apollo人形机器人引入生产线,以应对低技能、重复性工作岗位的劳动力短缺。

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图1 优必选Walker S在蔚来工厂实训(图片来源:网络)

有业内人士预估,还需5~10 年才能看到人形机器人大批量部署汽车装配车间。

在其他领域方面,有专家认为人形机器人会首先替代某些专用领域的工作,例如焊接机器人,然后功能再不断向外拓展,实现多功能化。因此,当前的一大挑战是开拓人形机器人的应用场景。

3 人形机器人的技术挑战

3.1 人形机器人的结构组成

工信部《人形机器人创新发展指导意见》提出,到2025年,人形机器人创新体系初步建立,“大脑”“小脑”“肢体”等一批关键技术取得突破。

其中,“大脑”主要应对环境感知、行为控制和人机交互,“小脑”主要对应“运动控制”。“肢体”关键技术是执行技术群的核心,主要由高紧凑机器人四肢结构、灵巧手与骨架身体结构组成,技术包括仿生传动、拓扑优化、新材料、增材制造、一体化设计等。《意见》强调了轻量化、高强度、高动态、高爆发、高精度、长续航等人形机器人需求的特点。

人形机器人主要部件有:电机、减速器、传感器、上肢传动方式、下肢传动方式、手部关节。

在人形机器人的产业链中,从长期看最具价值的部分在于软件,即能够自研或拥有AI 算法等核心技术者,将掌控人形机器人的发展方向。从目前看,价值占比高、增量空间大、利润可观的部分有减速器、滚柱丝杠、伺服电机、传感器等。

3.2 人形机器人的主要挑战

●   关节多而精密。普通工业机器人的关节数量一般在2~6个左右,而人形机器人关节数量在40个以上。通常人形机器人的每个关节需要1台伺服电机,部分与行走平衡相关的关节对电机的高爆发力矩响应和稳定力矩输出提出了极高的要求。

●   高性能、低成本。据中科院自动化所的专家介绍,如何让具有40 多个自由度、平均体积与人相当的复杂人形机器人系统精准完成各类任务,同时将整机成本控制在25 万元以内,是一个重要挑战。目前,减速器、伺服电机、控制器等核心零部件占机器人整机成本的七成以上。

●   需要轻量化骨骼、高强度本体结构、高精度传感、全身协调运动控制和手臂动态抓取灵巧作业等技术。

●   工业制造领域对机器人工作的精准度和效率要求非常苛刻,人形机器人在此有较大提升空间。业内专家认为,人形机器人和目前已经成熟的工业机器人是两类机器人,是互补关系,而不是竞争关系。工业机器人在精准高效上有非常大的优势,人形机器人在通用性上较有优势。

●   与人类一样,人形机器人也有“大脑”和“小脑”。“小脑”的挑战包括复杂地形通过、全身协同精细作业等任务需求;“大脑”包括增强人形机器人的环境感知、行为控制、人机交互能力等。

●   在系统集成方面,如何将感知、认知、决策、控制等软件算法与传感、机械、材料等硬件系统有机融合,形成整体性能高于单元器件性能的软硬件一体化综合系统,也是国内外人形机器人相关研究人员面临的共同挑战。

4 资金大量涌入

人形机器人技术突破背后,资本正大力输血。资本乐意输血的主要原因,首先与马斯克的Optimus(擎天柱)的概念诞生有很大关系,2021 年特斯拉AI Day上,Optimus完成了第一次图片亮相,2023年马斯克放出豪言,人形机器人的市场规模终有一天将超过汽车。其次,以GPT大模型为代表的生成式AI 的推出,将AI产业带到了一个新高度,“大模型+ 机器人”的具身智能兴起,使人形机器人不仅初具智能“大脑”,且“大脑”“小脑”的研发迭代速度加快。

在国际市场,融资不断加大。2024 年年初,挪威人形机器人公司1X Technologies收获1亿美元融资。更引发关注的是美国人形机器人赛道新星Figure AI,在2月下旬完成6.75亿美元B轮融资,微软、英伟达等科技巨头投资者提供资金和技术支持。1X Technologies和Figure AI还有个共同的背景——得到OpenAI的加持。有了大模型,人形机器人就有了“大脑”,具身智能体才有望步入现实。

在国内,据中国机器人网统计,2023年国内共有9家人形机器人企业获得累计超过19亿元的融资,其中3家企业单轮融资金额超亿元。在资本一级市场上,2024年初的近3个多月以来,已有多个上亿人民币或美元的融资案例。例如2024 年春节前,杭州宇树完成了B2 轮融资,金额近10亿元人民币。二级市场上,人形机器人的市值也在大幅增长。例如优必选的市值从港股上市初(2023 年12 月29 日)的380 亿港元,翻番至当前(2024年4月2日)的925亿港元左右。

5 哪类企业在造人形机器人

当前国内人形机器人厂商主要分为四类。

●   传统机器人及其零部件厂商。例如国内的达闼、傅里叶等,特点是有多年机器人及零部件的技术积累。

●   智能电动车企。像特斯拉一样,小鹏也入局研发人形机器人,比亚迪2023 年投资押注智元机器人公司。马斯克曾说,自动驾驶的本质就是机器人。这种“机械+电子”的模式也是人形机器人的要素。车企的入局,一方面是自用的需要——可以在自己的汽车制造工厂落地应用,另一方面也可以向其他应用领域延伸发展。

●   AI、互联网企业。例如国内的科大讯飞、小米等企业。

●   独角兽、初创公司。例如智元机器人等。智元2023年2月公司成立,其创始人之一曾是华为“天才少年”、坐拥250 万粉丝的B站up主——稚晖君彭志辉,他的搭档是上海交大教授闫维新。自2023年2月成立以来,智元机器人已马不停蹄拿下6轮融资,堪称VC圈最火爆项目之一。同年8 月发布了第一代通用型人形双足机器人“远征A1”。

6 部分明星机器人

●   特斯拉Optimus

2021 年特斯拉AI Day,所有商业化人形机器人的原型——Optimus(擎天柱)完成了第一次图片亮相。一年之后,2022 特斯拉AI Day,“四肢健全”的Optimus在数个成年男子的“搀扶下”正式上台与全球观众打招呼。2023 年,马斯克放出豪言,人形机器人的市场规模终有一天将超越汽车,达到100亿台。然而,有人在2023年二季度时询问马斯克过去几年制造了多少台Optimus,得到了仅“5~6”台的答案。巧合的是,这个数字与国内“人形机器人”第一股优必选在过去几年卖出的用于科研教育的人形机器人数量相当。

到了2023年7月,Optimus人形机器人在上海世界人工智能大会WAIC中完成了中国首秀。身高1.72m,体重56.6kg,拥有正常人身材的Optimus,静态地被封存在展会的透明柜中。

2023年12月13日,马斯克释出了Optimus第二代机器人(Gen 2)介绍视频(如图2)。与第一代相比,Optimus Gen 2采用了特斯拉自研的执行器和传感器,并在行走速度、平衡感和身体控制、手部精细操作等方面有明显性能提升。零部件方面,Optimus Gen 2搭载了由特斯拉自研的执行器和传感器、2自由度驱动颈部、11自由度灵巧手、触觉传感器(十指)、执行器集成电子和线束、足部力/ 扭矩传感器、铰接式脚趾等。整体性能方面,Optimus Gen 2行走速度提高了30%,全身重量减轻10kg,同时平衡力及全身控制均得到提高。

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图2 特斯拉Optimus Gen 2

●   Figure AI 的Figure 01

2024年1月,人形机器人初创公司Figure AI突然放出了公司旗下机器人Figure 01进入宝马工厂“实习”的相关资料,引发全球媒体关注。据悉,该公司的Figure 01机器人推出于2023年10月,身高1.67m,重约60kg,主要负责替代宝马工厂中一些原先必须由自然人承担的有一定危险系数的工作。Figure 01也成为了首个正式投入实际场景的人形机器人。

同期,Figure AI还曝出与OpenAI就具身智能开展合作,两者将依托语言与视频动态捕捉,利用机器人神经网络的分析与理解,希望从真正意义上实现机器人的人智。

3月中旬,Figure AI放出了一段基于OpenAI大模型加持的演示视频(图3),demo 机器人在只有独立神经网络的支持下,完成了从接收人类指令,到执行向人类传递并放置物品的动作。

在这段视频的背后,demo机器人并没有任何的人为远程指令操作,而是依靠“端到端”神经网络与大模型的加持,真正实现自主运动。

●   必选的Walker S

Walker S身高1.70m,外观比例更接近人类,搭载了41个高性能伺服关节,以及多维力觉、多目立体视觉、全向听觉和惯性、测距等全方位的感知系统,拥有全面升级的视觉定位导航、手眼协调操作、步态控制、多模态路径规划垂域模型等技术,机器人的自主运动及决策能力大幅提高,可在工厂流水线实现精准安全同步的作业。

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图3 Figure 01可以与人类全面对话(图片来源:网络)

●   小鹏PX5

新能源车企小鹏从2016年开始进行四足机器人研发,并于2023 年10 月小鹏汽车科技日上,带来了首款自研人形态智能机器人——小鹏PX5,是继特斯拉后,第二家车企发布自研人形机器人。据悉,该机器人仅用时5个月就打造完成,有双足,其腿部、膝部和脚踝区域采用高性能关节,具有越障能力,可完成 2小时以上的室内外行走和越障。同时,它还有仿生手臂,采用坚固且超轻量材质打造,仅5kg,具备7自由度,重复定

位精度0.05mm,单臂最大负载3kg,负载自重比超0.6,最大末端线速度1m/s。核心的手掌部分,也采用超轻且坚固耐用材质,仅重430g,支持11个自由度调节,双指保持力1kg,采用刚柔混合驱动方案。值得一提的是,手具备末端触觉感知能力,可以提供对不同形状物体的抓取包覆姿态。

官方没有公布小鹏PX5智能机器人什么时候投入市场,以及价格,这并不是最终成型产品,还会继续打磨优化。

●   智元的远征A1

2023年2月公司成立,同年8月发布了第一代通用型人形双足机器人“远征A1”(图4)。远征A1身高1.75m,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。

发布会现场,远征A1演示了一个人形机器人应有的“超能力”:步态平稳、进行3C 产品的组装装配、物料搬运,甚至于在烹饪场景中磕鸡蛋,帮助老人吃药。

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图4 智元的远征A1(图片来源:网络)

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350N·m,而重量仅为1.6kg。

能拿起药片、拧开瓶盖,那双机械手必须足够灵巧,智元发布了面向下一代机器人的高自由度灵巧手SkillHand。这款灵巧手将拥有12个主动自由度和5个被动自由度,所有驱动内置,并集成了基于视觉的指尖传感器,专门面向精密操作。

除了传统意义上的软硬件能力,远征A1发布会更惹人关注的点是,AI大模型来加持。据介绍,结合LLM(大语言模型)和VLM(视觉语言模型)等AI技术带来的重大突破,智元使机器人自主感知环境、理解任务、编排动作成为可能,实现了从ChatGPT到WorkGPT的扩展。与传统AI 技术不同, 智元的WorkGPT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,并实现复杂的语义多级推理能力,也就是所谓的“思维链”。

远征A1 将在2024 年快速进入商业化落地。将首先应用于工业智造领域,随后逐步走向家庭,协助工人、科研人员和家庭成员完成各种任务。

据悉,智元公司希望将机器人成本控制在20 万元以内。

7 历史沿革

人形机器人的发展史可追溯到15 世纪的达·芬奇时代,现代意义上的类人机器人研制源自20 世纪上半叶的美国,但真正深入的研究始于20 世纪60 年代。从那时至今,人形机器人的发展可分为四个阶段:

1. 全尺寸机初步行走阶段。日本早稻田大学打造的WABOT-1为代表的机器人,诞生于1967年,行动能力相当于1岁的婴儿。有26个关节,胸部装有两个摄像头,手部有触觉传感器。其主要创造者加藤一郎被誉为“世界仿人机器人之父”。

2. 能力破冰时期。代表产品是本田人形机器人阿西莫(ASIMO)(1986 年研发,2000 年推出) 等为代表的系统高度集成的机器人。可以实现最高6 km/h 的行走速度,可实时预测下一个动作并提前改变重心,还能握手、挥手、随音乐跳舞等。但是2022 年3 月,ASIMO正式宣告退役,以专注于该技术的更多实际应用。

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图5 本田人形机器人ASIMO(图片来源:网络)

3. 以强复合运动能力为特征的技术突破发展阶段。突出代表为波士顿动力Atlas,2009 年问世,2013 年7月公开发布。在28个液压驱动器的驱动下可在复杂障碍环境内做跳跃、翻滚、小跑、三级跳等高难度动作。但是Atlas追求的是技术上的极致,成本动辄上百万美元,较难商业化。

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图6 波士顿动力Atlas(图片来源:网络)

4. 产业化落地阶段。以特斯拉Optimus 机器人为代表,该阶段尚处于发展前期。Optimus 出现的意义不仅在于其具备精准把控动作力度、看路记路、根据人类动作范例进行端到端动作操控等惊人能力,更在于其遍布全球道路、拥有大量数据和实践经验的特斯拉汽车共享神经网络(NN),且二者都安装了相同的无人驾驶系统。特斯拉基于汽车的技术、品牌和市场积累,将同一能力尤其是在顶层数据和技术开发上的突破向机器人迁移,长期看有助于人形机器人成本的下降。


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