人形机器人的几大技术难点是什么

导语:人形机器人不是一个新概念了,这段时间 Tesla、1x、小米又把人形机器人概念推上了风口浪尖。

很多人问我,“在现实生活中看到人形机器人,还需要多少年?” 这个问题很难给个确切的答案,以乐观派 Elon 的说法,2年内即可量产落地,而反观人形这么些年的研究历程,受限于场景、对复合技术的极高要求,也许至少3-5年才能探索到顺畅的商业模式。

我们到底需不需要人形?能怎么用?是否有开发的必要?这些问题争议性比较大,今天发表下自己的观点。

先说结论,人形机器人的研究的意义在于:1. 开发最适应人类社会的机器人形态,实现终极机器替人,但场景需要新的突破;2. 人形对软硬件复合技术的要求极高,奔着人形做研发的机器人公司能掌握最全面的技术栈。

第一台人形机器人于21世纪以前就诞生了

【I. 开发最适应人类社会的机器人形态,但场景需要新的突破】

人形机器人的目标是成为机器人界的iPhone,也就是终极、通用形态,我们拆解一下,所需的能力包括运动(下肢-底盘/四足/双足)、操作(上肢-单臂/双臂)、交互(脸)。通过排列组合,满足这些条件的机器人形态可以是:

- 形态最简洁,类似Google Everyday Robot,移动底盘+单臂;

- 运动能力最佳,半人马,四足+单或双臂;

- 可范化性最高,人形,双足+双臂,也就是Tesla和波士顿动力的方向。

左至右:Google、BostonDynamics、Tesla

如果需要开发一台机器人,作为日常助手,最简单的方案可能是Everyday Robot的方案,可以完成生产生活中的大部分工种。但遇到需要上下楼梯、或双臂协同的工种,这个形态就有很大的局限性。由于人类社会的所有环节都是为人类行动设计的,因此,人形机器人可能是最适合人类社会的形态,技术成熟后,可以无缝嵌入所有环境。

另外,来看一组数据:2021年,中国劳动力缺口1,180万人、美国劳动力缺口710万人,全球人口将在本世纪中叶达到峰值。从补充劳动缺口的角度,需要一类机器人来替代工人,我们画过一张表来衡量替人顺序,概括来说:在中国劳动力成本尚低的背景下,通用机器人会先替代有一定学习门槛、工资门槛的技工,接着逐步渗透到其他象限。

先替代有一定学习门槛、工资门槛的技工,接着逐步渗透到其他象限

那么人形机器人近期到底能用在哪儿呢?以优必选为例,第一批人形机器人已经广泛用在教育、迎宾上,公司2023年报了港交所,这里较难诞生增量de 市场机会。

而第二代的机器人有可能逐步渗透各大生产生活环节。举个例子来说,Tesla 的人形机器人将用于汽车产线。需要强调的是,在汽车制造流程中,传统存量机器人环节包括冲压 (机床)、焊接、码垛、喷涂等,以上环节的工业机器人已饱和。但仍有大量环节用到人工,比如各流程之间的搬运、安装车门车座等,这些都是传统工业机器人无法完成,也是人形机器人能进一步渗透的环节。

作为工业机器人渗透最高的行业,汽车制造产线上仍有大量人工环节

另外,人形机器人的造价和售价还没有共识。

2017-2018年时,国际公认一台人形机器人的成本30万人民币之内,目前降低到最低成本10-15万。

成本难下降的问题在于all-purpose,导致不能聚焦在某一个场景。据说 Tesla Optimus 目前物料成本 20万美金,目标是2025-2027年,量产后售价2万美金(预计成本7-10万人民币)。

【II. 人形对软硬件复合技术的要求极高,奔着人形做研发的机器人公司能掌握最全面的技术栈】

人形机器人之所以离落地较远,其中一个限制因素是其对于技术的要求极高,尤其是运动控制软件、本体硬件之间的复合能力,这也导致我们看到的大部分 demo 机都站不住、走不稳、动作僵硬,很难完成劳动任务。注:波士顿动力作为特殊讨论,这家公司的产品虽然能跑酷,但属于不计成本地提升运动能力,实际工作耗极高、噪音极大,无法量产落地。

人形机器人硬件性能指标

我们来盘一下人形机器人的几大技术难点:

技术难点1:平衡整机功率、续航能力

从续航能力看,目前人形机器多只能续航 1-2 小时,未来预测可以提升到 20 小时,而对比人类工人可以持续工作 7-8 小时,机器人尚未达到可用的程度。

究其原因,人形机器人每个关节都需要大电机,导致整体功率大、续航短。这里面需要新的结构设计、算法设计。

技术难点2:运动能力、步态控制

尤其是国内做步态控制 (locomotion) 人才很少,下面总结了集中运动控制的技术路径,仍在探索中,格局未定。

整机控制技术路径对比

技术难点3:核心零配件,一体化关节

对比新能源车和人形机器人的成本构成:电池成本占比由38%降低到2%,电机电控成本由12%提升到39%。当前痛点在于成本高、定制化需求高。整机成本中,电机占比40-50%、减速器占20%。

人形机器人的电池成本占比由38%降低到2%,电机电控成本由12%提升到39%

其中,、执行器都可以国产,特殊部位的零配件需要进口,需要平衡质量、价格、供货周期(国内定制需要 2-3 个月,进口需要 8-10 个月)。之前已经在做电机、减速器的厂家,由于只做过制造业机械,未来可能会催生新的上游。

仿生部件需要找科研团队定制,包括电子皮肤、人工肌肉、人工软骨等。

国内容易被制约的零部件,包括机械部件新材料、电路板相关的传感器和、通讯模块芯片、电路管理芯片。

Tesla 6种定制电机和驱动器

【国内外人形机器人公司盘点】

顺着人形的技术路径去做的公司,可以说是给自己出了机器人界最难的一道题,各家进展各有不同,以下是重点公司盘点:

- 海外量产标杆:Tesla bot

- 海外运动性能标杆:Boston Dynamics

- 从大模型切入:1x、Ameca

- 海外其他创业公司:figure、Agility Robotics、Sanctuary AI、prosper

- 国内公司:优必选、小米CyberOne、腾讯Robotics X、钢铁侠、学校实验室(北理工黄强、清华赵明国、浙大熊蓉、中科大刑天)等

部分人形机器人产品参数对比

Tesla Bot,Optimus

- 21年8月发布概念,6个月开发出来,重量73kg,电池2.3kwh,续航8h,身体28个自由度。
- 目标是大规模量产,大量重复可替代的零部件,降低成本,用软件反哺硬件(比如从8个摄像头降低到3个)。
- 自研6种电驱执行器,可拉动500kg的钢琴,响应速度高达10khz,但需要搭配谐波减速器(关节,用转速去换扭矩)。
- 扭矩密度高,则爆发力强、消耗铜损低、所以optimus输出大时,续航长、发热低。

Tesla最新发布的视频中,机器人已经可以实现:1. 端到端动作生成、遥操作和示教功能;2. 下肢力矩控制频率高(估计达到1000hz),使得脚步足够轻,不踩破鸡蛋

波士顿动力

- 1992年开始迭代,重量150kg,电池3.7kwh,续航1h。目标是展示超越人类的运动能力。
- 驱动:液压,液体压缩泵产生高压液体,高压液体对输出泵做功。优势是力气大、执行器只需一个,劣势是维护麻烦、响应速度慢。金属3d打印制造。
- 发展历程:1992年,从MIT实验室独立出来;2013年,谷歌以30亿美元收购;2017年,软银从谷歌手中买下,价格未公布;2020年下半年,Spot机器狗发售,售价7.45万美元;2020年12月,现代汽车9.21亿美元收购,公司年支出$1.5亿。

挪威/美国 1x

- 历程:2015年成立的挪威公司,最早开发老年服务机器人,最近官宣做安防市场。
- 团队: CEO,Bernt Børnich,挪威人。AI 负责人,Eric Jang,美籍华裔,Google X 高级研究科学家6年。
- 产品:售价15万美金,身高175cm,体重76kg,单臂负重8kg,时速22km/h。
最新融资:启动了名为NEO的人形机器人原型研发后,拿到OpenAI、老虎基金的投资。
- OpenAI COO Brad Lightcap评价:投资1x瞄准的是机器人硬件技术成熟,在AI加持下开拓更广泛的劳动力市场。

英国Engineered Arts,Ameca

- 靠为娱乐行业制作动画人物起家,光场相机扫描真人+3D打印面部肌肉。
- Ameca接入ChatGPT后,能对人类语言展现流畅情绪和反应。

美国 figure.ai

- 历程:2022年成立,2023年3月发布01号机器人的宣传视频,计划6个月之内推出测试产品。
- 参数:和特斯拉相似,高1.67m,量59kg,电机驱动,续航5h。
- 落地场景:仓储物流,已有5款原型机,2024年造50台机器人。
- 创始人:Brett Adcock,连续创业者,个人投入$1000万。从波士顿动力、特斯拉、Google X、机器人实验室IHMC,挖来40位技术专家。

美国 Agility Robotics

- 2015年成立,CEO为CMU博士,第一个推出商用人形机器人,准备在仓库里发力。
- B+轮融资1.5亿美金,亚马逊、索尼、东京电气TDK

加拿大 Sanctuary AI

- 2018年成立,上半身人形,下半身轮子,开始在商店进行测试。A轮融资 $6,000万。

英国 Prosper

- 2023年发布通用机器人demo,可以整理床铺(难度大,涉及柔性面料的识别和操作)、操作洗衣机,创始人曾任职于OpenAI、Scale AI。

优必选

- 2023年报港交所,估值300亿人民币(PS 21年38x,22年43x)
- 2020至2022Q3,收入7.4亿元、8.2亿元和5.3亿元,净亏7.1亿、9.2亿元、7.8亿元,累计卖出50万台
- 收入占比:教育 68%、物流 10%、消费 16%、其他 6%
- 利润:毛利 31%,销售费用率 46%、研发费用率 61%

总结一下,人形机器人目前受限于场景、技术、成本,尚未实现大面积落地,但我们相信,人形是能渗透人类社会的终极形态机器人,实现机器替人、补人。产业落地过程中,也会催生一众上下游公司。