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人形機(jī)器人的幾大技術(shù)難點(diǎn)是什么

時間:2023-07-27 14:26:30來源:知乎@siwei

導(dǎo)語:?人形機(jī)器人不是一個新概念了,這段時間 Tesla、1x、小米又把人形機(jī)器人概念推上了風(fēng)口浪尖。

很多人問我,“在現(xiàn)實(shí)生活中看到人形機(jī)器人,還需要多少年?” 這個問題很難給個確切的答案,以樂觀派 Elon 的說法,2年內(nèi)即可量產(chǎn)落地,而反觀人形這么些年的研究歷程,受限于場景、對復(fù)合技術(shù)的極高要求,也許至少3-5年才能探索到順暢的商業(yè)模式。

我們到底需不需要人形?能怎么用?是否有開發(fā)的必要?這些問題爭議性比較大,今天發(fā)表下自己的觀點(diǎn)。 

先說結(jié)論,人形機(jī)器人的研究的意義在于:1. 開發(fā)最適應(yīng)人類社會的機(jī)器人形態(tài),實(shí)現(xiàn)終極機(jī)器替人,但場景需要新的突破;2. 人形對軟硬件復(fù)合技術(shù)的要求極高,奔著人形做研發(fā)的機(jī)器人公司能掌握最全面的技術(shù)棧。

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第一臺人形機(jī)器人于21世紀(jì)以前就誕生了

【I. 開發(fā)最適應(yīng)人類社會的機(jī)器人形態(tài),但場景需要新的突破】

人形機(jī)器人的目標(biāo)是成為機(jī)器人界的iPhone,也就是終極、通用形態(tài),我們拆解一下,所需的能力包括運(yùn)動(下肢-底盤/四足/雙足)、操作(上肢-單臂/雙臂)、交互(臉)。通過排列組合,滿足這些條件的機(jī)器人形態(tài)可以是:

- 形態(tài)最簡潔,類似Google Everyday Robot,移動底盤+單臂;

- 運(yùn)動能力最佳,半人馬,四足+單或雙臂;

- 可范化性最高,人形,雙足+雙臂,也就是Tesla和波士頓動力的方向。 

左至右:Google、BostonDynamics、Tesla

如果需要開發(fā)一臺機(jī)器人,作為日常助手,最簡單的方案可能是Everyday Robot的方案,可以完成生產(chǎn)生活中的大部分工種。但遇到需要上下樓梯、或雙臂協(xié)同的工種,這個形態(tài)就有很大的局限性。由于人類社會的所有環(huán)節(jié)都是為人類行動設(shè)計的,因此,人形機(jī)器人可能是最適合人類社會的形態(tài),技術(shù)成熟后,可以無縫嵌入所有環(huán)境。

另外,來看一組數(shù)據(jù):2021年,中國勞動力缺口1,180萬人、美國勞動力缺口710萬人,全球人口將在本世紀(jì)中葉達(dá)到峰值。從補(bǔ)充勞動缺口的角度,需要一類機(jī)器人來替代工人,我們畫過一張表來衡量替人順序,概括來說:在中國勞動力成本尚低的背景下,通用機(jī)器人會先替代有一定學(xué)習(xí)門檻、工資門檻的技工,接著逐步滲透到其他象限。 

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先替代有一定學(xué)習(xí)門檻、工資門檻的技工,接著逐步滲透到其他象限

那么人形機(jī)器人近期到底能用在哪兒呢?以優(yōu)必選為例,第一批人形機(jī)器人已經(jīng)廣泛用在教育、迎賓上,公司2023年報了港交所,這里較難誕生增量de 市場機(jī)會。

而第二代的機(jī)器人有可能逐步滲透各大生產(chǎn)生活環(huán)節(jié)。舉個例子來說,Tesla 的人形機(jī)器人將用于汽車產(chǎn)線。需要強(qiáng)調(diào)的是,在汽車制造流程中,傳統(tǒng)存量機(jī)器人環(huán)節(jié)包括沖壓 (機(jī)床)、焊接、碼垛、噴涂等,以上環(huán)節(jié)的工業(yè)機(jī)器人已飽和。但仍有大量環(huán)節(jié)用到人工,比如各流程之間的搬運(yùn)、安裝車門車座等,這些都是傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人無法完成,也是人形機(jī)器人能進(jìn)一步滲透的環(huán)節(jié)。

作為工業(yè)機(jī)器人滲透最高的行業(yè),汽車制造產(chǎn)線上仍有大量人工環(huán)節(jié)

另外,人形機(jī)器人的造價和售價還沒有共識。

2017-2018年時,國際公認(rèn)一臺人形機(jī)器人的成本30萬人民幣之內(nèi),目前降低到最低成本10-15萬。

成本難下降的問題在于all-purpose,導(dǎo)致不能聚焦在某一個場景。據(jù)說 Tesla Optimus 目前物料成本 20萬美金,目標(biāo)是2025-2027年,量產(chǎn)后售價2萬美金(預(yù)計成本7-10萬人民幣)。

【II. 人形對軟硬件復(fù)合技術(shù)的要求極高,奔著人形做研發(fā)的機(jī)器人公司能掌握最全面的技術(shù)?!?/p>

人形機(jī)器人之所以離落地較遠(yuǎn),其中一個限制因素是其對于技術(shù)的要求極高,尤其是運(yùn)動控制軟件、本體硬件之間的復(fù)合能力,這也導(dǎo)致我們看到的大部分 demo 機(jī)都站不住、走不穩(wěn)、動作僵硬,很難完成勞動任務(wù)。注:波士頓動力作為特殊討論,這家公司的產(chǎn)品雖然能跑酷,但屬于不計成本地提升運(yùn)動能力,實(shí)際工作中功耗極高、噪音極大,無法量產(chǎn)落地。

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人形機(jī)器人硬件性能指標(biāo)

我們來盤一下人形機(jī)器人的幾大技術(shù)難點(diǎn):

技術(shù)難點(diǎn)1:平衡整機(jī)功率、續(xù)航能力

從續(xù)航能力看,目前人形機(jī)器人大多只能續(xù)航 1-2 小時,未來預(yù)測可以提升到 20 小時,而對比人類工人可以持續(xù)工作 7-8 小時,機(jī)器人尚未達(dá)到可用的程度。

究其原因,人形機(jī)器人每個關(guān)節(jié)都需要大電機(jī),導(dǎo)致整體功率大、續(xù)航短。這里面需要新的結(jié)構(gòu)設(shè)計、算法設(shè)計。

技術(shù)難點(diǎn)2:運(yùn)動能力、步態(tài)控制

尤其是國內(nèi)做步態(tài)控制 (locomotion) 人才很少,下面總結(jié)了集中運(yùn)動控制的技術(shù)路徑,仍在探索中,格局未定。 

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整機(jī)控制技術(shù)路徑對比

技術(shù)難點(diǎn)3:核心零配件,一體化關(guān)節(jié)

對比新能源車和人形機(jī)器人的成本構(gòu)成:電池成本占比由38%降低到2%,電機(jī)電控成本由12%提升到39%。當(dāng)前痛點(diǎn)在于成本高、定制化需求高。整機(jī)成本中,電機(jī)占比40-50%、減速器占20%。 

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人形機(jī)器人的電池成本占比由38%降低到2%,電機(jī)電控成本由12%提升到39%

其中,控制器、執(zhí)行器都可以國產(chǎn),特殊部位的零配件需要進(jìn)口,需要平衡質(zhì)量、價格、供貨周期(國內(nèi)定制需要 2-3 個月,進(jìn)口需要 8-10 個月)。之前已經(jīng)在做電機(jī)、減速器的廠家,由于只做過制造業(yè)機(jī)械,未來可能會催生新的上游。 

仿生部件需要找科研團(tuán)隊定制,包括電子皮膚、人工肌肉、人工軟骨等。

國內(nèi)容易被制約的零部件,包括機(jī)械部件新材料、電路板相關(guān)的傳感器和控制器、通訊模塊芯片、電路管理芯片。

Tesla 6種定制電機(jī)和驅(qū)動器

【國內(nèi)外人形機(jī)器人公司盤點(diǎn)】

順著人形的技術(shù)路徑去做的公司,可以說是給自己出了機(jī)器人界最難的一道題,各家進(jìn)展各有不同,以下是重點(diǎn)公司盤點(diǎn):

- 海外量產(chǎn)標(biāo)桿:Tesla bot

- 海外運(yùn)動性能標(biāo)桿:Boston Dynamics

- 從大模型切入:1x、Ameca

- 海外其他創(chuàng)業(yè)公司:figure、Agility Robotics、Sanctuary AI、prosper

- 國內(nèi)公司:優(yōu)必選、小米CyberOne、騰訊Robotics X、鋼鐵俠、學(xué)校實(shí)驗室(北理工黃強(qiáng)、清華趙明國、浙大熊蓉、中科大刑天)等

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部分人形機(jī)器人產(chǎn)品參數(shù)對比

Tesla Bot,Optimus

- 21年8月發(fā)布概念,6個月開發(fā)出來,重量73kg,電池2.3kwh,續(xù)航8h,身體28個自由度。
- 目標(biāo)是大規(guī)模量產(chǎn),大量重復(fù)可替代的零部件,降低成本,用軟件反哺硬件(比如從8個攝像頭降低到3個)。
- 自研6種電驅(qū)執(zhí)行器,可拉動500kg的鋼琴,響應(yīng)速度高達(dá)10khz,但需要搭配諧波減速器(關(guān)節(jié),用轉(zhuǎn)速去換扭矩)。
- 扭矩密度高,則爆發(fā)力強(qiáng)、消耗銅損低、所以optimus輸出大時,續(xù)航長、發(fā)熱低。

Tesla最新發(fā)布的視頻中,機(jī)器人已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn):1. 端到端動作生成、遙操作和示教功能;2. 下肢力矩控制頻率高(估計達(dá)到1000hz),使得腳步足夠輕,不踩破雞蛋

波士頓動力

- 1992年開始迭代,重量150kg,電池3.7kwh,續(xù)航1h。目標(biāo)是展示超越人類的運(yùn)動能力。
- 驅(qū)動:液壓,液體壓縮泵產(chǎn)生高壓液體,高壓液體對輸出泵做功。優(yōu)勢是力氣大、執(zhí)行器只需一個,劣勢是維護(hù)麻煩、響應(yīng)速度慢。金屬3d打印制造。
- 發(fā)展歷程:1992年,從MIT實(shí)驗室獨(dú)立出來;2013年,谷歌以30億美元收購;2017年,軟銀從谷歌手中買下,價格未公布;2020年下半年,Spot機(jī)器狗發(fā)售,售價7.45萬美元;2020年12月,現(xiàn)代汽車9.21億美元收購,公司年支出$1.5億。

挪威/美國 1x

- 歷程:2015年成立的挪威公司,最早開發(fā)老年服務(wù)機(jī)器人,最近官宣做安防市場。
- 團(tuán)隊: CEO,Bernt B?rnich,挪威人。AI 負(fù)責(zé)人,Eric Jang,美籍華裔,Google X 高級研究科學(xué)家6年。
- 產(chǎn)品:售價15萬美金,身高175cm,體重76kg,單臂負(fù)重8kg,時速22km/h。
最新融資:啟動了名為NEO的人形機(jī)器人原型研發(fā)后,拿到OpenAI、老虎基金的投資。
- OpenAI COO Brad Lightcap評價:投資1x瞄準(zhǔn)的是機(jī)器人硬件技術(shù)成熟,在AI加持下開拓更廣泛的勞動力市場。

英國Engineered Arts,Ameca

- 靠為娛樂行業(yè)制作動畫人物起家,光場相機(jī)掃描真人+3D打印面部肌肉。
- Ameca接入ChatGPT后,能對人類語言展現(xiàn)流暢情緒和反應(yīng)。 

美國 figure.ai

- 歷程:2022年成立,2023年3月發(fā)布01號機(jī)器人的宣傳視頻,計劃6個月之內(nèi)推出測試產(chǎn)品。
- 參數(shù):和特斯拉相似,高1.67m,量59kg,電機(jī)驅(qū)動,續(xù)航5h。
- 落地場景:倉儲物流,已有5款原型機(jī),2024年造50臺機(jī)器人。
- 創(chuàng)始人:Brett Adcock,連續(xù)創(chuàng)業(yè)者,個人投入$1000萬。從波士頓動力、特斯拉、Google X、機(jī)器人實(shí)驗室IHMC,挖來40位技術(shù)專家。

美國 Agility Robotics

- 2015年成立,CEO為CMU博士,第一個推出商用人形機(jī)器人,準(zhǔn)備在倉庫里發(fā)力。
- B+輪融資1.5億美金,亞馬遜、索尼、東京電氣TDK。 

加拿大 Sanctuary AI

- 2018年成立,上半身人形,下半身輪子,開始在商店進(jìn)行測試。A輪融資 $6,000萬。

英國 Prosper

- 2023年發(fā)布通用機(jī)器人demo,可以整理床鋪(難度大,涉及柔性面料的識別和操作)、操作洗衣機(jī),創(chuàng)始人曾任職于OpenAI、Scale AI。 

優(yōu)必選

- 2023年報港交所,估值300億人民幣(PS 21年38x,22年43x)
- 2020至2022Q3,收入7.4億元、8.2億元和5.3億元,凈虧7.1億、9.2億元、7.8億元,累計賣出50萬臺
- 收入占比:教育 68%、物流 10%、消費(fèi) 16%、其他 6%
- 利潤:毛利 31%,銷售費(fèi)用率 46%、研發(fā)費(fèi)用率 61%

總結(jié)一下,人形機(jī)器人目前受限于場景、技術(shù)、成本,尚未實(shí)現(xiàn)大面積落地,但我們相信,人形是能滲透人類社會的終極形態(tài)機(jī)器人,實(shí)現(xiàn)機(jī)器替人、補(bǔ)人。產(chǎn)業(yè)落地過程中,也會催生一眾上下游公司。


標(biāo)簽: 機(jī)器人

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