1.智驾和具身智能在软硬件底层具有相似性,如技术底层共振、供应体系共振和生产环节共振。
2.人形机器人和智能汽车在感知层基础硬件相似,如激光雷达方案为主流。
3.然而,人形机器人在肢体上需更精密的要求,发展出“灵巧手”这一特殊部件。
4.六维力矩传感器在人形机器人领域应用广泛,目前仍为海外厂商主导,但国产替代有望。
5.由于具身智能的量产环节未至,同时国产替代潜力巨大,整个产业链在未来能诞生巨大机会。
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从去年开始,伴随着智驾的发展出现起色,具身智能也迎来一波新的进展。
从更广义的范畴上来说,具身智能(Embodied Artificial Intelligence)是将人工智能融入机器人等物理实体,赋予它们感知、学习和与环境动态交互的能力,智能驾驶在这范畴之内,可被称为诞生最早、目前发展最成熟的一种形式。
智能驾驶具备和具身智能相似的底层逻辑和技术,但从“车”的形式过渡到“机器人”的形式,带来的是更广阔的探索空间和更丰富的可能性,这也是为什么从去年开始,我们能看到原本做智驾的人、企业开始转向具身智能,以及这条路径展现的智驾从业者、供应链诸环节的新机会。
车与机器人的“协同三重奏”
总的来看,以目前人形机器人为代表的具身智能,和智能车具有极强的相似性,包括软件控制硬件的底层逻辑,从环境感知,到运动控制、人机交互的三大核心技术,及彼此供应链体系的互通。
更具体来说,其软硬件底层上的相通,包括以下三点:
1)技术底层共振:
智能汽车与具身智能在感知层基础硬件相似,汽车领域的自动驾驶、芯片、传感器、激光雷达等技术可以与具身智能相互借鉴。
2)供应体系共振:
汽车主机厂拥有强大且成熟的零部件供应链体系,能够快速整合形成量产方案以及深化应用场景;
自主品牌汽车零部件厂商历经多年积累,目前已具有成熟的技术能力、制造能力,以及更快的响应速度,在完成人形机器人零部件供应的过程中具有明显的先发优势。
3)生产环节共振:
人形机器人可以在工厂内进行关键部件(如发动机、变速箱以及三电系统)的精确组装;
可以凭借其灵活的移动能力和强大的承重能力完成搬运任务,减轻工人的体力负担;
也可以通过高精度的传感器和视觉系统,对汽车零部件和整车进行质量检测,部分人形机器人还具备焊接和切割功能,在汽车制造过程中进行精确的金属加工。
软硬件与决策算法上的相同底层逻辑
智驾向具身智能转移的优势在于,它们在软硬件协调与决策算法上的底层逻辑是共通的,而这两者恰恰是它们彼此的核心:将软件算法侧的人工智能融入机器行为反应,使之在真实世界里与环境互动,并达成目标。
1)硬件层:感知硬件高度相似,激光雷达方案为主流
二者感知端的传感器高度一致。
人形机器人视觉方案目前主要以结构光、双目或多目RGB、TOF等的组合方案为主,算法基础强的厂商会采用更为简单的传感器方案,而算法相对薄弱的厂商会选择更为核心的硬件。
同时,与智能汽车相似,大多数国内企业在人形机器人的感知上采用激光雷达方案,而特斯拉Optimus和其智能汽车一样采用纯视觉方案,后者搭载了2D视觉传感器与特斯拉汽车相同的FSD技术以及Autopilot相关神经网络技术。
2)软件层:规划决策算法和智能汽车相似,运动控制是关键
软件方面,人形机器人主要包括环境感知、规划和决策、运动控制等方面的算法。
在路径规划、运动轨迹预测等关键算法上,智能驾驶和机器人具有复用性。
如自动驾驶中常用的传统基础模型Dijkstra(单源最短路径)算法、A*算法等,底层逻辑与机器人相通。特斯拉占用网络(Occupancy Network)算法中使用的栅格法在机器人全局路径规划中仍被使用,除此之外,机器人局部路径规划方法包括人工势场法、模糊逻辑算法、遗传算法和基于神经网络方法等。
特斯拉目前两者算法相似度约为60%,随着环境的变化,算法的相似度有所下降,但随着环境理解的逐步深入,算法相似度可以进一步提升, 从工程化经验来看,两者在环境和任务上有一些相似性,可做部分的工程复用。
人形机器人的特殊部件及产业链细分方向
在多数情况下,智能汽车的产业链与具身智能共振,包括动力端的电池包、肢体方面的离合器、轴承、大小脑内置的智能芯片等。
但在肢体上,因人形机器人对操作、执行有更精密的要求,因此发展出“灵巧手”这一特殊部件,而灵巧手的发展在很大程度上决定人形机器人进入C端市场后的性能以及接受程度。
灵巧手是人形机器人产业中非常关键的产业链细分方向,其产业中包括灵巧手创企、车企/人形机器人创企、科研机构等三类企业。
在设计上,灵巧手包括传动系统、驱动系统、电机、减速器、六维力矩等关键部分和核心组件。
1)灵巧手传动系统:
灵巧手的传动系统是机械结构的核心部分,它负责将输入的动力转换为手指关节的运动。
根据不同的涉及需求和应用场景,灵巧手的传动系统可分为腱绳传动、连杆传动与齿轮传动。
其中,腱绳传动在目前应用最广泛,是最类似于人手的肌腱结构,适合空间狭小且需要驱动自由度数量较多的场景,但精度不高、抓取力不足;
齿轮/蜗轮蜗杆传动式可实现高精度,但结构复杂、成本高,目前主要在工业机器人中应用;
连杆驱动式能抓取大型的物体且结构设计紧凑,但在远距离的控制上比较困难,多用于工业和商业用途。
2)驱动系统:
电机驱动是多指灵巧手的主要驱动方式,其优势是驱动力大、控制精度高、响应快、模块化设计、易于更换维护等。
其中,空心杯电机是灵巧手关键零部件。
以特斯拉2023年生产的名为擎天柱Optimus的人形机器人为例,空心杯电机占单台机器人的成本达到4.43%,占手部执行器成本为54.5%。
值得注意的是,目前空心杯电机厂商的第一梯队,如Maxon、Faulhaber、Portescap均集中在海外,国内厂商如鸣志电器目前具备了批量生产的能力,且兼具性价比优势,目前属于第二梯队,但有望进一步突破技术壁垒,实现国产替代。
3)关键组件:电机和减速器
过渡到零部件部分,人形机器人的核心部件是电机和减速器,在国产化替代方面有巨大潜力。并且,其攻克将推动人形机器人的产业化进程。
电机方面,除了上面提到的空心杯电机,还有无框力矩电机也在人形机器人中应用广泛。
空心杯电机:
通常尺寸较小,直径不超过40mm,优势是转速高、响应快、精度高,非常适合于灵巧手来执行精细和复杂的动作。
无框力矩电机:
一种新型力矩电机,专为需求体积小、质量轻、惯量低、结构紧凑、功率高的应用场合而设计,适用于人形机器人的关节驱动。
减速器方面,它一般是在电机与执行机构之间起到匹配转速和传递扭矩的作用。一般减速器由多个齿轮组成,通过不同大小齿轮的啮合传递动力,从而降低驱动设备的转速并提供更高的扭矩输出和承载能力。人形机器人中常用的三类精密减速器分别为:行星减速器、RV减速器,以及谐波减速器。
行星减速器:
结构简单,传动效率高,多安装在伺服电机上,用来降低转速,提升扭矩,精确定位,常被用于机器人中对精度要求低的部分身体旋转关节。
RV减速器:
具有高刚性、耐超载的特性,且传动精度稳定,但体积相对较大,且成本较高。
谐波减速器:
优势是设计紧凑、高减速比、高传动精度,但承载能力比使用寿命相比RV减速器较低。此外,谐波减速器的成本处于行星减速器和RV减速器之间,高于行星减速器,低于RV减速器。
4)六维力矩传感器:
力传感提供力反馈信息,是环境感知中的重要一环,具体可分为一维、三维,和六维力传感器。其中,六维力传感器能同时测量中性坐标系内的三个力(FX、FY、FZ)和三个矩(MX、MY、MZ),应用于机器人控制、力学实验和科研领域,是机器人中最常用的传感器之一。
六维力传感器示意图 图源:CSDN博客
人形机器人为六维力矩传感器创造巨大的增量空间。
在人形机器人领域,六维力传感器主要用于手腕和脚腕部位,一台人形机器人通常需要配备2~4个六维力传感器。以特斯拉Optimus为例,单台机器人就需要4个六维力传感器。
根据中商产业研究院的预测,随着人形机器人对传感器需求的不断增加,以及多种技术路线的不断完善、产品价格的下降,六维力传感器行业有望进入高速增长阶段,2030年中国六维力传感器市场规模将达143.31亿元。
目前六维力矩传感器的技术方案在往应变式传感器方向收束。
同时,六维力矩传感器也正在经历一场国产替代,在国产产品性能不断提升的前提下,本土市场份额日益扩大,2020~2023年期间,本土品牌市场份额增加了13个百分点,达32.1%。尽管目前六维力矩传感器仍为海外厂商主导,但国产替代有望。
总的来说,在许多智驾企业/个人向具身智能转型的过程中,我们能看到智驾与具身智能在底层逻辑、技术上的相似性,这一相似性使智驾在量产的当下,具身智能同步迎来新的发展,同时,因其量产环节未至,同时国产替代潜力巨大,巨量广阔的市场还未打开,目前仍是入局阶段,所以我们能看到入局者众,以及整个产业链在此后能诞生的巨大机会。