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中國工程院:人形機器人技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究,我國傳感器等核心技術(shù)處于什么水平?

傳感器專家網(wǎng) ? 來源:中國工程院院士 王耀南 ? 作者:中國工程院院士 ? 2025-03-11 18:14 ? 次閱讀

本論文由中國工程院王耀南院士團隊撰寫,發(fā)表于中國工程院院刊《中國工程科學》2025年第1期,主要闡述了我國人形機器人技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢,涵蓋傳感器電機、減速器等全鏈條核心零部件發(fā)展現(xiàn)狀和情況。

王耀南院士是機器人技術(shù)與智能控制專家,主要從事智能機器人感知與控制技術(shù)及工程應用研究。

編者按

機器人被譽為“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”。人形機器人是智能機器人技術(shù)的結(jié)晶,可以在特定行業(yè)如醫(yī)療護理、家庭服務、教育娛樂等領域中發(fā)揮重要作用,還能夠在更廣泛的工業(yè)生產(chǎn)和公共服務領域中替代人類完成危險或重復性高的工作,進一步釋放勞動力,提高社會生產(chǎn)力。隨著人工智能、高端制造、新材料等技術(shù)的不斷融合與突破,我國人形機器人產(chǎn)業(yè)迎來爆發(fā)式增長,技術(shù)創(chuàng)新和政策支持推動形成了多元化競爭格局。

中國工程院王耀南院士研究團隊在中國工程院院刊《中國工程科學》2025年第1期發(fā)表《人形機器人技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究》一文。文章在介紹人形機器人主要細分領域與技術(shù)前沿的基礎上,深入分析了全球人形機器人在政策、技術(shù)、產(chǎn)業(yè)布局方面的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢,梳理了我國人形機器人技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢,總結(jié)了我國人形機器人發(fā)展面臨的機遇與挑戰(zhàn),從技術(shù)創(chuàng)新、定點示范、法律法規(guī)完善、政策引導等方面提出了具體發(fā)展路徑。研究建議,鼓勵核心技術(shù)突破、強化產(chǎn)業(yè)布局、建設人形機器人基礎設施、實施示范性工程,推動我國人形機器人產(chǎn)業(yè)克服技術(shù)難題、完善產(chǎn)業(yè)生態(tài)、實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)和商業(yè)化落地,提升我國人形機器人產(chǎn)業(yè)領域的全球競爭力。

一、前言

機器人被譽為“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”,其研發(fā)、制造、應用是衡量一個國家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標志。推動智能機器人產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的發(fā)展可以提高生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本,進一步促進生產(chǎn)方式發(fā)生深刻變革,推動傳統(tǒng)制造向智能制造轉(zhuǎn)型。同時,隨著全球人口老齡化、勞動力短缺問題愈加嚴重,智能機器人可以有效代替人力執(zhí)行繁重、危險的任務,填補勞動力空缺。近年來,世界各主要發(fā)達國家和地區(qū)針對智能機器人發(fā)展制定了一系列政策規(guī)劃,圍繞技術(shù)革新、行業(yè)標準、財政支持等進行全面布局,如歐盟的“地平線2020計劃”和美國的“國家機器人計劃3.0”。當前,智能機器人技術(shù)已成為新一輪國際科技競爭的新焦點,是我國亟需搶占主導權(quán)的新賽道、建立領先優(yōu)勢的新領域。

人形機器人,也稱為類人機器人或仿人機器人,是一種設計模仿人類外貌、結(jié)構(gòu)和行為的機器人;通常具有類似于人的肢體結(jié)構(gòu),包括但不限于頭、軀干、雙臂和雙腿,并且能夠執(zhí)行一些與人類相似的動作和任務。人形機器人是智能機器人技術(shù)的結(jié)晶,集中了智能機器人領域的尖端技術(shù),涉及智能機器人上、下游的大多數(shù)產(chǎn)業(yè)鏈。人形機器人技術(shù)包含了機械工程、電氣工程、人工智能等領域的高精尖技術(shù)。發(fā)展人形機器人可以帶動廣泛的制造業(yè)升級和技術(shù)革新,帶動上、下游產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展,促進經(jīng)濟增長,具有巨大的市場價值和發(fā)展?jié)摿ΑH诵螜C器人不僅能夠在特定行業(yè)如醫(yī)療護理、家庭服務、教育娛樂等領域中發(fā)揮重要作用,還能夠在更廣泛的工業(yè)生產(chǎn)和公共服務領域中替代人類完成危險或重復性高的工作,進一步釋放勞動力,提高社會生產(chǎn)力。隨著技術(shù)的不斷進步和應用領域的拓展,人形機器人的未來發(fā)展前景十分廣闊。


人形機器人的發(fā)展面臨諸多挑戰(zhàn),包括高昂的研發(fā)成本、技術(shù)瓶頸、較低的可靠性和有限的功能性等。早期的人形機器人多停留在實驗室研究階段,難以滿足實際應用的需求。然而,隨著大模型技術(shù)的進步和高端制造業(yè)的發(fā)展,上述情況正在發(fā)生根本性的變化。如圖1所示,大模型技術(shù)的應用為解決人形機器人在感知、認知、決策等方面的難題提供了新的可能,使其能夠更好地適應復雜多變的工作環(huán)境。此外,高端制造業(yè)的進步提高了人形機器人的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量,降低了制造成本,使大規(guī)模商業(yè)化成為可能。這一系列進展標志著人形機器人正從實驗室研究向產(chǎn)業(yè)化應用邁進,將開啟新的發(fā)展階段。

圖1 大模型驅(qū)動的人形機器人

本文深入分析以人形機器人為代表的智能機器人技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展內(nèi)涵,結(jié)合全球范圍內(nèi)相關產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,探討我國在人形機器人領域的發(fā)展需求與策略。首先,概述人形機器人的定義,介紹人形機器人相關技術(shù)的細分領域,調(diào)研和梳理國際上主要國家和地區(qū)在人形機器人領域的政策、技術(shù)和產(chǎn)業(yè)布局,揭示全球人形機器人技術(shù)發(fā)展的最新趨勢。在此基礎上,進一步聚焦我國在發(fā)展人形機器人及相關技術(shù)方面面臨的機遇與挑戰(zhàn),提出具體的發(fā)展路徑和對策建議,為我國人形機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供理論依據(jù)和實踐指導,也為管理部門制定相關政策提供參考。

二、人形機器人的主要細分領域與技術(shù)前沿

現(xiàn)代人形機器人的核心技術(shù)體系由“大腦”“小腦”“肢體”三部分組成。其中,“大腦”作為核心,早期僅能處理基本環(huán)境感知和執(zhí)行預設任務,現(xiàn)已可以利用視覺感知大模型、生成大模型和語言大模型等先進技術(shù),實現(xiàn)高級感知、創(chuàng)造性想象、精準決策和情感交互,顯著提升了機器人在復雜環(huán)境中的適應性和任務處理能力。“小腦”負責將“大腦”的決策轉(zhuǎn)化為流暢且穩(wěn)定的動作指令,通過強化學習和模仿學習,克服早期動作僵硬和易失穩(wěn)的問題,具備了通用任務執(zhí)行能力。“肢體”則由先進的零部件構(gòu)成,從早期動力不足、自由度低的笨重設計,發(fā)展到現(xiàn)在能夠完成高精度任務,擁有更高的靈活性、耐用性,甚至超越人類的能力。隨著技術(shù)的進步,人形機器人“大腦”“小腦”和“肢體”三部分的協(xié)同優(yōu)化,顯著提升了人形機器人的整體性能。

(一) 人形機器人“大腦”

人形機器人的“大腦”作為決策系統(tǒng)的中樞,融合了高性能計算平臺與前沿算法,承擔和處理來自多種傳感器的復雜數(shù)據(jù)流任務,實現(xiàn)對周圍環(huán)境的精準感知,還可在此基礎上進行深層次的分析與高級決策。如圖2所示,通過集成多模態(tài)大模型,“大腦”進一步提升了機器人在數(shù)據(jù)處理和人機交互方面的能力[6~8]。具體來說,人形機器人的“大腦”功能可以分為感知、想象、決策和情感4個主要方面。這些能力的實現(xiàn)依賴于多模態(tài)大模型技術(shù),使人形機器人能夠深入解析視覺、聽覺、觸覺等多維度的感官信息,進而提供更加自然流暢且智能的互動體驗。

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圖2 多模態(tài)大模型架構(gòu)

通過利用最新的視覺感知技術(shù),人形機器人的感知能力已經(jīng)實現(xiàn)了對復雜場景的精確分割和物體識別,使其能夠在數(shù)據(jù)有限的情況下有效學習并執(zhí)行如導航、避障和抓取可變形物體等任務。高級想象力即借助生成模型(如擴散模型和生成對抗網(wǎng)絡),賦予機器人藝術(shù)創(chuàng)作和現(xiàn)實世界。這些技術(shù)不僅為機器人提供了創(chuàng)造圖像、音樂、文本等形式藝術(shù)作品的可能性,還增強了其仿真物理現(xiàn)象和環(huán)境交互的能力。

大語言模型賦予了人形機器人邏輯推理和語言處理等高級決策能力,增強了機器人的語言理解與生成、閱讀理解與問答、計劃補全等功能,提升了其在動態(tài)環(huán)境中的適應性和任務執(zhí)行中的靈活性。同時,大模型技術(shù)的發(fā)展還賦予了人形機器人高級情感能力,使機器人能夠準確識別和響應人類的情感狀態(tài),提供更加人性化的交互體驗。出色的情感交互能力使人形機器人不僅能夠根據(jù)當前敘事內(nèi)容生成引導情節(jié)發(fā)展的新短語,還能深入探討模糊內(nèi)容、生成哲學文本,并為特殊群體如自閉癥兒童開發(fā)定制化的聊天機器人。

(二) 人形機器人“小腦”

人形機器人的“小腦”承擔著將決策轉(zhuǎn)化為具體動作指令的關鍵任務,確保機器人動作的精確性和協(xié)調(diào)性。當前,人形機器人的控制技術(shù)主要包括模型控制、強化學習和模仿學習3類。模型控制基于精確的運動學和動力學模型,實現(xiàn)對機器人動作的精準控制,適用于特定任務的自動化執(zhí)行,是實現(xiàn)傳統(tǒng)人形機器人控制的主要方法。模型預測控制(MPC)是模型控制領域中的一種典型算法,廣泛應用在處理復雜動態(tài)行為和約束優(yōu)化問題。

在機器人的上肢控制中,MPC實現(xiàn)了對復雜手臂運動的精確控制和實時響應,有效應對了關節(jié)運動范圍、力學約束以及動態(tài)環(huán)境中的安全性挑戰(zhàn)。通過優(yōu)化控制策略,MPC可以顯著提升機械臂的操作精度、穩(wěn)定性和適應性,確保高效、安全地執(zhí)行任務。在機器人的下肢控制中,MPC能夠通過對未來運動的預測和優(yōu)化調(diào)節(jié)步態(tài),保證精確且穩(wěn)定的腿部控制。MPC不僅提高了人形機器人運動的穩(wěn)定性和響應速度,還增強了實時控制的精度和效率,使其可以在多種環(huán)境中執(zhí)行復雜動態(tài)動作,如高速奔跑和體操式滾動。然而,基于精確物理建模的模型控制方法不足以應對多變的復雜環(huán)境,也因此通常僅應用在特定環(huán)境的簡單任務上。具備更高的適應性和通用性的新興控制方法,如強化學習、模仿學習正逐步成為人形機器人控制的主要方法。強化學習是通過在復雜環(huán)境中的自主探索,學習最優(yōu)控制策略,克服模型控制對精確模型的依賴,但面臨現(xiàn)實探索成本高和學習效率低的挑戰(zhàn)。此外,模仿學習通過模仿人類行為,減少對環(huán)境探索的依賴,利用人類行為數(shù)據(jù)訓練智能體,實現(xiàn)對特定任務的快速學習和執(zhí)行。模仿學習避免了強化學習探索成本高的問題,但存在訓練數(shù)據(jù)獲取困難的問題。

基于強化學習的機器人操作通過與環(huán)境互動和獎勵機制優(yōu)化動作策略,顯著提升了上肢和下肢在復雜任務中的效率、精度和適應性。對于上肢操作,強化學習已經(jīng)逐步實現(xiàn)了從模擬到真實的轉(zhuǎn)移,部分克服了模型誤差和延遲問題,擁有了在復雜環(huán)境中的運動控制能力;而對于下肢操作,強化學習使機器人能夠優(yōu)化步態(tài)和運動策略,提高在復雜地形或不確定環(huán)境中的穩(wěn)定性和適應性,成功實現(xiàn)了雙足和六足機器人的高效步態(tài)學習與轉(zhuǎn)換。這些進展共同推動了人形機器人在多樣化任務和環(huán)境中具備更加智能和靈活的操作能力,為實際應用提供了強大的技術(shù)支持。

基于模仿學習的上肢操作使機器人能夠通過觀察和示范迅速掌握精確的運動技能,顯著提升任務執(zhí)行能力。這種方法使機器人在處理各種數(shù)據(jù)集時表現(xiàn)出了強大的性能,超越了傳統(tǒng)模型的局限性,還實現(xiàn)了語言、視覺和控制的深度融合,使機械臂能夠在復雜任務中根據(jù)自然語言指令進行精確操控。基于模仿學習的下肢操作通過讓機器人觀察人類或其他機器人的示范,學習到自然、協(xié)調(diào)的步態(tài)和運動規(guī)律,顯著提升了其在復雜、未知環(huán)境中的適應性和穩(wěn)定性。這種方法不僅優(yōu)化了步態(tài)控制,還實現(xiàn)了不同風格步態(tài)的學習,無須依賴專家知識,展示了強大的靈活性和自主學習能力。

(三) 人形機器人肢體

如圖3所示,在人形機器人的設計和制造領域,電機、減速器、傳感器構(gòu)成了機器人的核心系統(tǒng),分別負責動力輸出、動力傳輸與扭矩放大、環(huán)境感知和狀態(tài)監(jiān)測。電機在人形機器人中扮演著將電能轉(zhuǎn)換為機械能的角色,是實現(xiàn)機器人運動的基礎。根據(jù)不同的應用需求,電機的類型多樣,包括直流無刷電機、無框力矩電機、空心杯有刷電機和空心杯無刷電機等。無框力矩電機因其高效率、結(jié)構(gòu)緊湊和易維護的特點,在人形機器人的線性關節(jié)和旋轉(zhuǎn)關節(jié)中得到廣泛應用。例如,特斯拉Optimus機器人的關節(jié)設計中就采用了無框力矩電機,以實現(xiàn)其靈活且精確的動作控制。空心杯電機則因其輕巧和高效的特點,成為靈巧手中的理想選擇,尤其是在需要精細控制的場合,如模擬人類手部的精細動作。

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圖3 人形機器人核心零部件

減速器在人形機器人中的作用是將電機的高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為低速且具有高扭矩的輸出,以適應關節(jié)的轉(zhuǎn)動需求。主要的減速器類型包括諧波減速器、行星減速器和旋轉(zhuǎn)矢量(RV)減速器等。① 諧波減速器因其體積小、重量輕和傳動比大的特點,在旋轉(zhuǎn)關節(jié)中被廣泛使用。例如,特斯拉Optimus機器人中14個旋轉(zhuǎn)自由度均搭載諧波減速器。② 行星減速器具有高剛性、高精度、高傳動效率和結(jié)構(gòu)緊湊的特點,常用于需要高穩(wěn)定性和高效率的應用場景,如在人形機器人的關節(jié)傳動、手臂運動和步態(tài)控制等方面,確保機器人動作的平穩(wěn)和精確。行星減速器具有較長的使用壽命和較高的可靠性,適用于長時間連續(xù)工作的環(huán)境。③ RV減速器因其大傳動比范圍、高承載能力和高運行精度,適用于重負載位置,如機座、大臂、肩部等。


傳感器系統(tǒng)是人形機器人感知環(huán)境的關鍵,包括力矩傳感器、觸覺傳感器、視覺傳感器、角度傳感器和慣性測量單元(IMU)等。力矩傳感器用于監(jiān)測和調(diào)整關節(jié)的扭矩,確保動作的精確性和穩(wěn)定性;觸覺傳感器和視覺傳感器幫助機器人理解其與環(huán)境的交互;角度傳感器在機器人中廣泛應用,用于精確測量關節(jié)旋轉(zhuǎn)角度,確保機械臂等部件準確定位與運動控制,提升機器人的操作精度和穩(wěn)定性;IMU通常包含加速度計、陀螺儀和磁力計等多種傳感器,可以測量機器人的線性加速度、角速度和方向,用于對機器人的姿態(tài)估計和動態(tài)控制。

三、國際人形機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

隨著科技的飛速進步,全球人形機器人產(chǎn)業(yè)正逐漸嶄露頭角,展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/strong>人形機器人作為人工智能、高端制造、新材料等多領域技術(shù)的集大成者,正逐步從理論研究走向?qū)嶋H應用,預示著未來產(chǎn)業(yè)格局的深刻變革。近年來,全球面臨人口老齡化、勞動力成本上升、消費升級等多重挑戰(zhàn),這為人形機器人市場提供了廣闊的發(fā)展空間;與此同時,關鍵技術(shù)的不斷突破為人形機器人的性能提升和智能化發(fā)展奠定了堅實基礎。

(一) 世界主要國家人形機器人的政策布局

人形機器人技術(shù)正以前所未有的速度加速演進,有望成為全球科技創(chuàng)新的制高點和經(jīng)濟增長的新引擎。隨著關鍵技術(shù)的突破,人形機器人已經(jīng)具備出色的感知、交互和決策能力,在工廠作業(yè)、醫(yī)療健康、家庭服務等領域展現(xiàn)出巨大的應用潛力。面對這一廣闊前景,世界各國紛紛制定相關戰(zhàn)略規(guī)劃,意圖搶占新興領域的高地。通用人工智能的快速發(fā)展為人形機器人帶來了機遇,但同時也伴隨著隱私保護、數(shù)據(jù)安全等風險,以及可能對就業(yè)市場、社會倫理產(chǎn)生的影響。當前,全球人形機器人研究仍處于技術(shù)研發(fā)階段,產(chǎn)業(yè)發(fā)展尚未全面啟動,但其未來前景卻極為廣闊,有望成為繼計算機、智能手機新能源汽車之后的又一顛覆性產(chǎn)品,深刻變革人類的生產(chǎn)生活方式。

2023年1月12日,國際機器人聯(lián)合會發(fā)布了最新版的《世界機器人研發(fā)計劃》,揭示了各國在機器人研發(fā)方面的資助戰(zhàn)略。① 在亞洲地區(qū),日本通過“機器人新戰(zhàn)略”在2022年投入超過9.305億美元,重點發(fā)展集成技術(shù),旨在成為下一代人工智能和機器人的核心國家。韓國推出了“第三版智能機器人發(fā)展計劃”,為2022年的“智能機器人行動計劃”撥款1.722億美元,力圖使機器人成為第四次工業(yè)革命的核心產(chǎn)業(yè)。② 在歐洲地區(qū),歐盟通過“地平線歐洲計劃”在2021—2022年為機器人相關工作提供了總計1.985億美元的資金,旨在推動科技創(chuàng)新和跨國合作。德國通過“高科技戰(zhàn)略2025”,每年提供6900萬美元的資金,至2026年總預算達到3.45億美元,重點研究數(shù)字輔助系統(tǒng)。③ 在政府大力支持和企業(yè)積極創(chuàng)新的推動下,美國人形機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭強勁。美國通過“國家機器人計劃”等一系列政策文件,為機器人技術(shù)研發(fā)提供了穩(wěn)定的資金支持和戰(zhàn)略指導,特別關注機器人集成系統(tǒng)的開發(fā)和應用。同時,美國企業(yè)在人形機器人技術(shù)研發(fā)方面也取得了顯著成果,如特斯拉公司的Optimus機器人,其運動能力、感知能力和交互能力不斷得到提升,展現(xiàn)出在工業(yè)生產(chǎn)、家庭服務等多個領域的巨大應用潛力。

(二) 世界主要國家人形機器人的技術(shù)布局

如表1所示,日本企業(yè)和美國企業(yè)在機器人領域均擁有大量核心專利,技術(shù)布局全面覆蓋了從核心零部件到整機系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié),形成了完整的產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢。這些企業(yè)在本體結(jié)構(gòu)、核心零部件、智能感知、驅(qū)動控制等方面均有廣泛的專利布局,展現(xiàn)出顯著的技術(shù)綜合性能和良好的創(chuàng)新能力。

表1人形機器人相關專利分布情況|件

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注:專利統(tǒng)計時間截至2023年5月31日。

1. 人形機器人核心零部件與整機制造

人形機器人作為技術(shù)尖端產(chǎn)物,核心構(gòu)造有線性執(zhí)行器、旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器和靈巧手。這三大執(zhí)行器約占人形機器人零部件的73%,是構(gòu)建人形機器人的重要基石。這些執(zhí)行器的精密運作依賴于一系列高精度零件,包括絲杠、電機、減速器、傳感器、軸承等。

絲杠在人形機器人中發(fā)揮著關鍵作用,可以實現(xiàn)回轉(zhuǎn)與直線運動的轉(zhuǎn)換,其中滾珠絲杠因其高精度、高效性備受青睞。目前,這一領域的知名企業(yè)有我國臺灣地區(qū)的上銀科技股份有限公司、銀泰科技股份有限公司、全球傳動科技股份有限公司,以及日本、德國的企業(yè),已在高精度滾珠絲杠制造上取得顯著成就。無框力矩電機因其體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕等特點,成為打造輕量化機器人關節(jié)的理想選擇,美國科爾摩根集團、日本電產(chǎn)株式會社等在這一領域擁有深厚的技術(shù)積累和廣泛的應用經(jīng)驗。空心杯電機作為靈巧手的核心部件,在節(jié)能、動力和控制性能方面表現(xiàn)出色,我國的市場份額主要被瑞士麥克松電機股份公司、德國福爾哈貝集團、瑞士Portescap公司等占據(jù)。

減速器、力傳感器和軸承在人形機器人中也扮演著重要角色。日本新寶股份有限公司、納博特斯克株式會社和哈默納克公司等企業(yè)在減速器領域占據(jù)較高市場份額;國外產(chǎn)品在力傳感器方面仍保持著行業(yè)領先地位,如美國的ATI工業(yè)自動化有限公司、瑞士博塔系統(tǒng)公司等在六維傳感器制造領域具有顯著的優(yōu)勢。在高端軸承方面,斯凱孚集團、舍弗勒集團、鐵姆肯公司、恩斯克株式會社等企業(yè)占據(jù)主導地位。

近年來,全球人形機器人整機制造領域蓬勃發(fā)展,眾多企業(yè)紛紛展現(xiàn)出了巨大的發(fā)展?jié)摿εc技術(shù)創(chuàng)新能力。例如,特斯拉公司推出的首款人形機器人Optimus,結(jié)合電動驅(qū)動與人工智能技術(shù),能夠執(zhí)行基礎搬運與裝配任務;第二代Optimus則提升了關節(jié)靈活度和動作協(xié)調(diào)性,融合了更高級別的神經(jīng)網(wǎng)絡學習模型,增強了任務處理效率和人機交互的自然流暢度。波士頓動力公司推出Atlas系列人形機器人,從液壓驅(qū)動轉(zhuǎn)為電動化驅(qū)動,顯著改善了行走穩(wěn)定性和能效表現(xiàn);最新版本的Atlas機器人可以實現(xiàn)360°翻滾、快速跑步和精準搬運等高難度動作。Figure AI公司發(fā)布的Figure 02機器人擁有較高的動作靈活性,每個手指擁有16個自由度,適合精細操作和重型物件搬運。Figure 02機器人搭載了特制的人工智能模型,支持語音對話功能,并配備了視覺語言模型,實現(xiàn)了快速視覺分析和復雜任務執(zhí)行,現(xiàn)已在寶馬工廠中得到應用和驗證。

整體來看,早期人形機器人多采用液壓驅(qū)動,具備強大的負載能力和動態(tài)平衡,但存在體積大、質(zhì)量大和能耗高等缺點。隨著技術(shù)進步,電動驅(qū)動逐漸普及,減小了質(zhì)量,提高了靈活性和能源效率,并使機器人適應更多場景,如狹小空間和長時間工作環(huán)境。同時,人形機器人的設計和功能不斷進化,外形更逼真,肢體靈活性和動作細膩度顯著提升,有些還能完成高難度動作。智能化程度的提升是人形機器人發(fā)展的另一個重要趨勢。早期機器人依賴預編程控制來執(zhí)行固定任務,適應性和靈活性有限。隨著人工智能和機器學習的進步,現(xiàn)代人形機器人集成了先進的學習模型,能夠通過自我學習和環(huán)境互動優(yōu)化行為,更好地應對未知情況和復雜任務。特別是大型語言模型的應用,增強了機器人的自然語言處理能力,使其能與人類進行更自然的交流。可以看到,國外企業(yè)在人形機器人領域的發(fā)展優(yōu)勢顯著,擁有先進的技術(shù)和豐富的研發(fā)經(jīng)驗,具備較強的市場競爭力。

2. 人形機器人具身智能技術(shù)

在人形機器人技術(shù)的探索與實踐中,感知、控制、決策三大核心技術(shù)領域成為推動其向更高層次智能化與自主化邁進的關鍵驅(qū)動力

在感知技術(shù)方面,人形機器人已經(jīng)實現(xiàn)了視覺、觸覺等多模態(tài)信息的深度融合與高效處理。高清攝像頭與先進的深度學習算法相結(jié)合,使機器人能夠迅速且準確地識別、定位環(huán)境中的各種目標。同時,分布式觸覺傳感器和柔性電子皮膚等創(chuàng)新技術(shù)的引入,不僅大幅提升了機器人的交互能力,還為其在復雜、多變的環(huán)境中執(zhí)行精細操作提供了可靠保障。此外,語音、文本等其他模態(tài)信息的融合,使機器人能夠全面、深入地理解人類指令和周圍環(huán)境,從而做出更為精準、合理的反應。

在控制技術(shù)方面,人形機器人正逐步邁向高精度、高魯棒性的運動控制。MPC等先進算法的應用,使機器人能夠在復雜環(huán)境中實現(xiàn)精準的動作規(guī)劃和執(zhí)行力。力位混合控制等策略的實施,進一步提升了機器人在面對不同任務需求時的適應性和靈活性。此外,端到端控制策略的興起,更是簡化了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中的復雜環(huán)節(jié),提高了控制系統(tǒng)的整體性能和響應速度。值得一提的是,人形機器人還具備了自適應學習與優(yōu)化能力,能夠根據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)和任務反饋,自主調(diào)整控制策略,以更好地適應不同場景和滿足任務需求。

在決策技術(shù)方面,人形機器人正逐步實現(xiàn)從簡單規(guī)則遵循到自主決策與智能行為的轉(zhuǎn)變。深度學習與大模型、強化學習等先進技術(shù)的應用,使機器人能夠?qū)W習到復雜的決策邏輯和策略,從而在未知或動態(tài)變化的環(huán)境中做出合理、有效的決策。同時,情境感知與決策能力的不斷提升,也使機器人能夠根據(jù)周圍環(huán)境和任務需求的變化,動態(tài)調(diào)整決策策略,更好地完成任務。人形機器人自主決策與智能行為能力的提升,提高了人形機器人的實用性,也為其在更多領域的應用提供了可能。

在人形機器人感知領域,波士頓動力公司、特斯拉公司和麻省理工學院等是主要的推動者。波士頓動力公司的Atlas機器人集成了高分辨率攝像頭和激光雷達,通過視覺感知技術(shù)實時構(gòu)建周圍環(huán)境的三維地圖,實現(xiàn)了精準定位和避障。而特斯拉公司的Optimus人形機器人則采用了純視覺深度學習神經(jīng)網(wǎng)絡,通過攝像頭捕捉圖像進行深度學習處理,實現(xiàn)了高效的物體識別和姿態(tài)估計。此外,麻省理工學院在觸覺感知技術(shù)方面也取得了重要突破,開發(fā)的分布式觸覺傳感器網(wǎng)絡和靈巧手觸覺傳感器,為人形機器人提供了豐富的交互反饋,顯著提高了人形機器人的精細操作和人機交互能力。

在人形機器人控制領域,多個研究機構(gòu)和企業(yè)取得了顯著成果。在卡內(nèi)基梅隆大學等科研機構(gòu)的推動下,高精度運動控制算法(如MPC)的應用使人形機器人能夠更精確地規(guī)劃和執(zhí)行動作。同時,在斯坦福大學等科研團隊的努力下,力位混合控制技術(shù)的優(yōu)化為人形機器人提供了更好的位置和力的解耦控制,提高了其在復雜環(huán)境中的適應性和魯棒性。這些控制技術(shù)的突破,為人形機器人在各種應用場景下的穩(wěn)定運行提供了有力保障。

在人形機器人決策領域,加利福尼亞大學伯克利分校的人工智能研究實驗室、谷歌公司的DeepMind團隊以及其他眾多前沿科技機構(gòu),正引領著這一領域的快速發(fā)展,在基于深度學習和大型神經(jīng)網(wǎng)絡模型的決策系統(tǒng)方面取得了顯著成果,不斷深化了對強化學習技術(shù)的研究與應用。這些決策系統(tǒng)通過深度神經(jīng)網(wǎng)絡對海量數(shù)據(jù)的學習,能夠提取出復雜的特征并理解環(huán)境,從而在未知或動態(tài)變化的環(huán)境中做出合理且高效的決策。這些技術(shù)的融合與應用為人形機器人賦予了更加智能的決策能力,使其不再依賴預設的規(guī)則和程序,而是可以根據(jù)實時感知到的信息和環(huán)境變化,自主進行決策和調(diào)整。

(三) 世界主要國家人形機器人的產(chǎn)業(yè)布局

1. 產(chǎn)業(yè)布局分析

如表2所示,國外人形機器人產(chǎn)業(yè)鏈展現(xiàn)出多元化與高度專業(yè)化的特點,涵蓋從上游核心零部件供應商到中游人形機器人本體制造商,再到下游應用領域的廣泛分布。在產(chǎn)業(yè)鏈上游,科爾摩根集團、松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社等公司提供了精密的電機,哈默納克公司、納博特斯克株式會社等企業(yè)提供了減速器技術(shù),歐姆龍株式會社、西門子股份公司等在傳感器與控制器方面占據(jù)重要地位,為人形機器人提供了精準的感知與控制能力。在產(chǎn)業(yè)鏈中游,特斯拉公司、波士頓動力公司、Figure AI公司等企業(yè),已經(jīng)開發(fā)出了具備出色感知、交互和決策能力的先進機器人,展現(xiàn)出在工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療健康、家庭服務等領域的巨大應用潛力。

表2 世界主要國家人形機器人產(chǎn)業(yè)分布

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整體來看,人形機器人產(chǎn)業(yè)作為智能機器人領域的尖端分支,其全球產(chǎn)業(yè)布局呈現(xiàn)出“三極分布、技術(shù)集中、分工明確”的顯著特點。從區(qū)域來看,這一產(chǎn)業(yè)主要集中于技術(shù)研發(fā)和市場應用兩個層面,依托發(fā)達國家的技術(shù)創(chuàng)新能力及新興市場的應用需求驅(qū)動,形成了以北美、東亞和歐洲為核心的“三極分布”格局。在北美地區(qū),尤其是美國的硅谷和波士頓,憑借世界領先的人工智能、計算機視覺和材料技術(shù),在技術(shù)創(chuàng)新與商業(yè)化方面處于領先地位;硅谷專注于人工智能技術(shù)創(chuàng)新,而波士頓則強調(diào)硬件和控制技術(shù)的發(fā)展。在東亞地區(qū),日本關東地區(qū)與我國粵港澳大灣區(qū)成為高端制造和規(guī)模化發(fā)展的核心地帶。日本在精密電機和減速器領域表現(xiàn)出色,我國則在機器人整機制造和應用推廣上取得了重要進展,形成了較為完善的產(chǎn)業(yè)鏈。在歐洲方面,德國巴伐利亞州和意大利都靈市引領著高端工業(yè)機器人與特種領域應用的發(fā)展,特別是在機械制造、動力學仿真和智能傳感方面有著深厚的技術(shù)積累。

2. 面臨的挑戰(zhàn)

盡管國際上的人形機器人在智能化水平方面取得了顯著進展,但仍面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)采集與標注是一個復雜、耗時且成本高昂的過程,尤其是在人類動作數(shù)據(jù)的收集方面,需要高精度的傳感器和專業(yè)的數(shù)據(jù)標注團隊來確保數(shù)據(jù)的準確性。多模態(tài)信息融合也是一個重要挑戰(zhàn)。人形機器人需要處理視覺、聽覺、觸覺等多種信息,再進一步將這些信息有效融合并形成統(tǒng)一的環(huán)境認知,現(xiàn)有方法在魯棒性和實時性方面仍有不足,特別是在復雜多變的環(huán)境中,機器人可能無法準確地理解和應對環(huán)境變化。


在自主學習與適應性方面,盡管當前的人形機器人已經(jīng)能夠通過機器學習算法進行一定程度的自主學習,但在處理未知或復雜任務時,其適應性和泛化能力仍顯不足,亟需設計更有效的學習算法,使機器人能夠從少量樣本中快速學習,在新環(huán)境中迅速適應。此外,確保機器人在學習過程中不會產(chǎn)生偏差或做出有害行為,也是一個亟待解決的安全性問題。實時性和響應速度也是人形機器人發(fā)展面臨的重要挑戰(zhàn),特別是在緊急救援或醫(yī)療手術(shù)等應用場景中,機器人需要在極短時間內(nèi)做出反應,這要求其具備強大的計算能力和高效的決策機制,而現(xiàn)有計算平臺和算法在實時性和響應速度方面仍有較大提升空間。能源效率與續(xù)航能力同樣關鍵,盡管電動驅(qū)動系統(tǒng)在能效上有所改進,但如何進一步降低能耗、延長工作時間,仍然是一個亟待解決的問題。

在市場方面,成本和應用場景是人形機器人發(fā)展過程中最為關鍵的兩個因素。高昂的研發(fā)和生產(chǎn)成本是阻礙人形機器人普及的主要瓶頸之一。盡管隨著技術(shù)的進步,部分組件的成本有所下降,但高性能傳感器、精密電機等關鍵部件的價格依然不菲。這不僅增加了機器人的初期投資成本,也影響了后續(xù)的維護和升級成本,使人形機器人難以進入消費級市場。此外,人形機器人在應用場景方面也面臨諸多挑戰(zhàn)。盡管人形機器人在理論上具有廣泛的應用潛力,但目前具體應用場景仍不夠明確。例如,雖然人形機器人可以在工業(yè)制造、醫(yī)療健康和家庭服務等領域發(fā)揮重要作用,但這些領域的實際需求和適用場景尚需進一步探索與驗證。此外,有關人形機器人的相關法規(guī)政策和社會接受度也成為阻礙其應用的重要因素。

四、我國人形機器人的發(fā)展態(tài)勢

我國作為全球科技創(chuàng)新的重要參與者,對人形機器人的研發(fā)給予了高度重視,并將其作為推動產(chǎn)業(yè)升級、經(jīng)濟轉(zhuǎn)型和社會進步的關鍵一環(huán)。在國家政策的大力扶持下,科研院所、高校和企業(yè)紛紛加大投入,力求在人形機器人核心技術(shù)、關鍵部件、系統(tǒng)集成以及應用場景等方面取得突破性進展。為此,本文將全面梳理我國人形機器人的發(fā)展現(xiàn)狀,分析其發(fā)展態(tài)勢,總結(jié)成功經(jīng)驗,同時指出面臨的挑戰(zhàn)和問題。

(一) 我國人形機器人的政策布局

人形機器人作為人工智能和機器人技術(shù)融合的產(chǎn)物,正逐漸成為推動未來科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)變革的重要力量。我國高度重視人形機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,從國家到地方層面均出臺了一系列政策文件,旨在促進該產(chǎn)業(yè)的健康快速發(fā)展。2018年,安徽省發(fā)布了《機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》,標志著地方政府開始關注人形機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2020年,廣州市、湖北省分別發(fā)布了《推進新一代人工智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃》、《新一代人工智能發(fā)展總體規(guī)劃》,均提出重點發(fā)展人形機器人關鍵核心技術(shù)。2021年,我國發(fā)布了《“十四五”機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》和《智慧健康養(yǎng)老產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃》,旨在推動機器人產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展,并加快技術(shù)創(chuàng)新。2021年,廣東省和蘇州市也分別出臺了旨在培育智能機器人產(chǎn)業(yè)集群和提升機器人與智能制造產(chǎn)業(yè)的行動計劃。2022年,工業(yè)和信息化部等部門發(fā)布了《推動輕工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導意見》并提出推廣機器人技術(shù)的應用。2023年,工業(yè)和信息化部發(fā)布了《人形機器人創(chuàng)新發(fā)展指導意見》,強調(diào)加強人形機器人技術(shù)創(chuàng)新,突破人形機器人核心技術(shù)。這些政策的出臺,體現(xiàn)了我國對人形機器人產(chǎn)業(yè)的高度重視和對未來科技發(fā)展的深遠規(guī)劃,不僅促進了人形機器人技術(shù)的研發(fā)和應用,也為我國在全球智能制造和人工智能領域提高競爭力提供了強有力的支持。隨著這些政策的實施,可以預見,我國的人形機器人產(chǎn)業(yè)將迎來更加廣闊的發(fā)展前景。

(二) 我國人形機器人的技術(shù)布局

我國的人形機器人產(chǎn)業(yè)正處于蓬勃發(fā)展的黃金時期,眾多企業(yè)在上游零部件和中游整機制造兩大領域持續(xù)發(fā)力,共同推動人形機器人技術(shù)的不斷進步。

1. 人形機器人核心零部件與整機制造

近年來,我國在人形機器人上、下游產(chǎn)業(yè)鏈相關技術(shù)的發(fā)展上取得了顯著進展(見圖4),尤其在一些關鍵零部件的制造技術(shù)上逐漸縮小了與世界領先國家的差距。我國憑借強大的制造能力、龐大的市場需求以及相關政策的支持,在人形機器人核心零部件的研發(fā)與生產(chǎn)中展現(xiàn)出一定的優(yōu)勢。需要特別指出的是,我國在自動化生產(chǎn)、工業(yè)機器人領域的長期積累,為人形機器人核心零部件的制造打下了堅實基礎。當前,我國發(fā)展人形機器人的主要優(yōu)勢體現(xiàn)在:擁有全球最完善的電子和機械制造供應鏈,供應鏈完備,能夠快速集成所需的各種零部件,并且生產(chǎn)成本相對較低。這使我國機器人產(chǎn)業(yè)能夠以更低價格生產(chǎn)高質(zhì)量的核心零部件,尤其是在電機、減速器等領域,已逐步具備了全球競爭力。

圖4 人形機器人上、下游產(chǎn)業(yè)鏈

人形機器人的核心零部件包括電機、減速器、傳感器、控制器、智能芯片等,共同決定了機器人的運動精度、反應速度以及智能化水平。在這些核心部件的研發(fā)和制造中,我國已經(jīng)涌現(xiàn)出了一些具有競爭力的企業(yè)。① 在精密電機制造領域,深圳市匯川技術(shù)股份有限公司近年來已生產(chǎn)出多款適用于工業(yè)機器人和服務機器人的高性能精密電機,具備較高的響應速度和定位精度;埃斯頓自動化集團不斷創(chuàng)新,生產(chǎn)的產(chǎn)品已廣泛應用于各類智能機器人。② 減速器是機器人實現(xiàn)平穩(wěn)和精準運動的關鍵部件之一。人形機器人動作的靈活性和穩(wěn)定性極為依賴減速器的性能。蘇州綠的諧波傳動科技股份有限公司和浙江雙環(huán)傳動機械股份有限公司是減速器制造的領先企業(yè),尤其是在諧波減速器領域,蘇州綠的諧波傳動科技股份有限公司的產(chǎn)品已經(jīng)進入全球供應鏈,廣泛應用于各類機器人。雖然與日本哈默納克公司相比仍有差距,但我國企業(yè)的產(chǎn)品已逐漸具備了國際競爭力。③ 高精度傳感器是人形機器人感知外界環(huán)境、判斷自身狀態(tài)的關鍵部件之一。固高科技股份有限公司、杭州中科微電子有限公司等企業(yè)在慣性傳感器和力反饋傳感器等領域表現(xiàn)突出,能夠為人形機器人提供精確的位移、速度、加速度等信息檢測,奠定了人形機器人智能化控制的基礎。此外,部分企業(yè)在視覺傳感器方面也取得了進展,如浙江大華技術(shù)股份有限公司、杭州海康機器人股份有限公司等企業(yè)的視覺傳感技術(shù)已經(jīng)在多領域得到應用。

近年來,我國人形機器人整機制造領域的相關企業(yè)發(fā)展迅速,涌現(xiàn)出一批具備技術(shù)實力和市場競爭力的企業(yè)。深圳市優(yōu)必選科技股份有限公司作為行業(yè)領軍者,其Alpha和Walker系列機器人在教育、娛樂、服務場景中廣泛應用;北京小米科技有限責任公司推出的CyberOne等人形機器人,推動了消費級機器人市場的發(fā)展;杭州宇樹科技有限公司注重發(fā)展創(chuàng)新能力和成本控制,推出的Unitree H1、Unitree G1人形機器人在性能和價格上具有優(yōu)勢,適用于從工業(yè)生產(chǎn)到家庭服務的多種場景;星塵智能(深圳)有限公司專注于服務消費類人形機器人,發(fā)布的Astribot S1具備執(zhí)行復雜家務任務的能力,并且能夠自主學習和優(yōu)化。這些企業(yè)通過技術(shù)融合與市場化應用,逐步提升了我國在全球人形機器人市場的地位,隨著人工智能和核心零部件制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,有望在未來占據(jù)更加重要的位置。

整體來看,我國在人形機器人領域的研究與發(fā)展已達到國際先進水平。然而,在人形機器人核心零部件制造方面,盡管我國已逐步追趕國際先進水平,但仍存在明顯短板,一些高精度、高復雜度的核心零部件(如高精度傳感器、控制芯片等)依賴國外技術(shù),限制了機器人行業(yè)在核心技術(shù)上的自主性。在人形機器人整機制造方面,與國際發(fā)達水平相比,我國表現(xiàn)較為突出,技術(shù)差距并不明顯。尤其是如杭州宇樹科技有限公司等企業(yè)走在了世界前沿。然而,現(xiàn)階段大多數(shù)國內(nèi)的人形機器人功能依然較為基礎,主要集中在行走、抓取等簡單的操作任務上,對更加復雜的任務處理能力還有待提升。

2. 人形機器人具身智能技術(shù)

我國在人形機器人的感知技術(shù)方面取得了顯著進展,尤其是在視覺、聽覺感知上。視覺感知技術(shù)借助于攝像頭、激光雷達、深度傳感器等設備,結(jié)合計算機視覺和深度學習算法,使機器人能夠?qū)崿F(xiàn)物體識別、環(huán)境建模和運動捕捉。北京曠視科技有限公司、商湯集團有限公司等企業(yè)在視覺感知技術(shù)上處于領先地位,推動了機器人在復雜環(huán)境中的自主導航和人機交互。聽覺感知依托于語音識別和自然語言處理技術(shù),目前科大訊飛股份有限公司通過語音交互和指令識別增強了機器人與人類的互動能力。

我國人形機器人的控制技術(shù)近年來取得了重要突破,尤其是在自主運動控制和穩(wěn)定性方面。運動控制技術(shù)通過高精度的伺服系統(tǒng)和多自由度關節(jié)結(jié)構(gòu),使機器人能夠完成靈活的步態(tài)控制、抓取動作及復雜的任務操作。基于深圳市優(yōu)必選科技股份有限公司、國家地方共建具身智能機器人創(chuàng)新中心等的自主研發(fā),人形機器人能夠在各種環(huán)境中實現(xiàn)平衡行走、軀體協(xié)調(diào)與各類復雜動作。同時,機器人控制技術(shù)結(jié)合了先進的力控與視覺反饋算法,使其具備了自適應能力,在工業(yè)、服務等領域中展現(xiàn)出較強的操作精度與穩(wěn)定性。當前,控制技術(shù)還在向更高精度和更高響應速度的方向不斷優(yōu)化。

我國在機器人決策技術(shù)領域的進展主要體現(xiàn)在智能化和自主性提升方面。基于大模型和強化學習的決策算法,機器人能夠在復雜和不確定的環(huán)境中做出自主判斷。杭州深度求索人工智能基礎技術(shù)研究有限公司、百度在線網(wǎng)絡技術(shù)(北京)有限公司、深圳市騰訊計算機系統(tǒng)有限公司等企業(yè)在大語言模型領域的研究與應用,推動了機器人基于大數(shù)據(jù)的自我學習和優(yōu)化能力,增強了其對外部環(huán)境的適應性與實時性。決策系統(tǒng)通過結(jié)合環(huán)境感知和行為規(guī)劃,使機器人能夠在實時決策中優(yōu)化路徑選擇、任務分配和行為策略。未來,隨著人工智能技術(shù)的進一步發(fā)展,決策技術(shù)將更具智能性和靈活性,推動人形機器人向更高層次的自主行為發(fā)展。

(三) 我國人形機器人的產(chǎn)業(yè)布局

在政策支持、技術(shù)發(fā)展和廣闊內(nèi)需市場的推動下,我國人形機器人的產(chǎn)業(yè)布局呈現(xiàn)出多元化、智能化特點,并保持強勁的增長態(tài)勢。根據(jù)預測,到2030年,我國人形機器人的市場規(guī)模將達380億元,年均增速超過61%,銷量從2024年的4000臺增加至2.712×105臺。此外,我國人形機器人市場的巨大發(fā)展?jié)摿ξ酥T多資本投入,為相關企業(yè)的技術(shù)突破和市場擴張?zhí)峁┝酥С郑龠M了行業(yè)的發(fā)展。

在地域分布方面,我國人形機器人產(chǎn)業(yè)主要集中在經(jīng)濟發(fā)達的東部沿海地區(qū)。尤其是北京、廣東、江蘇和浙江等省份,具有較強的科技研發(fā)能力、完善的產(chǎn)業(yè)基礎和政策支持,為人形機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了良好的環(huán)境。地區(qū)的引領企業(yè)有深圳市優(yōu)必選科技股份有限公司、上海智元新創(chuàng)技術(shù)有限公司、達闥機器人股份有限公司、上海傅利葉智能科技有限公司等。在產(chǎn)業(yè)鏈方面,人形機器人企業(yè)集中在產(chǎn)業(yè)鏈的上、中游。人形機器人產(chǎn)業(yè)鏈上游主要包括諧波減速器、無框力矩電機、空心杯電機、滾珠絲杠、編碼器、傳感器、軸承等,代表性企業(yè)有寧波中大力德智能傳動股份有限公司、浙江環(huán)動機器人關節(jié)科技股份有限公司、廣州市昊志機電股份有限公司、蘇州綠的諧波傳動科技股份有限公司、臺邦電機工業(yè)集團有限公司、山東博特精工股份有限公司、深圳市大族電機科技有限公司、萬至達電機制造有限公司等上百家核心零部件企業(yè);產(chǎn)業(yè)鏈中游主要是人形機器人的本體研發(fā)制造,代表性企業(yè)有深圳市優(yōu)必選科技股份有限公司、樂聚(深圳)機器人技術(shù)有限公司、達闥機器人股份有限公司、北京小米科技有限責任公司、追覓科技(蘇州)有限公司、陜西偉景機器人科技有限公司等。上游企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新直接影響到整個產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量,而中游企業(yè)則是將這些技術(shù)轉(zhuǎn)化為實際產(chǎn)品的關鍵環(huán)節(jié)。人形機器人領域核心零部件國產(chǎn)化空間較大,零部件的國產(chǎn)化將為人形機器人在性能、成本、可靠性、安全性和技術(shù)創(chuàng)新等方面提供更多的可能性,加速人形機器人產(chǎn)業(yè)化進程。

(四) 我國人形機器人發(fā)展面臨的主要問題

1. 技術(shù)瓶頸與成熟度不足

在核心關鍵技術(shù)方面,智能感知和運動控制與國際先進水平相比仍有較大差距,限制了人形機器人在性能、穩(wěn)定性和智能化程度上的進一步提升。在核心零部件方面,人形機器人所需的核心零部件如精密減速機、高算力芯片、高精度傳感器等,國內(nèi)尚不能完全自主生產(chǎn),嚴重依賴進口,如我國國產(chǎn)減速器的市場份額不足30%,大部分市場被日本廠商主導,這不僅增加了制造成本,也制約了人形機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度和市場競爭力。

2. 制造成本高昂

我國在制造人形機器人方面面臨顯著的成本挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)顯示,國內(nèi)生產(chǎn)一臺人形機器人的成本約為40萬至50萬元人民幣,而高端人形機器人的成本會更高。這主要是因為其核心零部件高度依賴進口,尤其是高性能電機、減速器、傳感器等,占整機成本的近50%。此外,控制算法的研發(fā)、精密加工的要求、規(guī)模化生產(chǎn)能力的缺乏,進一步推高了制造成本。與此相比,特斯拉公司等國外企業(yè)憑借強大的產(chǎn)業(yè)鏈整合能力和規(guī)模效應,正在快速降低制造成本,其人形機器人的生產(chǎn)成本目標為低于2萬美元/臺。這種顯著的成本差異對我國企業(yè)的市場競爭力構(gòu)成了嚴峻挑戰(zhàn)。

3. 應用場景不明確

人形機器人產(chǎn)業(yè)面臨的另一核心挑戰(zhàn)在于應用場景的模糊性,這嚴重制約了商業(yè)化進程。在技術(shù)層面,盡管雙足行走、環(huán)境感知等能力持續(xù)突破,但尚未形成不可替代的價值錨點。具體來說,在工業(yè)場景中,傳統(tǒng)工業(yè)機器人在精度和成本方面占據(jù)絕對優(yōu)勢,人形機器人的效率競爭力不足;在養(yǎng)老、教育等服務領域雖存在潛在需求,但安全標準與情感交互等核心技術(shù)成熟度不足,難以滿足實際場景要求;消費市場則陷入功能與成本的錯配困境,售價與清潔、陪伴等基礎功能形成巨大落差。應用方向的不明確導致產(chǎn)業(yè)鏈上下游投資趨于保守,技術(shù)研發(fā)與場景驗證難以形成正向循環(huán)。

4. 法律法規(guī)與標準體系不完善

目前,針對人形機器人研發(fā)、生產(chǎn)和應用的法律法規(guī)尚不完善,這在一定程度上限制了其發(fā)展,特別是在數(shù)據(jù)共享、隱私保護和安全監(jiān)管等方面,缺乏明確的法律依據(jù)和規(guī)范。人形機器人產(chǎn)業(yè)作為新興領域,尚未建立起完整的標準體系,導致不同企業(yè)的人形機器人在性能、質(zhì)量和安全等方面缺乏統(tǒng)一的衡量標準。這不僅影響了行業(yè)的健康發(fā)展,也限制了市場的公平競爭,使行業(yè)難以形成統(tǒng)一規(guī)范,阻礙了技術(shù)創(chuàng)新和市場推廣。

5. 人才短缺與創(chuàng)新不足

人形機器人涉及機械、電子、計算機、人工智能等多個領域的技術(shù),所需人才層次高、范圍廣。然而,我國在這一領域的專業(yè)人才相對匱乏,導致創(chuàng)新能力不足,難以滿足快速發(fā)展的產(chǎn)業(yè)需求,影響了產(chǎn)業(yè)的整體發(fā)展和國際競爭力。數(shù)據(jù)顯示,我國人工智能機器人行業(yè)的人才缺口高達500萬人,復合型人才和高層級人才更為稀缺。盡管我國相關企業(yè)在部分技術(shù)領域取得了進展,但由于技術(shù)瓶頸和缺乏高端人才,在與國際先進水平的競爭中處于不利地位。

五、我國人形機器人的發(fā)展路徑

(一) 技術(shù)創(chuàng)新引領產(chǎn)業(yè)發(fā)展

技術(shù)創(chuàng)新是人形機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心動力。加強人工智能、傳感技術(shù)、材料科學等多學科的交叉研究,可以大幅提升人形機器人的感知能力、決策能力和運動控制水平。例如,計算機視覺技術(shù)的進步使機器人能夠更準確地識別物體、理解環(huán)境,并做出相應的反應;而先進的傳感器技術(shù)和高精度的定位系統(tǒng)則使人形機器人能夠在復雜環(huán)境中實現(xiàn)自主導航和避障。此外,輕質(zhì)高強度材料的研發(fā)不僅減輕了機器人的重量,還提高了其結(jié)構(gòu)強度和耐用性,從而延長了使用壽命;高效能電池技術(shù)的發(fā)展解決了機器人續(xù)航時間短的問題,使其能夠長時間連續(xù)工作;柔性關節(jié)設計則賦予了機器人更高的靈活性和適應性,使其能夠完成更加復雜的動作。這些關鍵技術(shù)的突破不僅為人形機器人的廣泛應用奠定了堅實的基礎,也為未來的發(fā)展提供了無限可能。

(二) 定點示范拓展應用場景

在探索人形機器人創(chuàng)新與發(fā)展的道路上,可以采用“應用牽引 ? 整機帶動”的發(fā)展框架(見圖5),運用定點試驗、供需對接和成果轉(zhuǎn)化等舉措,促進人形機器人在實際應用場景中的落地。人形機器人在研發(fā)過程中需要在特定場景中進行驗證與評估,以確保其性能和可靠性。例如,在特定工廠的崗位上進行試驗,不僅可以為研究人員提供寶貴的數(shù)據(jù)和反饋,還可以幫助他們不斷優(yōu)化設計和功能;定期評估和評價能夠確立行業(yè)應用標準和研發(fā)目標,形成一批具有代表性的示范項目和企業(yè),并成為行業(yè)發(fā)展標桿。同時,這些標桿項目展示了人形機器人在實際應用中的潛力,為其他企業(yè)和研究機構(gòu)提供了學習和借鑒的機會,以此形成良性循環(huán),推動整個行業(yè)的持續(xù)進步。通過這種方式,人形機器人不僅能夠在特定環(huán)境中展示其價值,還能逐步擴大應用范圍,提升整體產(chǎn)業(yè)水平。

圖5 “應用牽引?整機帶動”發(fā)展框架

為了進一步深化應用場景并帶動產(chǎn)業(yè)升級,建議積極建立人形機器人供需對接平臺,引導傳統(tǒng)工廠和企業(yè)提高對人形機器人的接受度,推動人形機器人“進廠打工”,為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)帶來新的活力,并為建立完整的人形機器人產(chǎn)業(yè)鏈打下堅實的市場基礎。具體來說,政府管理部門可以通過組織供需對接會、發(fā)布相關政策和信息、提供資金和技術(shù)支持等方式,促進生產(chǎn)企業(yè)與需求方之間的溝通與合作;鼓勵企業(yè)開展試點項目,逐步擴大人形機器人的應用范圍。

(三) 法律法規(guī)完善保障健康發(fā)展

隨著人形機器人的廣泛應用,建立健全的法律法規(guī)和倫理框架顯得尤為重要。這不僅是為了保障公眾安全和社會秩序,也是為了促進人形機器人產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。建議及時更新和完善相關法律法規(guī),明確機器人使用的邊界條件、責任歸屬等問題。例如,針對無人駕駛汽車、醫(yī)療輔助機器人,應制定專門的法律條款,規(guī)定機器人的權(quán)利和義務關系,界定責任主體,處理好因機器人引起的糾紛。特別是對于涉及人身安全和隱私保護的事項,必須嚴格立法,確保公眾利益不受侵害。同時,數(shù)據(jù)隱私保護是人形機器人發(fā)展中必須重視的問題。隨著機器人智能化水平的提高,收集到的語音、圖像、行為習慣等用戶數(shù)據(jù),不僅包含了用戶的個人信息,還可能涉及到敏感內(nèi)容。因此,必須采取有效的技術(shù)手段和管理措施,確保數(shù)據(jù)的安全性和私密性。例如,可以采用加密技術(shù)對數(shù)據(jù)進行保護,限制數(shù)據(jù)的訪問權(quán)限,防止未經(jīng)授權(quán)的人員獲取敏感信息;建立透明的數(shù)據(jù)使用政策,告知用戶數(shù)據(jù)的用途和流向,獲得用戶的同意和信任。

(四) 政策引導帶動市場投資

政策的支持和引導對推動人形機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有至關重要的作用。國家相關管理部門可以通過減免稅收、提供財政補助等方式,降低企業(yè)的研發(fā)成本,激發(fā)創(chuàng)新活力。例如,對于從事人形機器人研發(fā)的企業(yè),可以給予研發(fā)費用加計扣除、增值稅減免等優(yōu)惠政策,減輕企業(yè)的財務負擔;對于初創(chuàng)企業(yè)和中小企業(yè),可以提供啟動資金和貸款貼息,幫助其迅速成長。此外,相關管理部門還可以設立風險投資基金,吸引社會資本參與,共同扶持有潛力的項目和企業(yè)。這些政策措施不僅有助于提高企業(yè)的創(chuàng)新能力,還能增強市場信心,吸引更多投資者進入人形機器人領域。


基礎設施建設是人形機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必要條件。推動基礎設施建設,可以為人形機器人的研發(fā)、生產(chǎn)和應用提供有力保障,促進產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。為支持機器人技術(shù)的研發(fā)和應用,國家相關管理部門應加大對物理和數(shù)字基礎設施的投入,建設必要的設施和平臺。例如,第五代移動通信5G)網(wǎng)絡的建設可以為人形機器人的實時通信和數(shù)據(jù)傳輸提供了高速穩(wěn)定的通道,數(shù)據(jù)中心的建立則為大規(guī)模數(shù)據(jù)分析和處理提供了強大的計算能力。此外,還應當建設專門的測試場地和實驗基地,為人形機器人的性能測試和功能驗證提供良好的環(huán)境。

產(chǎn)業(yè)政策的引導對人形機器人市場的健康發(fā)展至關重要。國家相關管理部門可以通過制定產(chǎn)業(yè)政策,明確產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向,引導社會資本流向人形機器人領域。例如,出臺產(chǎn)業(yè)規(guī)劃,設定發(fā)展目標和任務,為企業(yè)提供明確的指引;通過設立產(chǎn)業(yè)園區(qū)、舉辦創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等方式,搭建交流合作平臺,促進產(chǎn)業(yè)鏈上、下游企業(yè)的協(xié)同發(fā)展;加強市場監(jiān)管,規(guī)范市場競爭秩序,打擊不正當競爭行為,營造公平公正的市場環(huán)境,進而形成良好的產(chǎn)業(yè)生態(tài),提升整個行業(yè)的競爭力。

六、推動我國人形機器人技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的對策建議

(一) 鼓勵核心技術(shù)突破

在人形機器人產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的背景下,核心技術(shù)的突破是推動其持續(xù)進步與產(chǎn)業(yè)升級的關鍵。建議設立專項基金,支持包括視覺、聽覺、觸覺等在內(nèi)的多模態(tài)傳感器的研發(fā);推動傳感器融合技術(shù)的發(fā)展,提升機器人對環(huán)境的綜合感知能力;支持高校、科研院所等開展先進智能感知與運動控制算法的研究,鼓勵開發(fā)高精度、快速響應的伺服系統(tǒng)和智能控制器以增強機器人的感知能力和運動能力;加快突破情感計算和自然語言處理技術(shù),使機器人能夠更好地識別和理解人類情感,進行更自然和流暢的對話。重點支持具身智能大模型材料和能源技術(shù)的研究與應用,開發(fā)輕質(zhì)高強的碳纖維復合材料和智能材料,研發(fā)高能量密度、長壽命的電池和智能能源管理系統(tǒng),提高機器人的續(xù)航能力和能源利用效率,為人形機器人產(chǎn)業(yè)的長期繁榮與發(fā)展奠定堅實基礎。

(二) 強化產(chǎn)業(yè)布局

強化人形機器人產(chǎn)業(yè)布局,可以優(yōu)化資源配置,提升產(chǎn)業(yè)效率,促進產(chǎn)業(yè)鏈上、下游的協(xié)同發(fā)展,形成強大的產(chǎn)業(yè)生態(tài)。建議加快產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同發(fā)展,加強人形機器人產(chǎn)業(yè)鏈上、下游企業(yè)的合作,推動核心零部件、系統(tǒng)集成、應用服務等環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)發(fā)展;設立產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟,共同研究和解決產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的共性問題,支持關鍵零部件的國產(chǎn)化,提高產(chǎn)業(yè)鏈自主可控能力。加強供應鏈保障,建立和健全產(chǎn)業(yè)供應鏈保障機制,確保關鍵零部件和材料的穩(wěn)定供應,鼓勵企業(yè)加強供應鏈管理,提高效率和可靠性。支持建設人形機器人產(chǎn)業(yè)集群,設立國家級產(chǎn)業(yè)示范區(qū),吸引企業(yè)和機構(gòu)聚集,形成產(chǎn)業(yè)集聚效應。提供產(chǎn)業(yè)鏈金融支持,設立產(chǎn)業(yè)鏈金融基金,幫助企業(yè)解決資金問題,提升產(chǎn)業(yè)鏈整體抗風險能力,并鼓勵其他金融機構(gòu)加強對人形機器人產(chǎn)業(yè)鏈的支持,提供多樣化金融服務。

(三) 建設人形機器人基礎設施

隨著人形機器人技術(shù)的迅猛發(fā)展,該領域吸引了大量初創(chuàng)企業(yè)投身其中,然而,高昂的研發(fā)成本和技術(shù)門檻等問題,成為這些企業(yè)健康成長的主要障礙。建議政府主導進行開源基礎設施建設,為初創(chuàng)企業(yè)提供堅實的支持,減輕其創(chuàng)業(yè)壓力,加速技術(shù)進步和市場拓展。① 聯(lián)合行業(yè)內(nèi)領先企業(yè)、高校和科研院所,構(gòu)建公共具身智能數(shù)據(jù)庫,降低研發(fā)成本、提高技術(shù)共享效率。該數(shù)據(jù)庫應廣泛收集并整理來自不同場景的人類動作數(shù)據(jù),采用先進的數(shù)據(jù)處理技術(shù)和嚴格的隱私保護措施,確保數(shù)據(jù)的質(zhì)量和安全性。② 積極開展多模態(tài)大模型基礎設施建設,為初創(chuàng)企業(yè)提供開源的技術(shù)支持,包括但不限于語音識別、自然語言處理、圖像識別等多模態(tài)數(shù)據(jù)處理技術(shù)。鼓勵“產(chǎn)學研”合作,搭建開放平臺,推進多模態(tài)大模型的開放與共享,促進技術(shù)的快速迭代和應用。③ 積極與領先的云計算服務企業(yè)合作,提供低成本或免費的算力支持,特別是在模型訓練和測試階段。在人形機器人“云邊端”架構(gòu)(見圖6)的基礎上,通過購買服務的形式,為符合條件的企業(yè)提供算力補貼,減輕企業(yè)的財務負擔。同時,加強對算力資源使用的管理和優(yōu)化,降低企業(yè)的研發(fā)成本,促進資源的高效利用,推動可持續(xù)發(fā)展。


圖6 人形機器人“云邊端”架構(gòu)

(四) 實施示范性工程

針對當前人形機器人應用場景尚不明確的問題,建議在農(nóng)業(yè)、服務業(yè)、軍事、物流分揀及醫(yī)療健康等領域開展示范應用工程,引導企業(yè)探索并拓展人形機器人的實際應用范圍。具體來看,建設農(nóng)業(yè)人形機器人試驗基地,支持企業(yè)和科研院所聯(lián)合開發(fā)適用于農(nóng)作物種植、收割及病蟲害防治等環(huán)節(jié)的機器人解決方案,以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率;在服務業(yè)中,推廣人形機器人在酒店、餐飲、零售等行業(yè)的應用,提供顧客服務、物品遞送等功能,改善服務質(zhì)量和用戶體驗;加大安全用途人形機器人的研發(fā)投入,特別是在環(huán)境適應性和自主決策能力方面進行技術(shù)攻關,探索其在軍事訓練、安全巡邏和災害救援等領域的應用可能性;鼓勵物流行業(yè)引進人形機器人技術(shù),優(yōu)化貨物分類、搬運和配送流程,提升物流效率和服務水平;在醫(yī)療健康領域,推動人形機器人在手術(shù)輔助、病人護理、康復訓練等方面的創(chuàng)新應用,為患者提供更加安全高效的醫(yī)療服務。通過先行先試,可以有效促進人形機器人技術(shù)的研發(fā)與應用,為經(jīng)濟社會發(fā)展注入新的動力,為相關企業(yè)發(fā)展提供方向和實踐經(jīng)驗。

注:本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整,若需可查看原文。

作者簡介

王耀南

機器人技術(shù)與智能控制專家,中國工程院院士。

主要從事智能機器人感知與控制技術(shù)及工程應用研究。

聲明:本文內(nèi)容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網(wǎng)站授權(quán)轉(zhuǎn)載。文章觀點僅代表作者本人,不代表電子發(fā)燒友網(wǎng)立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用,如有內(nèi)容侵權(quán)或者其他違規(guī)問題,請聯(lián)系本站處理。 舉報投訴
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