中投網2024-07-03 08:26 來源：中投網
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一、我國人形機器人被國外卡脖子的產業鏈環節
我國人形機器人產業鏈中被國外“卡脖子”的環節主要集中在上游的核心零部件和軟件系統開發方面。具體來說，這些核心零部件包括無框力矩電機、空心杯電機、傳感器、專用芯片、伺服系統、減速器、控制器等。這些零部件和技術的水平直接影響到機器人的性能和穩定性。
此外，軟件系統的開發也是關鍵環節之一，涉及到操作系統、機器視覺、激光雷達、人工智能等方面。這些技術和零部件的供應在很大程度上依賴于國外企業，導致我國在這些領域的自主創新能力較弱，容易受到國外技術封鎖的影響。
因此，我國人形機器人產業鏈中的“卡脖子”環節主要是上游的核心零部件和軟件系統開發，這些環節的技術水平和供應穩定性直接影響到整個產業鏈的發展和競爭力。
圖表：人形機器人產業鏈圖
數據來源：中投顧問產業研究大腦
二、無框力矩電機在人形機器人中的應用及其技術難點
無框力矩電機在人形機器人中的應用主要體現在其作為關節和手臂的動力源，提供高扭矩和高精度的控制。例如，特斯拉的人形機器人Optimus在其14個線性執行器和14個旋轉執行器中使用了無框力矩電機，以實現精準控制。此外，優必選的Walker機器人也使用了36個無框力矩電機來驅動其關節。
然而，無框力矩電機在人形機器人中的應用也面臨一些技術難點。首先，磁路和工藝設計是主要的技術挑戰，這些因素直接影響電機的轉矩密度和功率密度。其次，由于人形機器人需要具備多自由度的運動能力，對結構、功率密度和重量尺寸等有特殊要求，這也增加了無框力矩電機的設計和制造難度。此外，無框力矩電機的中空設計雖然使其占用空間較小，但這也對其材料和制造工藝提出了更高的要求。
三、空心杯電機在人形機器人中的優勢和局限性
空心杯電機在人形機器人中的優勢和局限性如下：
（一）優勢
1、高轉速和高能量轉化效率
空心杯電機具有高轉速和極高的能量轉化效率，這使得其在需要快速響應和高效動力輸出的應用場景中表現出色。
2、輕量化和高精度
由于其結構特點，空心杯電機能夠實現手指關節的輕量化和高精度控制，這對于人形機器人的靈活性和精確度要求尤為重要。
3、低噪音和振動
空心杯電機在運行時產生的噪音和振動較低，這有助于提升人形機器人的整體性能和用戶體驗。
4、體積小、重量輕
空心杯電機通常尺寸較小，重量輕，這使其非常適合用于空間受限的人形機器人關節驅動。
5、無齒槽轉矩
由于沒有齒槽，空心杯電機的轉矩波動較小，手感更加輕盈，適合需要精細操作的應用。
（二）局限性
1、適用范圍有限
空心杯電機更適用于直徑為20-30mm的空心杯，難以繞制抽頭間距小于7mm的較小尺寸線圈，這限制了其在某些特定應用場景中的使用。
2、成本問題
雖然具體的成本數據未提及，但一般來說，高端電機的成本較高，可能會影響大規模生產和普及。
空心杯電機在人形機器人中具有顯著的優勢，特別是在高轉速、高能量轉化效率、輕量化和高精度控制方面。
四、國產傳感器技術在人形機器人領域的進展
目前，國產傳感器技術在人形機器人領域已經取得了一定的突破，并能夠滿足其核心需求。以下是一些關鍵的國產傳感器技術：
1、六維力矩傳感器
六維力矩傳感器是性能最優、力覺信息最全面的力矩傳感器，技術壁壘主要在結構解耦設計、解耦算法、標定與校準等方面。這種傳感器廣泛應用于人形機器人的腳踝和手腕處，提供精準的力感信息，助其提升柔順化和智能化控制水平。國內廠商如宇立和坤維在這一領域相對領先，東華測試和柯力傳感也在積極布局。
2、MEMS壓力傳感器和慣性傳感器
基于MEMS工藝的力控、觸覺、慣性傳感器在人形機器人中也有望充分受益。這些傳感器具有體積小、質量輕、成本低、功耗低、高可靠性等優勢，適用于各種復雜環境下的應用。
3、電子皮膚和柔性觸覺傳感器
電子皮膚和柔性觸覺傳感器是實現靈巧手觸覺感知能力的核心部件，具備精確的抓取力和力矩控制功能。這些傳感器在硬件設計、生產工藝以及算法優化等方面都有著極高的要求，技術實現路徑呈現多樣化趨勢，主要有MEMS和電子皮膚兩種主流技術路線。
4、溫度傳感器和拉壓力傳感器
這些傳感器用于監測和控制機器人內部的溫度和受力情況，確保其在各種環境下的穩定運行。
5、六維力傳感器
六維力傳感器作為“觸覺神經”，其重要性逐漸上升到國家戰略發展層面。近年來，國家對機器人產業鏈發展高度重視，六維力傳感器憑借其高精度的優勢，成為制造業重點研發的產品之一。
圖表：中國人形機器人行業全景圖譜
資料來源：中投產業研究院
五、國外人形機器人專用芯片最新進展
國外在人形機器人專用芯片開發方面的最新進展主要集中在英偉達的多項創新和技術突破上。
1、英偉達的Blackwell AI芯片
英偉達推出了最新的AI芯片Blackwell，該芯片在能耗成本上降低了25倍，并且預計售價將超過3萬美元。這款芯片通過NVIDIA Omniverse Avatar云平臺和NVIDIA Jetson AGX Orin邊緣AI計算機等技術，實現了在具身智能領域的重大突破。
2、Project GR00T和Isaac機器人平臺
在GTC 2024大會上，英偉達發布了Project GR00T人形機器人通用基礎模型和基于NVIDIA Thor系統級芯片（SoC）的新型人形機器人計算機。這些技術旨在進一步推動機器人和具身智能方面的突破。
3、投資與研究實驗室
英偉達向人形機器人公司FigureAI投資了5000萬美元，并成立了通用具身智能體研究實驗室GEAR，以加速人形機器人的發展。
4、新款旗艦人工智能芯片Blackwell B200
在英偉達年度開發者大會上，公司首席執行官黃仁勛宣布推出新款旗艦人工智能芯片Blackwell B200，這進一步推動了人形機器人技術的發展。
六、人形機器人軟件系統開發中的自主創新進展
在人形機器人軟件系統開發中，人工智能技術通過多種方式促進了自主創新。
人工智能技術能夠提升人形機器人的“智慧”程度。通過結合語音、視覺、決策和控制等多方面的AI大模型，形成感知、決策和控制的閉環，從而大大增強機器人的智能化水平。例如，預訓練語言模型如ChatGPT可以應用于機器人與人類之間的自然語言交互，使機器人能夠更好地理解和響應用戶的指令。
人工智能技術推動了專用操作系統的構建。開發高實時、高可靠、高智能的專用操作系統，并建設完善的人形機器人應用開發平臺和工具包，這些都為自主創新提供了堅實的基礎。此外，達闥推出的多模態認知大模型Robot GPT和云端大腦操作系統也展示了AI技術在機器人制造領域的應用前景。
第三，人工智能技術還支持生成式人工智能算法、框架、芯片及配套軟件平臺等基礎技術的自主創新。這種自主創新不僅提升了技術水平，還促進了國際交流與合作，參與相關國際規則的制定。
此外，人工智能技術通過算力底座的建設，提升了算力效率，并通過軟件硬件協同創新，支撐行業智能化發展。NVIDIA提供的端到端機器人開發平臺也支持大規模訓練、開發和優化機器人系統和軟件，進一步推動了自主創新。
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