仿人機器人行業深度報告：機器替人不再是想像

科技 08-11

（報告出品方/作者：中信建投證券，朱玥，張亦弛）

核心觀點：

當下市場對仿人機器人的認知仍有重大偏差：目前市場簡單復刻工業機器人的硬體構成和技術要求對其供應鏈進行分析，認為仿人機器人與工業機器人在供應鏈上相差無幾。我們認為，無論是從研發設計角度，還是規模量產角度，仿人機器人與工業機器人差異非常大，在結構設計、硬體構成、控制演算法、核心性能要求以及零部件選擇上都有很大的差異。

仿人機器人技術壁壘極高，非普通機器人廠家可短期轉型。仿人機器人涉及工程學和控制科學，彙集電子、機械、自動化控制及計算機等領域的研究成果，並非簡單買來零部件組裝就可實現仿人功能。仿人機器人核心設計要求也與普通機器人不同，哪怕是國際領先的工業機器人廠家也很難短期切入。

仿人機器人賦予機器「生命」，高度滲透各行業應用場景，未來市場空間非常廣闊。海外高校及研究機構從上世紀70年代開始研發仿人機器人，經過多年技術的探索與積累，仿人機器人可以實現穩步行走，上下樓梯，跳躍，快速奔跑等功能，應用於野外探查，災區救援，科技展示，人機相互等場景，未來市場空間非常廣闊。

仿人機器人：多領域研究成果的跨學科傑作

仿人機器人（Humanoid Robot），又稱擬人機器人，具有類人的感知、決策、行為和交互能力。其有類人的外形外觀、感覺系統、智能思維方式，控制系統和決策能力，最終表現「行為類人」。仿人機器人涉及工程學和控制科學，彙集電子、機械、自動化控制及計算機等領域的研究成果，不是簡單買來零部件組裝就可實現仿人功能。仿人機器人按照高度進行分類，可分為大仿人機器人、中小仿人機器人。

仿人為核心，賦予機器人「生命」

回顧仿人機器人發展歷程，有三個重要標誌：第一階段：以早稻田大學仿人機器人為代表的早期發展階段；第二階段：以本田仿人機器人為代表的系統高度集成發展階段；第三階段：以波士頓動力公司仿人機器人為代表的的高動態運動發展階段。

日本率先開啟仿人機器人的研究，實現雙足行走

1971年，日本早稻田大學的加藤教授推出了基於液壓系統的雙足機器人WL-3以及WL-5，實現了步長15cm、周期45s的靜態步行。之後設計的基於電機驅動的WL-9R以及WL-10DR通過踝關節力矩控制，實現動態行走，單步周期縮短到1.3s。2006年，加藤一郎的學生高西淳夫教授推出仿人機器人WABIAN-2R（擁有41個自由度的），實現1.8km/h的行走，且能適應軟硬不同的地面。

HONDA推出的Asimo代表當時最先進技術水平

1996年日本HONDA公司研製出第一台仿人機器人P1，之後推出P2，可在普通路面行走，後續推出P3。2000年11月12日，發布最具代表性的基於電機控制的雙足機器人Asimo，高120cm，重52kg，步行速度0~1.6km/h。

Cassie體現新型驅動設計，豐富驅動技術路線

1997年，密歇根大學的Grizzle等人研製了欠驅動雙足機器人RABBIT，其可實現無腳動態行走。基於RABBIT，相機研發了MEBAL，MARLO，ATRIAS一系列欠驅動行走機器人，實現了三維欠驅動的行走。 2017年發布機器人Cassie，售價約7萬美元，其驅動電機位置較高，在腿部加入彈簧，實現高效步態，同時能靜止站在原地。 2022年，在Cassie基礎上推出Digit，具有穩健的步行和跑步步態，具備爬樓梯、自主導航的感知能力，可應用於搬運包裹。

HRP系列機器人可實現穩定行走，並與人合作

1998年，日本產業技術綜合研究院開始主導的HRP系列計劃，該計劃旨在開發「在人類作業、生活環境中的與人協調、共存，能夠完成複雜作業任務的仿人機器人系統」。HRP-2、HRP-3能夠穩定行走，完成多種靈巧的運動（如日本舞蹈），與人合作抬物品，跨越障礙物，從地面搬起物體，跌倒時能夠保護自己並重新站起來等。

Atlas使用自主設計的液壓驅動系統，運動能力全球第一

波士頓動力公司在美國國防部先進研究項目局（Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA）的資助下研發出了液壓驅動的四足機器人BigDog第一代樣機。2009年10月，波士頓動力公司發布 PETMAN ，作為美國實驗防護服裝設計的軍事設備，具有強大的自平衡能力和運動性能，可在受到外部環境干擾下及時調整步態，保持平衡。

IIT推出WALK-MAN，在歐洲具有影響力

IIT推出的WALK-MAN消防機器人，加入力控形成有力矩控制的手關節，但犧牲了機器人的部分剛性。2008年，IIT製造了開源仿人機器人iCub，用以研究感知學習與人機交互，具備非常好的人機交互性。其參照三歲半兒童的體型設計，身高1米，共有53個自由度，能夠進行行走以及單腿平衡。

瑞士研究機構運用被動柔性，進一步提升跳躍與地形適應能力

2011年，瑞士蘇黎世聯邦理工學院機器人與智能系統研究所下屬的機器人系統實驗室，基於SEA關節研製了單腿機器人 ScarlETH，運用機器人的被動柔性，實現了高能效的跳躍與地形適應能力。基於此研製出了一款電機驅動的四足機器人StarlETH以及ANYmal。

HUBO獲得DRC比賽第一名，推動亞洲研究發展

韓國先進科學研究院(KAIST)的雙足機器人HUBO憑藉其輪式與足式混合運動方式，獲得2015年的DRC比賽第一名。在 Rainbow Robotics 的幫助下，HUBO2 成為了全球第一個商業化的人形機器人平台。它被世界領先的研究機構（麻省理工學院、谷歌等）購買作為研究平台。

中小型仿人機器人研發如火如荼，豐富擴大應用場景

法國的Aldebaran Robotics公司推出NAO典型機器人，銷量達一萬多台，公司一直堅持商業化的路徑，與波士頓動力， Asimo有很大的差異，後來被日本的軟銀收購。後續推出Pepper，Romeo機器人。在高度小於50厘米的小型雙足機器人，韓國Robotis公司的Darwin-OP機器人比較出名，可穩定行走與顏色識別。韓國Hitec公司推出Robonova-1，國內樂聚（深圳）機器人分公司推出」Aleos「機器人。

國內已推出多款機器人，在「仿人」方面取得巨大進步

2017年北理工研製BHR-6實現國際首創的摔倒保護、翻滾、行走、奔跑、跳躍等模態運動及轉換功能，摔倒後可重新站立。浙江大學研製「悟空「，開展以打乒乓球為例的環境感知與全身協調作業研究，實現仿人機器人打乒乓球的演示驗證。中國科學院合肥物質科學研究院研製的仿人機器人已實現行走、作業等功能，並報名參加2013年DARPA機器人挑戰賽。

液壓/電機/氣動驅動代替人的關節，硬體技術設計有巧思

仿生機構設計：基於人體骨骼建立簡化模型

仿人機器人是一種具有高自由度、強非線性的動力學系統，通常採用多剛體動力學系統和模擬數值計算結合的方法進行動力學和運動學分析。在機器人運動分析中，包含動力學分析和運動學分析，其中運動學分為正運動學和逆運動學。

關節驅動路線一：液壓驅動力量大，爆發力強

優點：輸出功率大，不需要減速器，力量大，爆發力強，可承受機械衝擊和損傷的能力強。缺點：液壓系統易漏油，體積大，雜訊大，功耗高，必須配置液壓源。

關節驅動路線二：電機驅動最傳統，結構簡單應用廣

優點：結構簡單，位置伺服精確。缺點：力矩伺服差，傳動損耗高，爆發力不如液壓驅動。

關節驅動路線三：氣動驅動質量輕，價格低，但控制精度不高

優點：氣動人工肌肉質量輕、價格低、易維護，與汽缸相比，具有較大的功率體積比和功率質量比。缺點：控制精度不高。工作效率較低，工作速度穩定性差。

平衡控制直接影響行走性能，通常公司自主研發核心控制演算法

機器人狀態估計的核心問題包含：感測器的選擇與布置，感測器數據的標定，機器人本體的建模，多感測器數據融合。控制器的設計選擇中，通常根據自身狀態與機器人模型，進行控制策略的選擇，再執行控制指令。控制器的設計是機器人設計中最核心的部分。

仿人機器人電池？能量優先兼顧功率的頂級需求

動力電池最新進展：CTP3.0「麒麟電池」呼之欲出

根據寧德時代官網，採用CTP3.0技術的「麒麟電池」可實現255Wh/kg（三元）或160Wh/kg（鐵鋰）的質量能量密度、72% 的體積利用率、4C快充、5分鐘熱啟動及安全無熱擴散的多項性能指標。

展望未來：仿人機器人電池材料需求方向是什麼

可以看出，仿人機器人對放電倍率、循環壽命要求不高，但對質量、體積能量密度要求高，且對快充能力有潛在要求。所以，具備高能量密度，最好兼顧快充能力的電池及電池材料是仿人機器人電池的需求方向。隸屬層狀氧化物正極的高鎳/中鎳高電壓三元正極是當前的優選，未來富鋰錳基正極可能也會佔據一席之地。

環境適應能力與行為決策能力強，有別於工業機器人追求高精度

仿人機器人關節/電機數量遠高於工業機器人，價值量更可期

在仿人機器人的硬體結構上，關節是其非常核心的部件。人體的下肢決定行走、跑步等運動性能，主要包括三大關節髖關節、膝關節和踝關節。仿人機器人的關節自由度不可能完全像人，需要分析提煉下肢全方位行走時不可或缺的自由度，通過關節的設計來實現。機器人整體的自由度/關節數量通常為20-50個，甚至更高，設計和控制難度更高，電機、減速器價值量更可期。

仿人機器人視覺系統性能要求、數量需求更高

仿人機器人視覺系統為標配，且要求高，大多為雙目視覺（需要2個相機），有時需用到3D視覺，相機數量與整體價格比工業機器人視覺更高。工業機器人視覺並非標準配置，屬於可選擇的高配選項，通常包含一個工業相機，大多為2D視覺。

關節在仿人機器人成本里佔比50% ，看好國內電機、減速器企業

仿人機器人的關節成本佔比最高，達50%以上，其中包含電機，減速器和感測器等，國內企業在性能方面可滿足要求，看好國內電機、減速器企業的產業鏈機會。除去關節，成本佔比其次是結構件，控制器和電池等，感測器。國內廠商在結構件方面性能較好，選擇餘地較多。

Tesla bot，是實踐物也是打開想像之窗的使者

技術路線預測：採用準直驅QDD方式，控制方法仍使用傳統的model base控制方法，8個攝像頭，利用高性能的計算機晶元進行計算。成本方面：我們認為成本壓力比較大，40個電機所帶來的一體化關節成本較大，按一個關節4000元測算，關節成本超10萬人民幣。同時輕質柔性殼體材料價格仍較貴，準直驅使得電流大，電池也面臨挑戰。但如果實現量產，成本有很大的下降空間。

Tesla bot實現量產後，新增電機市場規模有望達千億元

目前仿人機器人成本非常昂貴，而準直驅的技術路線對電機性能提出很高要求。目前來看，進口電機價格通常為5000~6000 元，甚至上萬元，國產電機價格也在2000元以上。考慮到Tesla bot規模量產後，規模效應帶來成本下降，當出貨量分別為 50、100、200萬台時，假設電機單價分別為1500、1000、600元。

Tesla bot實現量產後，看好國內電池企業明顯成本優勢

仿人機器人需要電池保證電能供給，區別於工業機器人不需要電池。仿人機器人對電池、放電系統、BMS要求高。參考波士頓動力的Atlas機器人，其電池容量為605Wh，續航時間90min。作為商業化量產仿人機器人，我們按續航時間4.5小時，電池容量1.8KWh，電池價格1.1元/Wh進行測算，仿人機器人電池價格在2000元左右。當仿人機器人出貨量為200萬台時，其市場空間約40億元。