一文熟悉人形机器人
人形机器人，顾名思义，是指外形和运动方式接近人类的智能机器人，通常具有类似于人的头部、躯干、四肢和手部等结构，可以更加方便的使用人类设计的工具和设备，适应人类的生活和工作空间。人形机器人相比传统机器人而言，后者通过特定的数据库进行训练，一般应用于单一场景，而前者基于通用大模型，不限制固定的应用领域。
2023年，多家企业和团队在人形机器人领域取得了显著进展，如特斯拉、小米、优必选等。在2023世界机器人大会上，不少团队展出了他们的新产品，如优必选科技发布了智能多模态交互系统，宇树科技发布了首款人形机器人新品，小米展出了CyberOne人形机器人，钢铁侠科技则展示了其第五代双足仿人机器人等。
国际机器人联盟（IFR）将机器人按应用场景分为工业机器人和服务机器人两大类。而国内一般把机器人分为工业机器人、服务机器人和特种机器人三大类。
一、为何热在2023？
1973年全球第一台人形机器人诞生于日本，2023年人形机器人迎来爆发的元年，主要推动的因素有：
1、全球头部科技企业入局，如特斯拉凭借其强大的软硬件技术、供应链能力带动整个产业的发展；
2、人形机器人的关键技术得到了显著的进步，如算力、AI大模型等；
3、国内外政策的支持位人形机器人的发展提供了有力的支持；
4、劳动力短缺已经成为世界性难题，我国的劳动力数量也在逐年下降，人形机器人的发展将有助于缓解劳动力短缺的问题。此外，人形机器人在养老助残领域将大有可为。
二、人形机器人的特点
模仿人类形态：人形机器人的设计理念是基于人类的身体结构，包括头部、颈部、躯干、手臂、手、腿和脚等，这使得它们能够在人类的环境中更加自如地移动和操作物体。
多功能性：人形机器人通常具备多种功能，如行走、跑步、跳跃、抓取、操作工具等，这些功能使得它们能够在多种场景下工作，包括家庭、服务业、工业生产等。
交互能力：人形机器人被设计为能够与人类进行有效的交互，这不仅包括物理层面的交互，如握手、搬运物品，还包括更复杂的社交交互，如识别人类的情绪和语言。
智能化：现代的人形机器人通常集成了先进的人工智能技术，包括机器学习、计算机视觉、自然语言处理等，这些技术使得人形机器人能够自主学习和适应不同的任务和环境。
适应性：人形机器人的设计使其能够适应人类的生活空间和工作环境，如楼梯、门、电梯等，这为它们在人类社会中的应用提供了广泛的可能。
三、核心组件与技术
人形机器人通常由四大核心组件构成：传感系统、控制系统、执行机构和驱动系统。传感系统相当于人的五官，用于感知周围环境；控制系统则相当于大脑，处理信息并做出决策；执行机构和驱动系统则对应于人的四肢和关节组织，负责执行动作和移动。
1、传感系统
人形机器人的感知系统就像是人的眼睛、耳朵等感觉器官，可以获取人形机器人内部和外部的环境信息，并把这些信息反馈给控制系统。
对于传统机器人而言，除编码器外，多数工业机器人不需要其他的感知硬件，部分特定种类的机器人仅需要单一感知硬件，而人形机器人由于其复杂的交互性，需要各类传感器的集成，以特斯拉 Optimus 为例，其感知系统至少需要视觉传感器、力（力矩）传感器、IMU（惯性测量单元）、编码器等感知硬件。
系统看，感知系统主要可分为内部传感器和外部传感器。内部传感器是用来检测机器人本身状态（如手臂间的角度）的传感器，外部传感器是用来检测外部环境及状况的传感器。
来源：华安证券
2、控制系统
人形机器人的控制系统根据感知系统提供的信息来对机器人的行为和动作进行控制和调节，和感知系统相互配合，使机器人能够根据感知到的环境信息做出相应的响应和动作。
控制系统一般由主控、协调和分布控制构成，硬件涉及主控芯片、协调控制器、分布式驱动控制器等。控制系统核心是控制器，负责接收传感器的反馈信号，并根据预设的控制算法生成相应的控制信号，驱动机器人的执行器实现所需的动作和任务。
来源：华安证券
3、驱动系统和执行机构
驱动系统：人形机器人的驱动系统是指用于实现机器人运动的系统，由各个关节的传动装置组成，可实现关节的转动或移动。根据能量转换方式的不同，驱动系统主要分为三大类型：液压驱动系统、气动驱动系统和电动驱动系统。目前大多数人形机器人使用的是电动驱动系统，因为电动驱动系统控制精度高，可以实现精确的关节位置和速度控制，适用于需要高精度运动的人形机器人。
执行机构：人形机器人的执行机构主要包括关节、灵巧手、骨架等结构。骨架起到支撑作用，而关节、灵巧手对人形机器人的灵活性有着非常重要的影响。
- 关节：关节是机器人连杆接合部位形成的运动副，共同形成机器人肢体所需的运动。关节包括线性关节、旋转关节和球形关节。
- 灵巧手：人形机器人的灵巧手是一种末端执行器，与工业机器人相比，人形机器人的灵巧手不是针对特定任务设计的，而要具备通用抓取能力。特斯拉的Optimus使用的是外置式灵巧手，有5个手指，6个执行器，11个自由度。
来源：华安证券
下图是特斯拉 Optimus 为代表的人形机器人组成全景图及相关的国内上市公司：
注：图中公司仅表示其在相关业务上有布局，不代表实际供货，中信证券研究部绘制
四、人形机器人典型企业及进展
注：-为未公布，未公布不代表没有。部分参考来源：华宝证券研究创新部
五、总结
ITF World 2023 半导体大会上，英伟达创始人兼首席执行官黄仁勋表示，人工智能的下一个浪潮将是具身智能，即能理解、推理、并与物理世界互动的智能系统。在具身智能的观点中，机器人的身体结构、感官系统以及与环境的互动对于智能行为的产生至关重要。目前人形机器人的难点也不少，比如：人形机器人工作场景复杂，需要更强大的通用型算法以保证动作执行的成功率；人形机器人应用会带来隐私和安全性问题，需完善行业标准规范；人形机器人成本控制以实现经济可行。
人形机器人的发展是一个长期而复杂的过程，需要科技界、产业界、政府部门和社会各界的共同努力。在追求技术创新的同时，我们也应该关注其带来的社会影响，确保科技的发展能够造福人类，促进社会的可持续发展。未来的人形机器人，不仅是技术的结晶，更是人类智慧和文明进步的象征。
参考资料：
1.人形机器人产业前景广阔，看好核心零部件
2.人形机器人的五类感官和硬件支撑