根据腿部驱动方式,机器狗可分为液压驱动、电机驱动、气动驱动和电液复合驱动机 器狗。其中:1)液压驱动具有很高的功率/密度比、高带宽、快速响应等特性,使用液压 系统来驱动其关节,这种驱动方式可以提供较大的力和扭矩,适合执行重载和高动态性能 的任务;但液压驱动具有能耗大、效率低、噪音大等缺点。 2)电机驱动主要依靠电动马达来驱动关节,具有响应速度快、控制精度高、能耗相 对较低、工作噪声小等优点;但具有承载能力差、功率密度小等缺点。 3)气动驱动使用气体压力来驱动关节,这种驱动方式结构轻盈,具有制造成本低、 设计轻、灵活性好、环保等优点;同时也面临着控制精度低的挑战,难以实现高精度控制 和低能耗,实际应用场景较少。 4)电液复合驱动结合了电机驱动和液压驱动的优势,在四足机器人领域,这种驱动 方式特别适用于需要高功率输出、快速响应以及强大动态性能的场景。在面对极端温度、 尘埃和潮湿等恶劣环境时表现出更好的耐受性,适合军事、野外救援等应用场景;缺点在 于成本更高,维护复杂,需要定期更换液压油和过滤器,增加了运行成本。 随着驱动和电机技术的日益成熟,电机驱动的机器狗成本快速降低,在大多数消费类 和工业场景都可以适用,因此目前电机驱动成为四足机器人的主流技术路线。
1.3 轮足是机器狗新形态,运动性能再度提升
轮足机器狗是一种结合了轮式和足式运动能力的机器人,它们在设计上融合了轮式机 器人的速度优势和足式机器人的越障能力。根据机器狗末端执行机构的方式不同,可以分 为轮足机器狗、腿足机器狗和履带足机器狗等。相比传统的四足机器狗,轮足机器狗加入 轮式设计后兼具速度与灵活性,同时保持了复杂环境适应能力的优势,为机器人应用场景 的拓展带来了更多可能性。 轮足机器狗的结构和控制简单,易于设计和操作,平坦的地面能灵活快速移动的优势: 1)设计理念上融合四足与轮式的双重优点,在提高复杂环境适应能力的同时,显著 提升了速度、灵活性、稳定性等移动特性。这大幅度提高了轮足机器狗在平坦地形下的移 动效率;2)复杂环境适应能力拓宽应用场景,野外、城市、工业环境等多种复杂环境中的适 用性显著增强; 3)运动表现再创新高。目前,国内机器人运控能力的进展在轮足机器狗中得到了充 分体现。以宇树科技 2023 年 12 月 23 日发布的 Unitree B2-W 为例,视频中的轮足机器 狗运控性能优异,完成了在陡峭山岩快速下坡、爬楼梯、蹚水、空翻等一系列高难度动作。 同时,Unitree B2-W 不仅能够完成载人移动,还可以从高处跳跃并保持姿态稳定,充分 展示了其在运输和工业作业中的应用潜力。
2. 多重条件成熟,行业应用机器人迎来放量拐点
2.1 应用场景明确,四足优势显著
四足机器人相比轮式和履带式机器人,具有优异的越障能力,可以轻松穿越楼梯、碎 石、狭窄空间等复杂地形,因此在多个领域展现出广泛的应用潜力。四足机器人逐渐应用 于工业领域,如海上变电站、钻井平台、建筑工地、智慧工厂、应急消防等各种场景,其 商业化进程不断加速。 1)在军事和国防领域,可以执行侦察监视、探测排爆和物资运输任务,提高作战效 率和安全性,例如,机器人可以用于测试和评估,执行侦察监视任务,以及在潜在的危险 环境中进行探测排爆。 2)在搜索和救援行动中,四足机器人能够快速响应,穿越复杂地形,在灾害现场搜 索幸存者或在野外进行救援,中国的“赤兔”四足机器人在地震和其他灾害响应中,用于 进入废墟和狭窄空间,帮助救援人员评估结构稳定性和寻找幸存者。内蒙古模拟天然气管 道泄露爆炸,使用机器狗应用到侦测、抛投、灭火等领域,探索无人化作战模式,提升队 伍救援无人化、科技化水平。 3)工业场景中,四足机器人旨在执行重复性工作、搬运重物和检查设备安全等职责。 它们能够灵活地在工厂内部移动,到达轮式机器人难以到达的区域,从而提升生产效率和 安全水平。它们可以巡检石油天然气管道和电力设施,减少人力投入,法国的 Robosoft的 Cestus 机器人,用于核电站的常规检查,包括管道和容器的内部检查,减少辐射暴露 风险。在荆州市荆州区 220kV 纪南变电站,保障设备安全健康运行。机器狗替代了人工 巡视,减轻了人工巡视的劳动强度,也提高了巡检质效。 4)在物流和配送领域,四足机器人能够搬运货物或进行快递服务,提高运输效率。 农业中,它们可以用于农田巡逻、监测作物生长情况和喷药施肥等作业,提高农业生产效 率和质量,降低劳动成本。 5)家庭和个人使用方面,四足机器人则能够作为家庭助手或陪伴机器人,提供互动 和陪伴。随着技术的不断进步,四足机器人的应用场景将更加多样化,为人类社会带来更 多便利。
2.2 国防智能化趋势,机器人重要场景
军用机器人是一种替代或协助人类执行火力进攻、指挥控制、目标探测、环境侦察和 后勤保障等军事任务的自主式、半自主式或遥控式的电子机械装置。军用机器人通常由行 驶平台系统、定位导航系统、综合控制系统、任务载荷系统、人机交互系统等组成。机器 人狭义定义是指模拟人类行为或思想与模拟其他生物的机器,在军用领域大多指代地面机 器人或无人车等;从广义上来看包括军用地面机器人、无人机、水下机器人、空间机器人 等。
军用机器人应用场景多元广泛。军事机器人以完成预定的战术或战略任务为目标,能 够自主或人机协同条件下完成战场侦察、监视、目标捕获与指示、通信中继、扫雷、输送 物资、直接攻击敌方目标、战场救护等多种战术任务。20 世纪 60 年代以来,军用机器人 日益受到各国军界的重视,其具备巨大的军事潜力,较高的作战效能,有望成为未来信息 化战场的基本智能单元。
发展国防军事机器人成为世界主要国家共识。全球军用机器人领域发展较快且布局较 早的国家为美、俄、法三国,战略规划较为清晰,且在国防军费领域中无人装备投入力度 较大。根据晶品特装招股说明书:美国列装的地面机器人包括 PackBot 系列、TALON 系 列等;美军共装备了超过 1.2 万台地面无人装备,能够遂行爆炸物处理、安全巡逻、辅助 作战和后勤保障等多样化军事任务,已列入研制计划的智能化装备超过 100 种,计划到 2030 年 60%的地面作战平台将实现智能化。俄罗斯通过《2025 年前研制未来战斗机器 人》等专项计划引领机器人装备发展,计划至 2025 年将无人作战系统在武器装备中的比 例提高到 30%以上,主要聚焦于侦察监视、指挥决策、火力打击、作战支援等多领域。
我国军用机器人的落地速度较快。2024 年 11 月 12 日,第十五届中国国际航空航天 博览会在珠海开幕,中国兵器装备集团自动化研究所有限公司自主研制的四足“机器狼” 首次进行动态展示,由单体作战升级到群体作战,“机器狼群”由综合指挥车、侦察探测 机器狼、精确打击机器狼、伴随保障机器狼等组成,任务场景更加灵活多样。
2.3 软硬件技术成熟,产业链配套完善
四足机器人的结构较为简单,经过了数十年的发展迭代,目前技术路线已经走向收敛, 基本的软硬件技术走向成熟,上游供应链逐渐完善,成本已经降低至具备经济性的水平。 总体来看,四足机器人技术主要包括结构设计、执行器、传感器和控制算法等方面。 1)结构设计:结构设计是四足机器人技术的基础,关系到机器人的行走稳定性和灵 活性。首先,四足机器人需要具备稳定性和承载能力,以应对不同的地形和环境;其次需 要具备敏捷性和机动性,以适应不同的操作需求。 四足机器人的结构设计主要包括腿部关节、身体结构和足部。1)腿部:腿部通常有 3 自由度,包括髋关节、膝关节和踝关节。电机一般布置在髋关节处,从而降低腿部惯量, 有利于实现机器人的步态规划、稳定性控制及腿部的快速响应。2)身体:身体结构需要 具备轻量化和高强度的特点,确保在负载情况下能保持良好的运动性能;同时需要考虑机 器人的动力学平衡,以降低能耗;3)足部:足部需要有抓地力和适应性,对材料、形状、 刚度进行设计。
2)执行器:执行器是实现四足机器人动作和运动的关键部件,需要具备灵活性、承 载力和耐久性。具体的技术要求包括:1)高动态响应能力:响应速度快,以实现精确的 运动;2)高扭矩密度和高带宽,更能够实现运动和动作,提高效率,灵活调整;3)轻量 化材料设计;4)一定的峰值扭矩和持续扭矩;5)耐用性,能够长时间循环使用而不出现 性能下降;6)温度控制等。
四足机器人的核心部件为执行器,执行器主要由驱动器、无框电机、行星减速器等部 件构成。参考论文《A Low Cost Modular Actuator for Dynamic Robots》中 MIT 猎豹 四足机器人 QDD 的组成结构,半直驱驱动器的组成部分包括:控制器(包括直流电源、 CAN 总线等)、无框力矩电机(转子、定子)、行星减速器(包括太阳轮、行星架、行 星轮、行星滚针轴承、输出引脚)、轴承和前后盖等。
3)控制算法:控制算法是四足机器人智能化的关键。四足机器人的算法主要包括运 动控制算法、视觉算法和交互算法。通过视觉算法,四足机器狗可以实现自主导航、动态 避障、目标跟踪等功能;运动控制算法可以确保机器狗在运动过程中的稳定性和精度;交 互算法使得四足机器狗能够听懂人类指令,完成指定任务。 四足机器人的开源算法较多,其中,MIT 将四足机器人 Cheetah 将控制代码、硬件 电路图、仿真平台等开源。其控制框架包括三个模块:①底层控制器:采用 PD 控制用于 控制各个关节调节关节误差量;②状态估测:用于估测四足位姿;③上层规划:由 MPC、 动力学模型和 WBIC 组成最终给出关节的位置,速度与力矩期望。MPC 用于优化得出未 来一个预测时间步长的支撑足最佳足底接触力,摆动足的位置和身体的位姿。WBIC 用于 协调多任务的执行,使得在运动过程中四足能够在稳定的前提下完成各个跟踪任务。
4)传感器:传感器是四足机器狗感知环境的窗口,包括视觉传感器、力矩传感器、 激光雷达、惯性传感器等,辅助机器人实现自主导航、动态避障、目标跟踪等功能。针对 不同场景和功能的四足机器人,不同传感器可以搭配融合使用,从而达到预期的效果。
算法层面的突破、人工智能的赋能、硬件的成熟和成本的逐渐下降,使得四足机器人 的下游应用持续拓展。智联汽车、工业机器人的长期发展,以及近期人形机器人产业端的 大力投入,带动了四足机器人上游零部件(电机、减速器、激光雷达、深度相机、传感器、 芯片、IMU、电池等)、中游本体制造和具身智能大模型,模拟仿真等软件技术的突破。 在这一过程中,偏向行业应用的四足机器人取得了长足发展。除了制造业,能源、电力、 石化、特殊行业等领域将广泛出现机器人的应用。
2.4 政策大力支持,“机器人+行业”大势所趋
近年来,中央及全国各地先后发布机器人产业的相关政策,规范、鼓励着行业快速成 长,大大提高了各行业对于机器人的接受程度。 1) 中央层面: 2021 年 12 月,工信部等 15 部门印发《“十四五”机器人产业发展规划》,提出了 “到 2025 年,我国成为全球机器人技术创新策源地、高端制造集聚地和集成应用新高地” 的目标。 2022 年 7 月,由科技部等六部门发布的《关于加快场景创新以人工智能高水平应用 促进经济高质量发展的指导意见》中强调,围绕高端高效智能经济培育打造重大场景:制 造领域优先探索工业大脑、机器人协助制造、机器视觉工业检测、设备互联管理等智能场 景;物流领域优先探索机器人分流分拣、物料搬运、智能立体仓储以及追溯终端等智能场 景。 2023 年 1 月,工信部等 17 部门印发《“机器人+”应用行动实施方案》,指出“到 2025 年,制造业机器人密度较 2020 年实现翻番,服务机器人、特种机器人行业应用深 度和广度显著提升,聚焦 10 大应用重点领域,突破 100 种以上机器人创新应用技术及解 决方案,推广 200 个以上具有较高技术水平、创新应用模式和显著应用成效的机器人典型 应用场景”。“机器人+”应用指向特定领域服务+机器人,专用机器人或将大量涌现。该方案提到的 10 大应用重点领域除了制造业以外,还包括农业、建筑、能源、医疗健康、 养老服务、教育、商业社区服务、安全应急和极限环境应用等。
2)地方层面:2023 年深圳、上海、北京率先出台机器人产业支持政策,2024 年河 南、江苏、湖南、重庆等各省市纷纷出台机器人产业政策,推动当地的机器人技术研发、 产品开发和应用落地等。 2024 年 10 月,《重庆市“机器人+”应用行动计划(2024—2027 年)》提出,依 托机器人企业和研发平台,面向用户需求和机器人应用重点领域,重点开发重载智能工业 机器人、工业复合机器人、农业机器人等中高端机器人整机产品;2024 年 9 月,《湖南 省人工智能产业发展三年行动计划(2024-2026 年)》中强调,以大模型等人工智能技 术突破为引领,加快推动智能机器人产业创新发展。2024 年 6 月,《广东省关于人工智 能赋能千行百业的若干措施》提出,推进智能机器人创新发展。加快机器脑、机器肢、机 器体、通用产品等产品研发生产,推动人形机器人等具身智能机器人研制和应用。 产业政策将从供给侧和需求侧对行业带来积极影响。供给侧,从事各类形态的智能机 器人技术研发和产品开发的企业得到支持;需求侧,各行各业将加大对机器人的接受程度, 尝试进行机器人应用探索。这对机器人产品的推广应用和升级迭代有关键作用。
3. 全球化竞争,国内企业份额领先
3.1 玩家持续增加,市场规模快速扩容返回搜狐,查看更多