编者按
当前，机器人产业蓬勃发展，正极大改变着人类生产和生活方式，湖州，正着眼战略需求和前沿先机，打造新兴产业链，浙大湖州研究院，在机器人领域有很强的科研实力，2023年12月主办了中国机器人行业年会。未来，我们如何把握时代浪潮，助推湖州市机器人产业发展，是个值得思考的问题，为此，编写组拟推出若干期机器人行业观察文章，以抛砖引玉、共话发展。
一、人形机器人赛道火热
人形机器人近来可谓炙手可热。知名机器人网站The Robot Report公布的2023年机器人年度10大热点话题中有6篇是关于人形机器人的。
人形机器人又称仿人机器人，是具有人的形态，能够完成人类肢体能完成的运动、作业，并具有类人的感知、学习和认知能力的机器人，其发展可以分为四个阶段。
一是初步行走阶段：1973年，日本早稻田大学加藤一郎团队开发了仿人机器人WABOT-1，其能实现双足行走，但动作缓慢；
二是能力突破阶段：2000年，本田公司推出Asimo，其可以用双脚实现较流畅的行走；
三是技术突破阶段：2013年，美国波士顿动力推出Atlas，其可以进行后空翻、倒立等高难度动作，但成本过高；
四是商业化阶段：2022年，特斯拉发布Optimus，其可以实现直立行走、搬运、洒水等复杂动作，并宣称单个成本将降至2万美元左右，将于近年实现量产上市，最终数量将达到百万级，自此全球人形机器人赛道被引燃，各大公司纷纷入场。
图1 2023人形机器人热点
有研究报告指出，当前全球人形机器人产业正值爆发前夜，2024年将可能是人形机器人商业化元年。2023年10月，我国工信部发布了《人形机器人创新发展指导意见》，指出“人形机器人集成人工智能、高端制造、新材料等先进技术，有望成为继计算机、智能手机、新能源汽车后的颠覆性产品，将深刻变革人类生产生活方式，重塑全球产业发展格局。”
为何人形机器人如此受关注？
人形是机器人的终极理想形态，在外形上与人最为相似，能完成的动作更多、更灵活，并且交互更具亲和性。其与传统工业/服务/特种机器人的最大不同在于其通用性，即不再根据预先规划完成特定任务，而是通过感知周边环境进行理解、学习并作出决策，且不再受限于单个场景，拥有真正意义上的具身智能。
为何是现在？
人形机器人之所以当前炙手可热，一是缘于近年来人工智能技术的飞速发展，包括语音识别、自然语言处理、图像识别、步态算法等方面的研究愈发成熟，大大提升了机器人的感知交互能力，而AI大模型的出现又使其能拥有更强的理解、学习和自主决策能力；二是在于硬件要素的提升，控制器、电机、精密减速器等部件性能提升让人形机器人有了从实验室走向市场的基础；三是在于配套产业的发展，全球机器人上下游产业链日趋完善，推动整机制造成本降低，这让人形机器人实现商业化变成可能。
二、国外人形机器人企业及产品盘点
1、人形机器人商业化赛道的领跑者——特斯拉，代表产品：Optimus、 Optimus2
特斯拉是人形机器人赛道的领跑者，也是全球电动汽车领军企业，其电动汽车制造与自动驾驶技术研发方面的积累为人形机器人研发提供了宝贵经验。
图2 特斯拉人形机器人概念机Tesla Bot
2021年8月，马斯克发布了特斯拉的人形机器人计划。仅一年后的2022年9月，Optimus（擎天柱）一代原型机就被推出，其身高173cm，重量约为73kg，集成2.3kWh电池，全身28个关节，整个身体的自由度超过200个，其中手掌通过6个执行器可完成11个自由度的动作，能举起超过20磅的物品。随后在经历3次迭代后，Optimus可完成流畅行走、物品抓取、物品分类、单脚站立、瑜伽表演等动作。马斯克表示，Optimus目标为代替人劳动，预计2025年至2027年量产，目标售价为2万美元左右，2024年将首先试用于特斯拉工厂。
图3 Optimus依照颜色分类物体 图4 Optimus做瑜伽动作
Optimus采用了与特斯拉车辆相同的自研芯片、视觉方案，软件复用特斯拉汽车 FSD（完全自动驾驶）系统，算力调用特斯拉超级计算机Dojo超算，并像特斯拉汽车一样通过量产与技术进步控制单体制造成本。从这方面看，马斯克很可能在较早时就开始了人形机器人布局。
2023年12月，马斯克发布了Optimus 2的视频，Optimus 2相比Optimus重量减少10kg，动作更轻盈，平衡感和身体协调性得到改进，行走速度提升30%，可完成深蹲动作，颈部有2个自由度，手部动作也更为灵活，所有手指布有触觉传感器，能轻松拿捏鸡蛋并实现左右手间传递以及叠衬衫等更精细化动作。
图5 Optimus2手指动作更加灵活 图6 Optimus2叠衬衫
2、多年技术沉淀造就动态性能最强——波士顿动力，代表产品：ATLAS
波士顿动力是一家老牌的机器人设计公司，于1992年由马克·雷伯特教授创立于麻省理工学院，其深耕机器人领域三十余年，是机器人技术引领者。
波士顿动力的主要产品为四足机器人和人形机器人，以液压驱动和电液混合驱动为主。2005年，波士顿动力与美国国防高等研究计划署合作，推出四足机器人Big Dog，掀起了四足机器人的研究热潮，并在其后推出了LS3、Wild Cat、Spot等产品。在人形机器人领域，波士顿动力于2009年推出双足机器人Petman，主要用于检验美军防护服性能和军事设备，2013年发布人形机器人Atlas，其优越的动态性能在当时掀起轰动。
Atlas被称为最强动态性能人形机器人，其高1.5米，重约80千克，自由度28个，采用液压驱动，配备RGB相机和深度传感器。Atlas膝关节扭矩高达890N·m，髋关节扭矩达840N·m，步行速度达1.5m/s，拥有卓越的机动性，多次在演示中展现出近乎或超乎人类的运动与平衡能力。2021年发布的Atlas跑酷视频中，Atlas可以顺利完成跃平衡木、过斜坡、连续后空翻等动作。2023年1月，波士顿动力发布的Atlas人形机器人视频中，Atlas在工地给人类当助手，完成搭桥、爬楼、飞身旋转、向人类扔工具包、前空翻等灵敏动作。
图7 Atlas表演后空翻 图8 Atlas跑酷中的路径规划
图9 Atlas表演前空翻 图10 Atlas向人类扔工具包
尽管波士顿动力在技术上处于领先水平，但商业化道路却进展缓慢，公司于近年先后被谷歌、日本软银与韩国现代汽车集团收购。Atlas售价过高，单台价值约200万美元，目前更多作为研发平台，暂未公布商业化计划。
3、与宝马达成合作的新起之秀——Figure，代表产品：Figure 01
Figure是一家AI机器人公司，成立于2022年，专注于设计自动通用人形机器人，成立至今共获得两轮共7900万美元融资。
Figure宣言“要做世界上第一个商业上可行的通用人形机器人”， 创始人Brett Adcock指出，Figure与其他机器人公司如波士顿动力和亚马逊机器人的不同之处在于，Figure开发的机器人能够处理通用任务，并最终实现机器人对环境的学习和互动。
2023年10月，Figure正式推出该公司首款人形机器人Figure 01，对标特斯拉Optimus。Figure 01采用电驱动，身高167cm，重60kg，设计承载20kg，步速1.5m/s，续航达5小时，具有稳步行走、自主捡物品、搬运物品和自主导航的能力。
图11 Figure 01 示意图及相关参数
图12 Figure 01 展示行走能力
2024年1月，Figure 01一段煮咖啡的视频引起了各界关注。视频中，Figure 01只用了10个小时进行端到端训练，便自主完成打开机器盖、放入咖啡、启动机器的全过程。Figure 01还具备自主纠错的能力，如果咖啡包没有放在正确位置，它可以自行调整并继续完成任务。
图13 Figure 01 泡咖啡
目前Figure已与宝马达成合作。在2024年1月，Figure与汽车制造商宝马签署了一项合作协议，将在宝马位于美国南卡罗来纳州的斯帕坦堡工厂部署人形机器人。初期，Figure 01将专注于五项特定的薄板金属处理任务，经少量测试后若达到性能目标，就将扩大应用规模。
4、仓储物流领域着重发力——Agility Robotics，代表产品：Digit
Agility Robotics是美国俄勒冈州立大学工程学院孵化的机器人公司，成立于2015年，在2020年被福特公司收购。公司于2017年推出第一个双足机器人Cassie，随后于2020年推出更像人类的Digit。Digit身高约1.75m，重65kg，最多可承载16kg，可以行走、跑步、爬楼梯、感知环境和手动搬运物品。
2023年3月，Agility推出新版Digit人形机器人，主要用于物流领域。该版Digit机器人身高175厘米，体重小于65kg，最多可承载16kg，采用可充电锂电池供电，续航能力达16小时。相比旧版，新版Digit增加了头部和手部，头部可以提供人机交互，手部呈小爪状，可以在保持平衡状态下搬运和装卸货物。根据Agility官网描述，新版Digit专为物流应用设计，目前主要用于搬运仓库的手提袋、包裹，未来还计划应用于货物卸载、配送等工作场景。
同时，Agility Robotics从2022年开始建造世界上首家人形机器人制造工厂。工厂位于美国俄勒冈州塞勒姆，占地7万平方英尺，据悉，该工厂每年可生产1万多台Digit，预计将于2024年开始向客户供货，2025年全面上市。
Agility Robotics 和亚马逊、福特等多公司有深入合作。2019年5月，Agility Robotics 与福特汽车公司宣布建立合作伙伴关系，开发“最后一英里”无人物流解决方案；2023年10月，Digit人形机器人与亚马逊合作，主要用于帮助亚马逊仓库员工拾取和移动空手提箱，目前已在亚马逊工厂进行应用测试。
图14 Digit 外形示意图
图15 Digit关节展示 / Digit搬运物料
5、获OpenAI青睐的技术集成者——1X Technologies，代表产品：NEO、EVE
1X Technologies成立于2014年，是一家位于挪威的专注于开发具有高度灵活性和可扩展性的人形机器人制造商，其主要有两款人形机器人产品：EVE和NEO。
EVE 是1X的旗舰产品，已达成商业化，用于安保。2020年，1X发布了EVE轮式人形机器人，身高186厘米，体重86千克，最高时速为14.4公里每小时，拥有15千克承载及6小时的续航能力。EVE配备摄像头和传感器，可以感知周围环境并与之互动。EVE的移动性、灵巧性和平衡性使其能够驾驭复杂的环境并有效地操纵物体，主要应用于物流、零售和守卫巡逻领域。2022 年，1X首次达成商业合作，签署了至少 140 台EVE机器人的分销合同，为美国商业场所提供安保服务；而在公司网站上显示，其还为医院等机构提供了约250 EVE台机器人，用于商业建筑的夜间警卫。
NEO为公司新一代产品，还在研发中，特点为轻量化和无齿轮设计。根据1X官网，NEO身高167厘米，体重30千克，步行速度为4公里每小时，跑步速度为12公里每小时，拥有20kg的承载能力及2-4小时的续航能力。NEO将采用“无齿轮”设计理念，采用自研的无齿轮电机，大大降低整机重量，提高敏捷性。作为通用人形机器人，NEO可以处理物流、制造、操作机械等工业任务，同时提供清洁、整理家务以及日常陪伴等生活服务。
图16 EVE 图17 NEO
图18 EVE应用于商场 图19 EVE搬运物料
1X 获OpenAI融资支持，达成合作推动双向赋能。2023年3月，1X 获得了一轮由OpenAI创业基金领投的2350万美元融资，成为了OpenAI投资的第一家硬件公司。同时，双方将在AI技术与机器人双向融合方面达成合作，一方面，1X的机器人为OpenAI的AI系统提供了绝佳的物理测试环境，从而增强其泛化能力和鲁棒性；另一方面，OpenAI的技术将全面提升机器人的智能程度，通过大模型的应用，有望创造出真正的“RobotGPT”，使1X机器人的学习理解能力更上一个台阶。
6、目标是太空探索——Apptronik，代表产品：Apollo
Apptronik于2016年成立，前身为美国得克萨斯大学奥斯丁分校的实验室，在近十年构建了超过10种独特的机器人。
Apptronik于2023年8月公布了人形机器人 Apollo。Apollo高1.7米，重72.6 kg，负载25kg，采用电机驱动，可以在室内或室外不受束缚的情况下工作22个小时。Apollo的特点在于多部件模块化设计，如腿部可更换为固定桩，以此适应不同场合的工作需要；电池支持热插拔设计，以方便人形机器人续航。预计2025年实现商业化，拟售价不高于5万美元。
Apollo 的短期目标是辅助物流领域，在演示视频中也展现出了其具有拿起、搬运、放下物体的能力。而作为与NASA深度合作的机器人公司，Apptronik 的长期目标是将 Apollo 用于太空探索，进行探测、太空作业等复杂任务，但目前来看还有较长的路要走。
图20 Apollo的模块化设计 图21 Apollo在仓库中搬运货物
表1 国外人形机器人知名企业产品盘点
三、国内人形机器人企业及产品盘点
1、国内人形机器人第一股——优必选，主要产品：Walker系列
优必选科技成立于2012年3月，总部位于深圳，从伺服舵机研发起步，逐步推出了消费级人形机器人、教育智能编程机器人、商用服务机器人、智能巡检机器人等产品。2023年12月29日，优必选在香港交易所主板挂牌上市，成为中国“人形机器人第一股”。
优必选是国内最早开始研究人形机器人的企业之一，于2016年开始研发人形机器人Walker系列，2018年成功推出第一代大型双足仿人服务机器人Walker，成为中国首家实现人形机器人商业化的企业。
随后，该产品经历了几次重要的技术迭代，在2019年推出第二代Walker，并在春节晚会上进行了表演。2021年推出了Walker X，该机器人身高130cm，体重63kg，拥有41个高性能伺服关节构成的灵巧四肢，并搭载了多维力觉、多目立体视觉、全向听觉和惯性、测距等全方位的感知系统，行走速度提升到3km/h。拥有复杂地形自适应平稳快速行走、动态足腿控制自平衡抗干扰、自主操作家电、全身柔顺控制、U-SLAM视觉导航、多模态情感交互、智能家居控制6大特性。
优必选伺服驱动器技术领先。优必选成功开发了机器人操作系统应用框架（ROSA），是全球少数完成小扭矩到大扭矩（扭矩从0.2N·m到200N·m）伺服驱动器批量生产的公司之一。
图22 Walker X示意图及参数
图23 Walker X上楼梯 图24 Walker X感知环境避障
2、会打乒乓球的人形机器人——浙江大学控制科学与工程学院，代表产品：悟空系列
浙江大学自2006年起开始研制人形机器人，突破了自适应精确建模、动态平衡控制、全身协调控制、智能感知决策等核心技术，先后完成四代“悟空”系列人形机器人系统研制。
2016年仿人机器人“悟空”1.0的亮相引起瞩目，在国际上形成了较大影响。“悟空”1.0身高1.6米，体重55kg，身躯采用了高强度轻质材料和加工工艺，全身有30个关节，手臂为7个自由度。“悟空”最大的亮点在于其优秀的运动性能，可以进行人-机、机-机对打乒乓球。通过头上安装的摄像头以每秒120幅图像的速度捕捉乒乓球在空中的运动轨迹，精准地预测球的落点，误差不到2.5厘米；然后做出相应的反应动作，而且还可以与人对打，整个反应时间在50－100毫秒之间。
在之后经过多次迭代，2023年，悟空“4.0”在世界机器人大会现场登场。新款悟空身高140cm,体重46kg，全身自由度27个。通过融合腿足运动技术与环境感知技术，实现了机器人的三维环境地图构建和自主动态导航。运动能力相比1代更为出色，最快运动速度超过6km/h，跳高0.5m，可上下25度斜坡和10cm台阶，可轻松跨越障碍，可适应室外路面、草丛、泥地等多种地形。在钢管路面和外部推力干扰等未知扰动下，可快速恢复平衡并保持稳定行走。
目前，浙江大学研制的人形机器人正朝着实用化应用方向不断迭代和改进。
图25 悟空打乒乓球
图26 悟空亮相世界机器人大会
图27 悟空4.0示意图
3、从医疗康复机器人到通用人形机器人——傅里叶智能，代表产品：GR-1
傅利叶智能成立于15年，总部位于上海张江机器人谷，是国内康复医疗机器人领域的领军企业，迄今为止已经成功推出了30多个系列产品，并服务于全球2000多家医疗机构。
傅里叶智能早期专注于医疗康复外骨骼机器人，并实现了规模化应用，同时将其在医疗康复机器人取得的商业成果与技术积累转向通用人形机器人。公司在2019年启动通用人形机器人项目，2023年7月发布首款通用双足机器人产品GR-1，并于9月开启预售，商业化进展快速。
GR-1身高165cm，体重55kg，全身自由度54个，采用一体化自研关节模组作为执行器，以及直腿行走方案，模拟人类直膝行走的自然步态，其步速可达5km/h，具备快速行走、敏捷避障、稳健上下坡、抗冲击干扰等功能，预计将应用于在工业、康复、居家、科研等多种应用场景。
图28 GR-1全身图
图29 GR-1步态行走
图30 GR-1抗冲击测试
4、国内首个能跑的人形机器人——宇树科技，代表产品：H1
宇树科技总部位于杭州，成立于2016年，是国内四足机器人领域的领先企业。有Laiakgo、Aliengo、A1、Go1、B1、H1等多款机器人产品，累积销量数千台。
2023年8月，宇树科技发布首款人形机器人H1，引起了广泛关注。H1采用轻量化设计，高180cm，重量仅有47kg，全身19个自由度，配有3D激光雷达和深度相机，具有360°全景感知能力，能实现自主避障。
为适配大负载、高密度、大功率的需要，宇树科技为H1设计了大扭矩密度M107关节电机，应用在H1的两个膝关节上，峰值扭矩达到360N·m，而髋关节电机扭矩则为220N·m，踝关节为45N·m，手臂关节则为75N·m。据称，目前H1关节单元中核心零部件包括伺服电机、减速器、控制器均为宇树自研自产。
H1的运动能力十分优秀，行走速度达1.5m/s，而潜在运动能力可以达5m/s，在速度、力量、机动灵活性等方面具备全球近似规格最高的动力性能，是国内首个能跑的人形机器人。
根据宇树展示的视频显示，H1的运动控制稳定，抗冲击能力较强，在受到外部冲击后，能够快速调整姿态，并保持身体平衡。
目前H1 的手部还在开发中，整机预计3-5年内上市，应用于商用服务及科研教育。
图31 H1
图32 H1自平衡能力优秀
5、主打服务于人——小米科技，代表产品：CyberOne
小米科技以智能手机和智能家居闻名，在2021年推出四足机器人Cyberdog后，又于2022年8月发布了全尺寸人形仿生机器人CyberOne（铁大）。
CyberOne身高177cm，体重为52kg，全身有5种关节驱动，共21个自由度，动力峰值扭矩高达300N·m，上肢有小米自研的30N·m扭矩电机，电机重量仅为500g，动作灵活，可单手抓握1.5kg的物体。下肢配合自研的人形双足控制算法，行走速度达3.6km/h。
CyberOne的特点在于人机交互。通过自研的Mi-Sense深度视觉模组，可以对人脸、肢体动作等外界环境进行感知，在8米范围内进行三维重建，并通过自然语言处理算法感知6类45种人类语义情绪，分辨85种环境语义，使得其在与人交流时更为自然。脸部采用面罩设计，外层半透明材质，内层为OLED与柔光特效，搭配2D弯曲贴合显示模组，可实时表达机器人情绪。因此，其应用场景也更偏向于生活服务。
图33 CyberOne
图34 CyberOne在发布会上与雷军互动
6、精英汇集的赛道新星——智元机器人，代表产品：远征A1
智元机器人成立于2023年2月，创始团队包括华为“天才少年”稚晖君、彭志辉等业界资深人士，拥有较强的技术背景和产业资源。
创立仅仅半年，智元机器人就于2023年8月发布了人形机器人远征A1，A1身高175cm，体重55kg，全身49+个自由度，步行速度可达7km/h，整机承重80kg，单臂最大负载5kg。膝盖采用反关节设计，膝盖向后弯曲可以拥有更大的空间，以应对更多的任务场景。
A1上搭载的PowerFlow关节电机为自研开发，使用了准直驱关节方案，实现了低齿槽转矩设计，搭配10速比以内的高力矩透明度行星减速器、共扼同轴双编码器、一体液冷循环散热系统以及自研的矢量控制驱动器，峰值扭矩超过350N·M，而重量仅为1.6kg。搭载RGBD相机、激光雷达，IMU以及麦克风阵列。灵巧手指尖集成了基于视觉的指间传感器，可以分辨被操做物体的颜色、形状甚至材质，并且基于算法可以实现近似压力传感器的效果。同时远征A1搭载了TeraFlops的高算力芯片，具备多模态感知、少样本学习、任务闭环等能力。
远征A1预计将于24年实现商业化落地，售价将控制在20万元以内，将首先应用于3C制造，汽车制造等领域，随后逐步走向家庭，协助工人、科研人员和家庭成员完成各种任务。
图35 A1的步态行走
图36 A1的实际工作场景演示
6、国内人形机器人商业化的先行者——开普勒，代表产品：先行者系列
开普勒机器人公司总部位于上海，成立于2023年8月，专注于通用人形机器人的研发、生产及应用生态构建。公司主要技术团队在2020年就开始了人形机器人的研究与开发，并经历了3代的原型机迭代。
在公司成立的同年11月，开普勒推出了第四代机器人产品——先行者系列通用人形机器人，分为先行者K1、S1、D1三个型号，在人形机器人赛道正式出场。
先行者机系列身高178cm，体重85kg，全身共40个关节自由度，其中灵巧手共有12个自由度。K1是标准款机器人，适用于教育科研、自动化生产线、智能搬运等；S1适用于复杂环境巡检、应急救援、户外安全作业等，主要用于户外巡检；D1主要面向危险环境检测、安全隐患排查等高危环境作业。
开普勒的人形机器人国产化率很高，除了机器人主板等少数零部件采用国外厂商供应外，其余均为自研且已经实现国产化。
先行者系列预计在2024年下半年实现量产落实，预估对外售价2-3万美金之间，和特斯拉擎天柱的价格相当。
除了机器人，开普勒的另一大业务板块在开发者平台Kepler OS。不同于特斯拉的平台封闭策略，Kepler OS允许使用者进行系统集成或二次开发，平台采用模块化设计，提供丰富的示例项目和开发文档，并支持多机协同，提供强大的在线开发和调试功能。
图37 先行者系列
表2 国内人形机器人知名企业产品盘点
四、结语
总体来看，国内外人形机器人商业化尚处于初期，但多数产品在研发设计之初就充分考虑了与应用单位的合作、成本控制的路径等，为汽车制造、仓储物流等领域的率先商业化批量应用积累条件，国外头部企业在这方面的表现更为明显。在技术积累与产品性能方面，国内企业与国外企业相比有一定差距，但从公布的技术参数来看，差距并非短期内不可逾越，应用为王、成本为王，技术、应用与成本三者相互交织，国内企业自有优势。
人形机器人是机器人的终极理想形态，除了用于生产外，很可能像计算机、汽车、智能手机一样走入千家万户，以此极大改变人类的生活方式；开拓性公司是推动社会发展的重要力量，随着特斯拉人形机器人与AI大模型的快速发展以及众多公司百舸争流局面的形成，相信这一前景终将呈现。同样，考虑到人形机器人市场巨大，以及当前产业处于发展初期、百舸争流局面刚刚起势，故谁主沉浮远未定论，有志者事竟成，未来人形机器人产业很可能出现头牌引领、百花齐放的局面，让我们拭目以待。
