
王繼宏
中國機電一體化技術應用協會常務副會長,教授級高工
人形機器人是具身智能的重要載體,融合機電、軟件算法、控制系統、新材料等高端技術于一體,代表了世界機電一體化技術的最高水平,是引領新一輪技術革命和產業變革的關鍵,具有顛覆性影響和戰略意義。 自2024年以來,中國人形機器人產業呈現出爆發式增長,產業規模不斷增長,從事人形機器人本體開發的企業超過150,占據全球人形機器人本體企業數量的半壁江山。這場由資本、技術、政策協同驅動的產業變革,正推動中國從 “機器人應用大國”向“機器人創新強國”邁進。
在看到我國人形機器人快速、爆發式增長的背后,也應該充分認識到人形機器人開發的技術難度、復雜性等挑戰。在人形機器人開發產業鏈上游環節的芯片、大模型、算法和零部件構成了技術突破的核心維度,其重要性和挑戰可從以下四個層面進行認識:
一、核心在芯片:硬件架構決定智能上限
芯片作為機器人的“大腦”與“小腦”,直接決定其計算能力、實時響應速度和能效比。例如,特斯拉Optimus采用自研Dojo芯片(7nm工藝,集成CPU/GPU/NPU),實現每秒數萬億次運算,支撐視覺處理與運動控制的實時協同。國內企業如黑芝麻智能推出華山®A2000芯片作為“大腦”平臺,通過異構計算架構支持多模態感知融合;武當®C1236芯片作為“小腦”,通過分時操作系統實現AI決策與運動控制的并行處理,系統時延降低40%。兆易創新的GD32 MCU系列則針對運動控制優化,其EtherCAT接口支持μs級通信,硬件電流環技術將電機控制精度提升至100ps,成為國內人形機器人關節控制器的主流選擇。
芯片的核心地位還體現在:
1. 算力需求指數級增長:雙足機器人每關節需獨立PID控制,配合視覺SLAM和力覺反饋,單臺設備算力需求達100TOPS以上,遠超工業機械臂的1TOPS水平。
2. 能效比嚴苛約束:電池容量限制下,芯片需在20W功耗內完成復雜任務。例如,宇樹科技H1機器人采用高通驍龍平臺,通過邊緣計算架構將續航延長至4小時。
3. 國產化替代加速:盡管特斯拉、波士頓動力依賴定制芯片,但國內地平線征程6、瑞芯微RK3588等產品已實現70%以上性能對標,成本降低30%。
二、難度在大模型:從認知到具身智能的跨越
大模型賦予機器人環境理解與任務規劃能力,但其落地需突破三大瓶頸:
1. 多模態實時推理:阿加犀與高通合作的端側大模型方案,在人形機器人“通天曉”上實現語音交互、視覺識別與運動控制的毫秒級聯動。但將GPT-4級模型壓縮至邊緣設備,需通過模型剪枝(參數量減少80%)和知識蒸餾(推理速度提升5倍)技術,這對算法團隊提出極高要求。
2. 具身智能適配:傳統大模型擅長文本生成,而機器人需解決“如何用手抓取雞蛋不破碎”等具身任務。阿里云在哈啰出行案例中采用RAG技術,將知識庫與大模型結合,使機器人能根據實時環境調整策略,但工業場景下仍需解決泛化能力不足問題。
3. 倫理與安全邊界:人形機器人需在動態環境中自主決策,如核電站巡檢時避開輻射區域。這要求大模型具備因果推理能力,而當前主流模型仍依賴相關性分析,存在決策風險。
國內企業正通過“大模型+小模型”的架構破局:主模型處理通用認知,輕量級模型(如MobileNet)專注實時控制。例如,優必選Walker S通過這種方式將響應延遲控制在200ms內,工廠作業效率提升30%。
三、挑戰在算法:動態平衡與精準控制的極限突破
算法是連接芯片與硬件的神經中樞,其難點集中在:
1. 雙足運動控制:宇樹科技H1機器人采用零力矩點(ZMP)算法優化步態,但在樓梯攀爬時仍需依賴慣性導航系統(INS)進行動態補償,導致能耗增加25%。
2. 靈巧手操作:武漢華威科的電子皮膚集成超千個壓力傳感器,配合神經網絡算法實現豆腐抓取,但力控精度(±0.1N)仍低于人類水平(±0.02N)。
3. 多機協作調度:深圳眾擎科技的四足機器人通過分布式算法實現群體協同救災,但通信時延超過50ms時會出現動作失序,需5G專網支持。
國內企業的創新路徑包括以下三個方面:
1. 數據驅動優化:銀河通用Galbot G1機器人采集超10萬小時運動數據,通過強化學習將摔倒概率從30%降至5%。
2. 仿生算法融合:逐際動力借鑒昆蟲運動模式,開發出能耗降低40%的蠕動式行走算法,已應用于災害救援機器人。
3. 開源生態構建:北京人形機器人創新中心發布OpenWalker開源框架,吸引超200家企業貢獻算法模塊,推動行業標準建立。
四、關鍵在零部件:從材料到工藝的全面攻堅
核心零部件占整機成本的60%-70%,其國產化進程直接決定產業競爭力:
1. 精密傳動:綠的諧波的諧波減速器精度達1arcmin,壽命突破1萬小時,已進入特斯拉供應鏈,但行星滾柱絲杠仍依賴英國Rolls-Royce,國內某品牌傳動的產品壽命僅為進口件的60%。
2. 傳感器:柯力傳感的六維力傳感器精度達0.1%FS,價格較基恩士同類產品低40%,但在-40℃環境下漂移率超過5%,限制了極地應用。
3. 伺服電機:禾川科技的無框力矩電機功率密度達5kW/kg,接近日本安川水平,但在過載150%時溫升比進口件高15℃,影響連續作業。
零部件產業鏈協同效應正在顯現:武漢構建“芯片-關節-傳感器”完整鏈條,本土配套率達80%;深圳實現“上午設計、下午打樣”的24小時研發閉環,將靈巧手開發周期從6個月縮短至45天。政策層面,工信部專項基金對國產化率超過50%的零部件企業給予15%研發補貼,預計2027年核心部件自給率將突破70%。
以上四個維度的突破呈現非線性依賴關系:芯片算力提升可緩解算法壓力(如Dojo芯片使Optimus運動控制算法復雜度降低30%),大模型泛化能力增強能降低對高精度傳感器的依賴(如阿加犀方案減少20%力覺傳感器使用),而零部件性能突破又能釋放芯片潛力(如華威科電子皮膚使主控芯片利用率提升40%)。當前行業正處于“單點突破-系統集成-生態重構”的關鍵轉折期,企業需在技術路線選擇(如仿人雙足vs輪式類人)、供應鏈管理(國產替代vs國際協作)和場景落地(工業優先vs消費先行)上做出戰略取舍。未來3-5年,具備“芯片-算法-硬件”全棧能力的企業將會主導市場,而單純依賴某一環節的企業則可能面臨被整合風險。
(注:文中涉及企業產品的技術參數均為根據公開資料整理、對比和分析,無不良引導)
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