MEMSIMU或为人形机器人实现两足运动平衡的最佳方案

请务必阅读最后一页股票评级说明和免责声明1 行业研究/行业专题报告 2024年4月9日 MEMSIMU或为人形机器人实现两足运动平衡的最佳方案 领先大市-A(维持) 人形机器人系列报告（二） 机械 机械板块近一年市场表现 资料来源：最闻 首选股票评级 688582.SH芯动联科增持-A 相关报告： 【山证机械】AI超预期助力产业落地，核心零部件配套星辰大海-人形机器人系列报告一2024.3.12 【山证3C设备】【山证机械】3C设备产业链专题报告：掘金千亿级市场，折叠屏、钛合金兼具规模与高α属性2024.1.19 分析师：叶中正 执业登记编码：S0760522010001电话： 邮箱：yezhongzheng@sxzq.com徐风 执业登记编码：S0760519110003邮箱：xufeng@sxzq.com 研究助理： 投资要点： IMU是辅助人形机器人实现双足运动最为可行的解决方案。惯性传感器是人形机器人本体感觉传感器的重要组成部分，也是辅助人形机器人修正预定步行模式的重要方案，对于防止人形机器人跌倒以及产生动态稳定的步行运动有重要意义。相较于光学/机器视觉进行动作捕捉、被动外骨骼和手动引导等技术路线，惯性测量单元（IMU）能够有效规避障碍物遮挡问题和复杂运动的执行问题，是辅助人形机器人实现双足运动的解决方案中可行性最高的。 MEMSIMU或为人形机器人实现两足运动平衡的首选技术方案。基于类人化的设计考虑，人形机器人相比工业机器人重量更轻、体积更小、应用场景更广泛，其对减重降本有着更为明确的诉求；基于人形机器人产业化应用的最终诉求，参考市场竞争日趋激烈的汽车行业，我们认为人形机器人批量制造最终也会走向平台化、模组化，其对集成化的诉求预期也会提升。在此背景下MEMSIMU或为最佳的技术解决方案，原因是：①MEMS技术在低成本、小体积、易于批量化生产上有与生俱来的优势；②IMU产品形态具有尺寸小、功耗低、高集成化等优势。 MEMSIMU已在两足人形机器人技术方案中有较为广泛的应用，并承担导航、测量、稳控等功能。惯性感知能力对于人形机器人完成两足运动功能具有重要意义，并且大多数两足人形机器人厂商/研究机构明确采用了MEMSIMU技术方案，如本田、波士顿动力、PALRobotics、优必选、小米、傅利叶等。MEMSIMU可以承担两足人形机器人的导航、测量、稳控等功能。 人形机器人用MEMSIMU空间广阔，且国产替代空间较大。①惯性测量单元（IMU）在人形机器人领域有较大的应用空间，通过测算，我们预计到2035年全球及中国人形机器人用MEMSIMU市场规模将分别接近36、9亿美元。②从MEMS惯性传感器的市场格局来看，国际厂商如Honeywell、ADI、BOSCH等长期占据市场主要份额，相较国产厂商领先优势更加明确；从人形机器人的发展历程来看，国外研究机构及相关厂商在人形机器人的开发上较国内起步更早。按此推断，人形机器人用IMU此前应主要由国际厂商供应，预计人形机器人浪潮爆发会为国产替代创造更大机会。③AI大模型入局加速人形机器人产业化进程，国产厂商有望发挥高效、高性价比等优势从而加速国产替代。考虑到目前尚未有国产惯性传感厂商称已在人形机器人领域实现批量应用，建议关注在汽车自动驾驶领域进展更快的中游模组、下 冯瑞 邮箱：fengrui@sxzq.com 游系统厂商以及具有自主研发设计能力的上游器件厂商。 风险提示：人形机器人产业化不及预期的风险；人形机器人技术方案仍存在不确定性的风险；人形机器人下游应用拓展不及预期的风险；MEMS技术升级或迭代失败的风险。 目录 1.IMU是辅助人形机器人实现双足运动最为可行的解决方案6 2.MEMSIMU或为人形机器人实现两足运动平衡的首选技术方案9 2.1MEMS技术发展加速减重降本，为人形机器人惯性器件应用奠定基础9 2.2IMU高集成化等优势显著，有利于人形机器人批量应用及性能优化11 3.在现有两足人形机器人方案中，MEMSIMU已有较为广泛的应用14 4.人形机器人用MEMSIMU空间广阔，且国产替代空间较大18 4.1人形机器人用IMU空间广阔，全球及中国市场或将接近36、9亿美元18 4.2国际厂商在人形机器人用IMU上有领先优势，国产厂商有望加速替代21 4.2.1MEMS技术快速发展带来行业玩家数量显著增加，国产替代成为可能21 4.2.2当前MEMS惯性传感器仍被进口品牌垄断，国产替代空间较大23 4.3AI入局加速产业化进程，MEMSIMU及相关业务国内公司或将受益25 5.风险提示27 6.附录：惯性传感核心器件基本情况概述28 6.1陀螺仪：MEMS技术日趋成熟，预期将逐步替代激光/光纤陀螺28 6.2加速度计：MEMS领域最为成熟的器件之一，市场份额有望持续扩大31 6.3磁力计：MEMS技术进步背景下趋于小型化，应用场景进一步扩展33 6.4IMU：MEMSIMU性能持续提升，逐步渗透至光学IMU的优势领域36 图表目录 图1：MEMS和传感器发展推动人形机器人技术变革6 图2：基于ZMP的人形机器人行走示意7 图3：人形机器人运动学结构示意8 图4：全球MEMS惯性传感器市场结构（%）13 图5：中国MEMS惯性传感器市场结构（%）13 图6：霍尼韦尔MEMSIMU性能显著提升并逐渐对标光学IMU14 图7：陀螺仪技术演进路径28 图8：陀螺仪基本分类概述29 图9：陀螺仪应用情况概述29 图10：MEMS/集成光学微机械陀螺仪将逐步占据绝大部分市场30 图11：加速度计基本分类概述31 图12：微加速度计分类情况概述31 图13：各类型微加速度计原理及结构32 图14：MEMS加速度计将逐步占据机械摆式加速计现有市场份额33 图15：磁传感器主要技术路线34 图16：MEMS磁力计的主要分类36 图17：IMU产品构成示意36 图18：机械IMU、光学IMU、MEMSIMU产品示意37 表1：相较于工业用机器人，人形机器人重量更轻、体积更小、应用场景更广泛9 表2：MEMS技术在小型化、轻量化、易于批量化生产方面更具优势（以陀螺仪产品为例）11 表3：知名汽车品牌车型模块化平台/架构12 表4：两足人形机器人IMU/惯性器件应用情况15 表5：新能源汽车历史情况概述19 表6：人形机器人用MEMSIMU市场空间测算21 表7：全球主要玩家惯性传感产品布局22 表8：惯性传感器全球市场竞争格局24 表9：2022年惯性传感器中国前五大厂商及其市占率25 表10：2021年全球高性能MEMS惯性传感器市场竞争格局25 表11：MEMSIMU及相关A股上市/待上市公司概况26 表12：常见的磁力计/磁力仪产品类型概述35 1.IMU是辅助人形机器人实现双足运动最为可行的解决方案 为实现获取信息和进行物理工作的基本功能，人形机器人通常配备诸多传感器。人形机器人通常被定义为一种可以模仿人类的动作和外观的可编程机器，其主要功能是：①从周围环境中获取信息；②进行物理工作，如移动或操纵物体。经过多年的研究和发展，目前可用的人形机器人具有不同的尺寸、重量和高度，并且根据不同的应用人形机器人还具有情绪感知及表达、人类行为模拟、新事物学习等能力，而其功能实现是基于各类型的传感器及人工智能等技术。人类的感官系统包括视觉和听觉、动觉（运动、力和触摸）、味觉和嗅觉，这些感官系统将感知到的信号传递给大脑，大脑利用感觉信息建立自己的环境图像，并做出进一步行动的决定。与之类似，人形机器人也需要感知和处理信息并作为行动的依据，但受制于传感器现有技术条件有限且人形机器人整体解决方案还不够成熟，人形机器人要达到像人类一样高效准确地感知还有较大差距，但MEMS技术和传感器技术的发展正推动着人形机器人领域的变革。目前，人形机器人传感器主要有两大类：①本体感觉传感器，用于评估机器人机构的内部状态，如机器人关节中的位置、速度和扭矩传感器；②将关于机器人环境的信息传递给控制器的外部感受传感器，如力、触觉、接近和距离传感器以及机器人视觉等。 图1：MEMS和传感器发展推动人形机器人技术变革 资料来源：YoleIntelligence，SensorsforDrones&Robots，山西证券研究所 区别于其他类型机器人，人形机器人需要额外解决两足运动的平衡问题以及自由度非常高的问题，其中保持平衡是人形机器人完成任何任务的先决条件。在运动学、动力学、运动控制、轨迹规划和传感器设置等方面，开发人形机器人与开发工业机器人等其他类型相比并无二致；但人形机器人需要额外解决两足运动的平衡问题以及自由度非常高的问题，其中两足运动状态下保持平衡尤为重要。人形机器人保持平衡所涉及的一个关键概念是零力矩点（ZMP），该概念由MiomirVukobratovic于1968年提出，其定义是地面反作用力的垂直分量与地面相交的点。与人的行走类似，人形机器人在行走过程中会形成与地面接触的支撑面：①若单足落地，则支撑面为足底对应的区域；②若双足落地，则支撑面为连接双脚对应区域所形成的多边形。ZMP落在支撑面内是人形机器人行走的必要条件，单足支撑与双足支撑不断交替就产生了稳定的步行运动。在执行两足运动过程中，由于运动速度存在差异，人形机器人质心（COM）的投影往往会偏离零力矩点（ZMP）：①在人形机器人处于静止状态时，质心（COM）的投影与零力矩点（ZMP）重合；②缓慢运动状态下，质心（COM）的投影会落在支撑面内且非常接近零力矩点（ZMP）；③快速运动状态下，质心（COM）的投影可能会落在支撑面之外，其偏离零力矩点（ZMP）的幅度拉大。由于噪声等因素存在，在实践中很难构建精确的机器人模型来使双足步行可以通过简单地遵循预定的步行模式来实现，因而在人形机器人中加入稳定器 （如陀螺仪、加速度计、力传感器、相机等）来修正预定的步行模式对于防止人形机器人跌倒以及产生动态稳定的步行运动有重要意义。 图2：基于ZMP的人形机器人行走示意 资料来源：Robotics，山西证券研究所 IMU是辅助人形机器人实现双足运动的解决方案之一，并且也是可行性最高的方案。辅助人形机器人实现类人体双足运动的技术有很多种，按照不同的技术路线可大致分为三类：①使用光学/机器视觉进行动作捕捉，其基本原理是在模型中添加所有相关的关节角度，从而使人形机器人可复刻人体运动。该方案的优势在于可以准确估计人体在世界坐标系中的绝对位置和方向，劣势在于外部摄像头的性能容易受到障碍物遮挡的影响。②被动外骨骼和手动引导，其基本原理是通过人形机器人的关节角度传感器记录人类演示者的各项运动数据，从而使其复刻人体运动。该方案的虽可以快速将人体运动转化为机器人运动，但是在实际操作过程中需要按照人类演示者打造特定尺寸的被动外骨骼，并且人类演示者很难演示复杂的运动，这可能会导致人形机器人的动作与人类演示者存在较大差距。③惯性测量单元（IMU），其基本原理是利用加速度计、陀螺仪、磁力计等内置的传感器估计IMU的位置和方向，从而得到安装了IMU的各个身体部位的位置和方向。该方案的优势在于不需要外部摄像头来测量IMU的运动因而不会受到遮挡的影响，劣势在于内置的加速度计、陀螺仪等传感器本身存在漂移问题从而会损失部分精确性。通过比较三种解决方案可知，惯性测量单元（IMU）的可行性最高，该方案能够有效规避障碍物遮挡问题和复杂运动的执行问题，虽在精确性上有一定不足，但可以通过开发适当的滤波器来减少漂移、提高精确性。 图3：人形机器人运动学结构示意 资料来源：Robotics，山西证券研究所 2.MEMSIMU或为人形机器人实现两足运动平衡的首选技术方案 基于人形机器人减重、降本及批量化生产的诉求，MEMSIMU或为最佳的技术解决方案。在特斯拉Optimus人形机器人面世之前，人形机器人技术长期处于产业化发展前夕，一个核心的原因是单台造价成本高昂。根据新战略咨询的统计，在人形机器人领域布局较早的本田公司 （ASIMO人形机器人）、波士顿动力（Atlas人