人形机器人产业发展研究报告（2024年）

人形机器人产业发展研究报告 (2024年) 中国信息通信研究院泰尔系统实验室 2024年12月 版权声明 本报告版权属于中国信息通信研究院，并受法律保护。 转载、摘编或利用其它方式使用本报告文字或者观点的，应注明“来源：中国信息通信研究院”。违反上述声明者，本院将追究其相关法律责任。 前言 人形机器人作为未来产业的重要赛道，是科技自立自强的标志型成果，是人工智能、机械工程、电子工程等领域融合创新的典范，也是实现新质生产力的最佳手段之一。人形机器人凭借其类人的感知交互能力、肢体结构和运动方式，能够快速融入为人类设计的各种环境，未来有望在简单重复劳动和危险场景中替代人类，在复杂技能场景中辅助人类，在商业和家庭场景中服务人类。可以预见，未来人形机器人的广泛应用将深刻改变社会形态和人们的生产生活方式，已成为全球科技领域的发展热点。业界普遍认为，人形机器人未来有望成为继个人电脑、智能手机、新能源汽车后的新终端，形成新的万亿级市场。 本报告从人形机器人内涵出发，深入分析人形机器人核心技术及重点产品的发展现状和演进路径、产业布局的重点方向、应用需求和市场预期等。同时，聚焦生产制造、社会服务、特种作业等方向，梳理典型应用场景，明确不同场景对人形机器人的共性需求和差异化需求。最后，研究提出了对未来人形机器人产业发展的路径考虑，助力推动我国人形机器人高质量发展。 目录 一、人形机器人的内涵和发展历程1 （一）人形机器人的内涵1 （二）人形机器人的分类2 （三）人形机器人发展历程4 二、人形机器人的技术演进6 （一）人形机器人技术高度集成，多角度实现对人模仿6 （二）人形机器人整机加速发展，创新产品不断涌现7 （三）“大脑”技术路线并行探索，具备初阶人类脑力9 （四）“小脑”加载人工智能技术，运动方式更加拟人13 （五）“肢体”多技术融合发展，技术路线逐步收敛16 三、人形机器人产业现状分析22 （一）人形机器人处于发展初期，未来市场规模巨大22 （二）人形机器人潜在应用丰富，全面覆盖生产生活24 （三）人形机器人产业链初步形成，正在持续优化发展31 （四）人形机器人是近年融资热点，受到各界资本青睐33 （五）人形机器人外溢效益明显，与多产业相互促进34 （六）安全伦理问题备受关注，需加强政策引导及规范预研35 四、人形机器人产业未来展望36 图目录 图1人形机器人的特点2 图2人形机器人的分类（按形态划分）3 图3人形机器人的分类（按功能划分）4 图4人形机器人发展阶段图6 图5人形机器人的组成7 图6人形机器人三大执行机构18 图7人形机器人五个发展等级22 图8人形机器人各等级主要应用场景和规模预期24 图9近4年全球人形机器人重点本体公司投融资情况34 图10人形机器人商业化落地的三个阶段36 一、人形机器人的内涵和发展历程 （一）人形机器人的内涵 人形机器人指模仿人类外观和行为，具备较高智能化水平的机器人，与传统工业机器人、服务机器人相比，最大的特点是其与人类相似的“肢体”结构、运动方式和感知方式，并在人工智能大模型的赋能下，从体能、技能、智能三方面，实现对人的模仿。人形机器人具有拟人智能、类人形态和广泛适用三个特点：一是拟人智能。一方面人形机器人可以通过人工智能大模型技术的赋能，实现拟人化的感知、决策、控制能力；另一方面，人形机器人还可以选择通过云“大脑”和智能联网的方式，突破“一个躯体、一个大脑”的限制，实现算力和智能的飞跃。二是类人形态。人的形态是生物进化自然选择的结果，目前社会中的所有城市基础设施、生产生活用的工具产品均为人类形态设计。人形机器人通过对人类形态的高度模拟，能快速融入到为人类设计的各类环境中执行复杂任务，具有更强的通用性和适应性。三是广泛适用。人形机器人具备比人类更强的耐受性和适应性，能够在非结构化环境中长期以低成本运行，有效解决未来劳动力短缺问题，将在工业生产、民生服务、特种作业等领域广泛应用，甚至在部分领域发挥更大优势。 来源：中国信息通信研究院 图1人形机器人的特点 对“人形”追求的本质是机器人通用性的问题，核心点是当前是否有必要通过外形的拟人设计赋予机器人等同人类的“通用能力”，是“一机多用”还是“专机专用”。从现阶段的发展情况看，人形机器人主要在工业场景试水，相比后期服务应用场景中的复杂工作，工业场景任务相对重复和单一，人形需求并不强烈。随着“大脑”的逐步完善，通用人形机器人将会是终极形态，但在此之前不同进化阶段及分支是必要条件，主体人形+定制化组件的类人形可能是商业化初步完成前的最优解。所以，从长远看，“人形”是机器人的理想形态；从现状看，完全的“人形”不是现阶段的唯一选择。 （二）人形机器人的分类 目前由于人形的开发难度大，企业为快速完成功能开发、实现应用落地，在人形机器人的研发过程中，采用了诸如反关节、轮式、轮腿结合式、两指/三指灵巧手等方式代替完全拟人的结构，并实现部分 拟人化功能。按形态划分，目前主流的人形机器人可以分成三个大类： 轮式人形机器人，主要采用轮式驱动，强调触觉传感器和灵巧手的操作功能。半身足式人形机器人，强调机器人的腿部运动能力，手部基本只用作平衡。全能型人形机器人，具备双足、双臂、双手及各类感知和人工智能功能，适应开放环境中的多任务。 来源：中国信息通信研究院 图2人形机器人的分类（按形态划分） 按具体应用场景和主要功能划分，可以分成以下几个类型：特种作业型人形机器人，用于执行巡逻巡检、灾害救援、危险作业等任务。工业型人形机器人，用于工业生产及物流领域，如货物搬运、生产制造等。医疗型人形机器人，协助医生进行手术、诊断、康复等任务。教育型人形机器人，作为教学辅助工具，提供互动式学习内容。娱乐型人形机器人，与人类互动，提供陪伴和娱乐功能。公共服务型人形机器人，在酒店、餐厅、商场等场所提供公共服务。家庭服务型人形机器人，用于家庭养老、育儿、家务等任务。通用型人形机器人，可用于工业、服务、教育、医疗等多个领域。 来源：中国信息通信研究院 图3人形机器人的分类（按功能划分） （三）人形机器人发展历程 目前，人形机器人的发展已经经历了萌芽探索阶段、集成发展阶段、高动态发展阶段、智能化发展阶段四个阶段。 1.萌芽探索阶段（20世纪60年代末至90年代） 这一时期以实现基本的双足行走功能为主要目标。以日本早稻田大学为代表，开发了一系列机器人，如WAP、WL、WABIAN和WABOT等。这一阶段的主要特点是基本实现双足行走功能和控制能力，初步具备了拟人化的结构，但整体上运动能力较弱。 2.集成发展阶段（本世纪初至2010年） 这一时期以感知和智能控制整合为主要特点，本田公司的ASIMO系列人形机器人代表了这一阶段的重大进展，通过感知和智能控制技术的整合，机器人具备了初步的感知系统，能够感知周围环境的基本信息，并根据感知输入做出简单判断并调整动作。ASIMO2000是其中的代表作，它不仅外观类人，还能预测未来动作 并主动调整重心，实现转弯时的流畅行走。 3.高动态发展阶段（2010年至2022年） 控制理论和技术的进步提升了机器人的认知能力，使其能够独立、稳定地执行复杂动作，且此阶段人形机器人已经具备了较强的运动能力。如本田的升级版ASIMO机器人采用电驱动的技术路线，并通过整合视觉和触觉物体识别技术，能够精确完成抓取物体和倒液体等精细任务。波士顿动力的ATLAS机器人采用液压驱动的技术路线，能够在具有挑战性的场景中保持平衡并实现高动态运动。 4.智能化发展阶段（2022年——） 在人工智能技术的赋能下，机器人具有了更加智能化的感知、交互和决策能力。同时，电驱动成为“肢体”主流技术路线，实现了更加精准的行走和操作，并提高了研发迭代速度。如特斯拉公司的Optimus机器人，基于人工智能技术和自研的FSD（FullSelf-Driving，全自动驾驶）芯片，通过端到端的神经网络模型实现任务级和动作级的决策，以及复杂环境中物体、人脸和手势等的识别。同时，通过其全身压力计算和实时反馈机制，使机器人的四肢运动更加灵敏，能够实现流畅和自然的动作。 历经多年发展及技术迭代，在巨大的潜在市场需求牵引以及人工智能技术深度赋能的带动下，人形机器人已进入技术集中突破和应用初步试水的关键发展阶段。 来源：中国信息通信研究院 图4人形机器人发展阶段图 二、人形机器人的技术演进 （一）人形机器人技术高度集成，多角度实现对人模仿 从技术角度来看，人形机器人主要由“大脑”、“小脑”和“肢体”三个部分组成。其中，“大脑”负责实现环境感知、行为控制、人机交互等任务级能力，目前主要是基于人工智能大模型技术，同时也可通过云边协同，提高机器人的智能水平。“小脑”负责控制人形机器人的运动，目前主要基于人工智能、自动控制、机器人操作系统（ROS，RobotOperatingSystem）等技术，实现复杂环境下的运动控制。“肢体”负责实现高动态、高爆发、高精度运动，集成了人体运动力学、机械结构设计、新材料、传感器等诸多技术，包括仿人机械臂、灵巧手、腿足等关键结构，并通过集成传感器和长续航动力单元，实现能源-结构-感知一体化。 图5人形机器人的组成 来源：中国信息通信研究院 （二）人形机器人整机加速发展，创新产品不断涌现 全球方面，目前美国特斯拉、FigureAI、波士顿动力已成为国外人形机器人整机产品第一梯队，其他1X、Digit等欧美产品为第二梯队。整体上看，其产品智能化水平和综合性能较高，特斯拉和亚马逊的产品已步入场景测试阶段。 特斯拉Optimus系列机器人。特斯拉公司于2022年10月正式发布Optimus第一代（Gen1），使用了与特斯拉电动车相同的FSD系统，具备强大的计算机视觉处理能力。OptimusGen1身高约173厘 米，重量约73公斤，采用全电驱动，具有行走、挥手和跳舞等功能。 在结构方面，OptimusGen1身体具有28个自由度，包括14个旋转 自由度和14个线性自由度。在此基础上，其灵巧手具有6个主动自由度和5个被动自由度。2023年12月，特斯拉发布了Optimus第二 代（Gen2），重量减轻到63公斤，颈部增加了2个自由度，步行速度提升了30%，平衡感和身体控制能力得到改善，能够完成非平坦地形下的行走，包括爬楼梯等复杂动作。精细操作方面，OptimusGen2的所有手指都配备了触觉传感器，能够轻松准确地抓取和放下鸡蛋，展示出精巧的双手操控能力。 波士顿动力Atlas系列机器人。波士顿动力公司于2013年发布的第一代Atlas人形机器人由外置电驱动液压动力系统提供动力，高183厘米，全身28个液压驱动关节，能够实现碎石路面下的稳定行走。2016年发布的配备了机载液压动力系统的Atlas机器人，能够实现雪地、山地行走，可在倒地后迅速起身，并具备双臂协同搬运重物的能力。后续，该系列机器人完成了立定跳跃、跳高、跳转身、后空翻、慢起手倒立、前滚翻、前空翻、原地180°空中转体、分腿跳、360°空中转体等一系列能力。2024年4月，波士顿动力宣布液压版Atlas退役，并推出了纯电驱的新款Atlas机器人，能够完成稳定的行走、起身和180°头部、腰部旋转等动作。 FigureAI公司系列人形机器人。2023年3月14日，FigureAI发布的人形机器人Figure01，利用OpenAI的大型语言模型，可以与人类进行正常的完整对话，并具备分类识别物品的能力，被认为是世界上第一个具有商业可行性的自主型人形机器人。2024年8月6日FigureAI发布的新一代产品Figure02，与上一代相比，FigureAI拥有16个自由度的第四代机械手，负载能力与人类水平相当，可以抓 取25公斤的物体，比上一代增加5公斤。同时，Figure02的机载计 算和AI推理能力提高了3倍，能够完全自主地在现实世界中执行任务。 相比之下，国内企业采用“整机集成、关键零部件自研”的路线，快速推进整机产品迭代，产业迅速发展，产品不断涌现。目前，已发布