看點(diǎn)：從仿生和機(jī)器視覺(jué)等技術(shù)原理出發(fā)，解讀柔性機(jī)器人在醫(yī)療和工業(yè)兩大場(chǎng)景的應(yīng)用。
近幾年來(lái)，機(jī)器人制造技術(shù)越來(lái)越成熟，工業(yè)、醫(yī)療等場(chǎng)景用例越來(lái)越多，商業(yè)化進(jìn)程加速。
Yole Development數(shù)據(jù)顯示，2015年到2021年，機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模將從270億美元增長(zhǎng)到460億美元，年均復(fù)合增長(zhǎng)率9.4%。而在所有類型的機(jī)器人中，應(yīng)用于國(guó)防、工業(yè)、消費(fèi)領(lǐng)域的機(jī)器人種類最多，相應(yīng)領(lǐng)域營(yíng)收占比也是最高的三項(xiàng)。
本期的智能內(nèi)參，我們推薦來(lái)自申萬(wàn)宏源的柔性機(jī)器人行業(yè)研究報(bào)告，從仿生和機(jī)器視覺(jué)等技術(shù)原理出發(fā)，解讀柔性機(jī)器人在醫(yī)療和工業(yè)兩大場(chǎng)景的應(yīng)用。
以下為智能內(nèi)參整理呈現(xiàn)的干貨：
國(guó)產(chǎn)機(jī)器人的兩大掣肘
我國(guó)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化起步較晚，與工業(yè)機(jī)器人“四大家族”（庫(kù)卡、ABB、安川、發(fā)那科）技術(shù)代差明顯 。
目前，“四大家族”在中國(guó)市場(chǎng)占有率總共達(dá)到八成以上，前三家在全球的機(jī)器人銷量都突破了 20 萬(wàn)臺(tái)，且在我國(guó)申請(qǐng)大量本土專利，工業(yè)機(jī)器人國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程緩慢。
▲工業(yè)機(jī)器人零部件核心技術(shù)企業(yè)分為上中下游
工業(yè)機(jī)器人核心零部件關(guān)鍵技術(shù)主要分為以下三類：控制器（控制技術(shù)），減速機(jī)，機(jī)器人專用伺服電機(jī)及其控制技術(shù)。
受限于無(wú)法掌握三大零部件核心技術(shù)，國(guó)內(nèi)的機(jī)器人的產(chǎn)品以下游系統(tǒng)集成為主，對(duì)應(yīng)的就是國(guó)內(nèi)過(guò)去兩年的服務(wù)機(jī)器人熱潮，毛利率低訂單分散 。核心零部件方面，目前國(guó)內(nèi)八成以上依賴進(jìn)口（且采購(gòu)的成本要比外企自用高三五倍以上），進(jìn)口替代空間巨大。
▲國(guó)內(nèi)437家工業(yè)機(jī)器人企業(yè)業(yè)務(wù)分類
▲訂單非標(biāo)準(zhǔn)化限制了ROE的提升
核心技術(shù)的缺失和訂單的非標(biāo)準(zhǔn)化導(dǎo)致了國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人企業(yè)的 ROE 難以提升。從發(fā)展的角度來(lái)看，國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)主要受兩大掣肘：
1、采購(gòu)方對(duì)精度的高要求，導(dǎo)致投入期昂貴且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。
以工業(yè)機(jī)器人最為主要的汽車業(yè)應(yīng)用為例：由于汽車工業(yè)對(duì)焊接的精度要求極高，采購(gòu)后出于穩(wěn)定生產(chǎn)的考量不會(huì)輕易更換生產(chǎn)線，新進(jìn)入者投入期花費(fèi)昂貴且研發(fā)時(shí)間漫長(zhǎng)。
2、需求分散，無(wú)法促成國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人規(guī)?；瘍?yōu)勢(shì)， 盈虧平衡點(diǎn)不斷提高。
國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人主要會(huì)集中使用到非汽車行業(yè)的新興領(lǐng)域，六軸工業(yè)機(jī)器人年出貨量2000~3000臺(tái)的公司已經(jīng)是目前國(guó)產(chǎn)自主品牌中出貨量較大的企業(yè)。但是，隨著外資、合資品牌工業(yè)機(jī)器人逐漸降價(jià)，國(guó)產(chǎn)自主品牌工業(yè)機(jī)器人的盈虧平衡點(diǎn)被不斷抬高。
▲生產(chǎn)無(wú)法規(guī)?；漠a(chǎn)業(yè)容易喪失研發(fā)投入的動(dòng)力
兩類柔性機(jī)器人原理
隨著仿生學(xué)和機(jī)器視覺(jué)的進(jìn)展，柔性機(jī)器人這一新興的彈性柔軟、多功能和生物激發(fā)的分支出現(xiàn)了。柔性機(jī)器人主要由易變形的物質(zhì)組成，如液體、凝膠和彈性體，與生物組織和器官的彈性和流變特性相匹配。
▲柔性機(jī)器人理論、制造及應(yīng)用市場(chǎng)示意
▲柔性機(jī)器人的特點(diǎn)
其中，模擬生物的柔性與靈活性創(chuàng)造的仿生柔性機(jī)器人偏向于醫(yī)療，另一類則是運(yùn)用機(jī)器視覺(jué)的六軸以上的工業(yè)級(jí)柔性機(jī)器人。
從原理來(lái)看，機(jī)器感知、機(jī)器行動(dòng)與人機(jī)交互是柔性機(jī)器人的三大組成部分 。
▲柔性機(jī)械三維結(jié)構(gòu)圖
基于仿生學(xué)的柔性機(jī)器人，因其設(shè)計(jì)初衷在于能在各種復(fù)雜環(huán)境中代替甚至做到人類所不能，它們需要與軟材料、生物或人工復(fù)制的生物功能進(jìn)行交互，因此機(jī)器感知層的材料，一般楊氏模量大于10^9 Pa（參考皮膚、肌肉等結(jié)締組織的楊氏模量為10^2 ~10^6 Pa）。
柔性機(jī)器人的操控是難點(diǎn)，機(jī)器行動(dòng)依靠的則是每一個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)處裝有的驅(qū)動(dòng)器（actuator）。目前應(yīng)用于柔性機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)類型，包括電活性聚合物、繩驅(qū)動(dòng)器、形狀記憶合金以及流體驅(qū)動(dòng)器等；控制方案更難，有待研發(fā)。
人機(jī)交互功能往往需要依靠深度學(xué)習(xí)和自然語(yǔ)言處理（NLP）完成，但不是所有柔性機(jī)器人都需要。
▲機(jī)器視覺(jué)機(jī)器人工作流程
而基于機(jī)器視覺(jué)的工業(yè)機(jī)器人，則多由圖像采集（即圖像攝取裝置，分CMOS和CCD兩種）、圖形處理、運(yùn)動(dòng)控制三大部分組成。
這類工業(yè)機(jī)器人的硬件一般包含：相機(jī)、光源、圖像采集卡，軟件則一般會(huì)安裝在PC端，或者集成在觸摸屏中。
一般的工作流程是首先選取被跟蹤物體的局部圖像，該步驟相當(dāng)于離線學(xué)習(xí)的過(guò)程，在圖像中建立坐標(biāo)系以及訓(xùn)練系統(tǒng)尋找跟蹤物。學(xué)習(xí)結(jié)束后，圖像卡不停地采集圖像，提取跟蹤特征，進(jìn)行數(shù)據(jù)識(shí)別和計(jì)算，通過(guò)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解得到機(jī)器人各關(guān)節(jié)位置給定值，最后控制高精度的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)整機(jī)器人的位姿。
▲不同類型機(jī)器人性能對(duì)比
柔性機(jī)器人具有一定的分布變形，在理論上可以具有無(wú)窮多的分支，也就導(dǎo)致了一個(gè)超冗余的配置空間：在這個(gè)空間中，機(jī)器人的尖端可以達(dá)到三維工作空間中的每一點(diǎn)，而機(jī)器人的形狀或配置是無(wú)限的。
由于柔性機(jī)器人更好的伸縮性，可以與障礙物保持一致。因此，它們可以攜帶柔軟而易碎的有效載荷而不會(huì)造成傷害；利用應(yīng)變變形，它們可以通過(guò)小于其名義尺寸的開(kāi)口進(jìn)行擠壓。
這使它們成為了適用于類人機(jī)器人的理想應(yīng)用：比如與人互動(dòng)而不造成傷害、服務(wù)和噴漆的工業(yè)機(jī)器人（需要高度的靈活性才能到達(dá)狹窄的空間）；醫(yī)療機(jī)器人，特別是用于外科手術(shù)的機(jī)器人，以及在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中操作的國(guó)防和救援機(jī)器人。
兩大應(yīng)用場(chǎng)景
醫(yī)療：估計(jì)空間75億
▲醫(yī)療機(jī)器人功能模塊圖
醫(yī)療機(jī)器人是指用于醫(yī)院、診所的醫(yī)療或輔助醫(yī)療的機(jī)器人，是柔性機(jī)器人最典型并且商業(yè)化的應(yīng)用。
根據(jù)功能，醫(yī)療機(jī)器人大致可以分為手術(shù)機(jī)器人、康復(fù)機(jī)器人、護(hù)理機(jī)器人、救援機(jī)器人和轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人。
▲達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人
其中，手術(shù)機(jī)器人在現(xiàn)階段已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化，且大規(guī)模用于臨床，如美國(guó)直覺(jué)外科公司（Intuitive Surgical）的達(dá)芬奇外科手術(shù)機(jī)器人（內(nèi)窺鏡手術(shù)器械控制系統(tǒng)）。實(shí)施手術(shù)時(shí)，主刀醫(yī)師不與病人直接接觸，通過(guò)三維視覺(jué)系統(tǒng)和動(dòng)作定標(biāo)系統(tǒng)操作控制，由機(jī)械臂以及手術(shù)器械模擬完成醫(yī)生的技術(shù)動(dòng)作和手術(shù)操作。
▲達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人與傳統(tǒng)手術(shù)方式的對(duì)比
達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人代表著當(dāng)今手術(shù)機(jī)器人最高水平，它有三個(gè)關(guān)鍵核心技術(shù)：可自由運(yùn)動(dòng)的手臂腕部 EndoWrist、3D 高清影像技術(shù)、主控臺(tái)的人機(jī)交互設(shè)計(jì)，這也分別對(duì)應(yīng)了柔性機(jī)器的機(jī)器感知、機(jī)器行動(dòng)和人機(jī)交互。
▲醫(yī)療機(jī)器人功能模塊圖
根據(jù)目前達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人的技術(shù)水平以及全球其他相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，申萬(wàn)宏源認(rèn)為未來(lái)手術(shù)機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展方向在于力觸覺(jué)反饋系統(tǒng)、導(dǎo)航定位系統(tǒng)和自然腔道機(jī)器人系統(tǒng)，原因如下：
1、力觸覺(jué)反饋系統(tǒng)：現(xiàn)階段應(yīng)用于腹腔鏡臨床手術(shù)的機(jī)器人大多采用視覺(jué)反饋系統(tǒng)，外科醫(yī)生在控制機(jī)械臂做手術(shù)時(shí)，需要通過(guò)分析視覺(jué)信息，實(shí)時(shí)判斷器械對(duì)組織的作用力以及其他組織特征，一定程度上影響手術(shù)效率。
2、導(dǎo)航定位系統(tǒng)：在手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)出現(xiàn)之前，醫(yī)生只能依靠?jī)?nèi)鏡進(jìn)行微創(chuàng)手術(shù)，或?qū)嵤╅_(kāi)放式手術(shù)。相比開(kāi)放性手術(shù)，微創(chuàng)手術(shù)有創(chuàng)傷小的優(yōu)勢(shì)；相比內(nèi)窺鏡介導(dǎo)下的微創(chuàng)手術(shù)，手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航下的微創(chuàng)手術(shù)有精度高、使用范圍廣的優(yōu)勢(shì)。
3、自然腔道機(jī)器人系統(tǒng)：是指通過(guò)自然孔口(口腔、肛門(mén)、陰道口、尿道口等) 進(jìn)入腹腔或胸腔進(jìn)行操作的一種外科手術(shù)。目前，有機(jī)構(gòu)在達(dá)芬奇手術(shù)系統(tǒng)上進(jìn)行NOTES動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，但臨床推廣極難。
根據(jù)Winter Green Research數(shù)據(jù)，2014 年全球手術(shù)機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到32億美元，預(yù)計(jì)在2021年達(dá)到200億美元，且市場(chǎng)重心將逐漸遷至亞洲。
根據(jù)直覺(jué)外科公司報(bào)告，在已獲得認(rèn)證資質(zhì)的國(guó)家中，全球每年有400萬(wàn)臺(tái)手術(shù)能夠使用達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人完成，相當(dāng)于2萬(wàn)臺(tái)設(shè)備需求，40億美元/年的材料服務(wù)市場(chǎng)。
▲我國(guó)手術(shù)機(jī)器人適應(yīng)癥規(guī)模測(cè)算
▲我國(guó)每年手術(shù)機(jī)器人服務(wù)市場(chǎng)規(guī)模測(cè)算75.35億元
根據(jù)手術(shù)機(jī)器人的適應(yīng)癥對(duì)每年市場(chǎng)規(guī)模進(jìn)行了測(cè)算，申萬(wàn)宏源認(rèn)為，手術(shù)機(jī)器人國(guó)內(nèi)潛在市場(chǎng)空間為136.73億元/年；考慮潛在購(gòu)買方需求數(shù)量以及適應(yīng)癥市場(chǎng)規(guī)模兩方面因素，中性估算國(guó)內(nèi)手術(shù)機(jī)器人規(guī)模75.35億元/每年。
工業(yè)：機(jī)器視覺(jué)助力國(guó)產(chǎn)逆襲
▲五軸和七軸機(jī)器人示意圖
業(yè)界將大于六軸的機(jī)器人均稱為柔性機(jī)器人（五軸是許多工業(yè)機(jī)器人的配置），軸數(shù)越大，機(jī)器人的靈活度越高。
七軸機(jī)器人，又稱為柔性（冗余）機(jī)器人，相比六軸機(jī)器人額外的軸允許機(jī)器人躲避某些特定的目標(biāo)，便于末端執(zhí)行器到達(dá)特定的位置，可以更加靈活的適應(yīng)某些特殊工作環(huán)境。
▲三代柔性機(jī)械手的性能比較
柔性機(jī)械手則是在自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中使用的一種具有抓取和移動(dòng)工件功能的自動(dòng)化裝置，它是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的一種新型裝置，已經(jīng)成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中一個(gè)重要組成部分。
▲2013-2015年全球機(jī)器視覺(jué)在各領(lǐng)域增速圖
以上為執(zhí)行層的分析，從感知和處理端來(lái)看，視覺(jué)工業(yè)機(jī)器人在原有工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)上，通過(guò)增加攝像頭、傳感器等機(jī)器感知部件，結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法進(jìn)行自身的判斷和操作，可適用于零售倉(cāng)庫(kù)等非結(jié)構(gòu)化場(chǎng)景。
我國(guó)在?？低暋缫?、商湯等機(jī)器視覺(jué)企業(yè)的帶領(lǐng)下，在機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域已處于世界領(lǐng)先地位，通過(guò)與工業(yè)機(jī)器人的結(jié)合，可大大提升產(chǎn)品附加值，改變國(guó)內(nèi)企業(yè)毛利率過(guò)低無(wú)產(chǎn)品定價(jià)權(quán)的現(xiàn)狀。
▲各國(guó)機(jī)器視覺(jué)機(jī)器人占總機(jī)器人比重
分析認(rèn)為，倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)化 、 物流無(wú)人化等非標(biāo)環(huán)境將成為更主要的應(yīng)用領(lǐng)域。IHS預(yù)測(cè)：全球倉(cāng)儲(chǔ)自動(dòng)化市場(chǎng)預(yù)計(jì)在現(xiàn)在至 2020 年之間將以 20-25％的年復(fù)合增長(zhǎng)率增長(zhǎng)；我國(guó)目前較低的機(jī)器視覺(jué)機(jī)器人比例也將在未來(lái)助推行業(yè)的高速發(fā)展，整體行業(yè)有望保持超過(guò) 30%的增長(zhǎng)。
▲機(jī)器人行業(yè)重點(diǎn)公司估值
智東西認(rèn)為，柔性機(jī)器人一方面源自傳統(tǒng)機(jī)器人靈活性的進(jìn)一步提升，一方面源自機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在機(jī)器感知、處理層面的突破。我國(guó)機(jī)器人總體技術(shù)與國(guó)外先進(jìn)水平相比較大（有分析認(rèn)為差距在十年以上），加上研發(fā)成本高、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，國(guó)內(nèi)廠商盈利能力較低，核心部件進(jìn)口依賴大。但隨著攝像頭、傳感器等機(jī)器感知部件，以及算法的發(fā)展，加上政策和市場(chǎng)環(huán)境的推動(dòng)，結(jié)合機(jī)器視覺(jué)的柔性機(jī)器人，將是改變國(guó)內(nèi)企業(yè)毛利率過(guò)低，無(wú)產(chǎn)品定價(jià)權(quán)現(xiàn)狀的機(jī)遇。
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