國產機器人逆襲！柔性機器人殺進醫療工業兩大市場

04-19

近幾年來，機器人製造技術越來越成熟，工業、醫療等場景用例越來越多，商業化進程加速。

Yole Development數據顯示，2015年到2021年，機器人市場規模將從270億美元增長到460億美元，年均複合增長率9.4%。而在所有類型的機器人中，應用於國防、工業、消費領域的機器人種類最多，相應領域營收佔比也是最高的三項。

本期的智能內參，我們推薦來自申萬宏源的柔性機器人行業研究報告，從仿生和機器視覺等技術原理出發，解讀柔性機器人在醫療和工業兩大場景的應用。如果想收藏本文的報告全文（申萬宏源-柔性機器人行業報告：機器感知助彎道超車），可以在智東西公眾號回復關鍵詞「nc237」下載。

以下為智能內參整理呈現的乾貨：

一、國產機器人的兩大掣肘

我國工業機器人產業化起步較晚，與工業機器人「四大家族」（庫卡、ABB、安川、發那科）技術代差明顯。

目前，「四大家族」在中國市場佔有率總共達到八成以上，前三家在全球的機器人銷量都突破了 20 萬台，且在我國申請大量本土專利，工業機器人國產化進程緩慢。

▲工業機器人零部件核心技術企業分為上中下游

工業機器人核心零部件關鍵技術主要分為以下三類：控制器（控制技術），減速機，機器人專用伺服電機及其控制技術。

受限於無法掌握三大零部件核心技術，國內的機器人的產品以下游系統集成為主，對應的就是國內過去兩年的服務機器人熱潮，毛利率低訂單分散。核心零部件方面，目前國內八成以上依賴進口（且採購的成本要比外企自用高三五倍以上），進口替代空間巨大。

▲國內437家工業機器人企業業務分類

▲訂單非標準化限制了ROE的提升

核心技術的缺失和訂單的非標準化導致了國內傳統工業機器人企業的 ROE 難以提升。從發展的角度來看，國內工業機器人產業主要受兩大掣肘：

1、採購方對精度的高要求，導致投入期昂貴且持續時間長。

以工業機器人最為主要的汽車業應用為例：由於汽車工業對焊接的精度要求極高，採購後出於穩定生產的考量不會輕易更換生產線，新進入者投入期花費昂貴且研發時間漫長。

2、需求分散，無法促成國內工業機器人規模化優勢，盈虧平衡點不斷提高。

國產工業機器人主要會集中使用到非汽車行業的新興領域，六軸工業機器人年出貨量2000~3000台的公司已經是目前國產自主品牌中出貨量較大的企業。但是，隨著外資、合資品牌工業機器人逐漸降價，國產自主品牌工業機器人的盈虧平衡點被不斷抬高。

▲生產無法規模化的產業容易喪失研發投入的動力

二、兩類柔性機器人原理

隨著仿生學和機器視覺的進展，柔性機器人這一新興的彈性柔軟、多功能和生物激發的分支出現了。柔性機器人主要由易變形的物質組成，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。

▲柔性機器人理論、製造及應用市場示意

▲柔性機器人的特點

其中，模擬生物的柔性與靈活性創造的仿生柔性機器人偏向於醫療，另一類則是運用機器視覺的六軸以上的工業級柔性機器人。

從原理來看，機器感知、機器行動與人機交互是柔性機器人的三大組成部分。

▲柔性機械三維結構圖

基於仿生學的柔性機器人，因其設計初衷在於能在各種複雜環境中代替甚至做到人類所不能，它們需要與軟材料、生物或人工複製的生物功能進行交互，因此機器感知層的材料，一般楊氏模量大於10^9 Pa（參考皮膚、肌肉等結締組織的楊氏模量為10^2 ~10^6 Pa）。

柔性機器人的操控是難點，機器行動依靠的則是每一個活動關節處裝有的驅動器（actuator）。目前應用於柔性機器人的執行機構類型，包括電活性聚合物、繩驅動器、形狀記憶合金以及流體驅動器等；控制方案更難，有待研發。

人機交互功能往往需要依靠深度學習和自然語言處理（NLP）完成，但不是所有柔性機器人都需要。

▲機器視覺機器人工作流程

而基於機器視覺的工業機器人，則多由圖像採集（即圖像攝取裝置，分CMOS和CCD兩種）、圖形處理、運動控制三大部分組成。

這類工業機器人的硬體一般包含：相機、光源、圖像採集卡，軟體則一般會安裝在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，該步驟相當於離線學習的過程，在圖像中建立坐標系以及訓練系統尋找跟蹤物。學習結束後，圖像卡不停地採集圖像，提取跟蹤特徵，進行數據識別和計算，通過逆運動學求解得到機器人各關節位置給定值，最後控制高精度的末端執行機構，調整機器人的位姿。

▲不同類型機器人性能對比

柔性機器人具有一定的分布變形，在理論上可以具有無窮多的分支，也就導致了一個超冗餘的配置空間：在這個空間中，機器人的尖端可以達到三維工作空間中的每一點，而機器人的形狀或配置是無限的。

由於柔性機器人更好的伸縮性，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造成傷害；利用應變變形，它們可以通過小於其名義尺寸的開口進行擠壓。

這使它們成為了適用於類人機器人的理想應用：比如與人互動而不造成傷害、服務和噴漆的工業機器人（需要高度的靈活性才能到達狹窄的空間）；醫療機器人，特別是用於外科手術的機器人，以及在非結構化環境中操作的國防和救援機器人。

三、兩大應用場景

醫療：估計空間75億

▲醫療機器人功能模塊圖

醫療機器人是指用於醫院、診所的醫療或輔助醫療的機器人，是柔性機器人最典型並且商業化的應用。

根據功能，醫療機器人大致可以分為手術機器人、康復機器人、護理機器人、救援機器人和轉運機器人。

▲達芬奇手術機器人

其中，手術機器人在現階段已經實現產業化和商業化，且大規模用於臨床，如美國直覺外科公司（Intuitive Surgical）的達芬奇外科手術機器人（內窺鏡手術器械控制系統）。實施手術時，主刀醫師不與病人直接接觸，通過三維視覺系統和動作定標系統操作控制，由機械臂以及手術器械模擬完成醫生的技術動作和手術操作。

▲達芬奇手術機器人與傳統手術方式的對比

達芬奇手術機器人代表著當今手術機器人最高水平，它有三個關鍵核心技術：可自由運動的手臂腕部 EndoWrist、3D 高清影像技術、主控台的人機交互設計，這也分別對應了柔性機器的機器感知、機器行動和人機交互。

▲醫療機器人功能模塊圖

根據目前達芬奇手術機器人的技術水平以及全球其他相關技術的研發，申萬宏源認為未來手術機器人的技術發展方向在於力觸覺反饋系統、導航定位系統和自然腔道機器人系統，原因如下：

1、力觸覺反饋系統：現階段應用於腹腔鏡臨床手術的機器人大多採用視覺反饋系統，外科醫生在控制機械臂做手術時，需要通過分析視覺信息，實時判斷器械對組織的作用力以及其他組織特徵，一定程度上影響手術效率。

2、導航定位系統：在手術導航系統出現之前，醫生只能依靠內鏡進行微創手術，或實施開放式手術。相比開放性手術，微創手術有創傷小的優勢；相比內窺鏡介導下的微創手術，手術導航系統導航下的微創手術有精度高、使用範圍廣的優勢。

3、自然腔道機器人系統：是指通過自然孔口(口腔、肛門、陰道口、尿道口等) 進入腹腔或胸腔進行操作的一種外科手術。目前，有機構在達芬奇手術系統上進行NOTES動物實驗，但臨床推廣極難。

根據Winter Green Research數據，2014 年全球手術機器人市場規模達到32億美元，預計在2021年達到200億美元，且市場重心將逐漸遷至亞洲。

根據直覺外科公司報告，在已獲得認證資質的國家中，全球每年有400萬台手術能夠使用達芬奇手術機器人完成，相當於2萬台設備需求，40億美元/年的材料服務市場。

▲我國手術機器人適應症規模測算

▲我國每年手術機器人服務市場規模測算75.35億元

根據手術機器人的適應症對每年市場規模進行了測算，申萬宏源認為，手術機器人國內潛在市場空間為136.73億元/年；考慮潛在購買方需求數量以及適應症市場規模兩方面因素，中性估算國內手術機器人規模75.35億元/每年。

工業：機器視覺助力國產逆襲

▲五軸和七軸機器人示意圖

業界將大於六軸的機器人均稱為柔性機器人（五軸是許多工業機器人的配置），軸數越大，機器人的靈活度越高。

七軸機器人，又稱為柔性（冗餘）機器人，相比六軸機器人額外的軸允許機器人躲避某些特定的目標，便於末端執行器到達特定的位置，可以更加靈活的適應某些特殊工作環境。

▲三代柔性機械手的性能比較

柔性機械手則是在自動化生產過程中使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置，它是在機械化、自動化生產過程中發展起來的一種新型裝置，已經成為柔性製造系統FMS和柔性製造單元FMC中一個重要組成部分。

▲2013-2015年全球機器視覺在各領域增速圖

以上為執行層的分析，從感知和處理端來看，視覺工業機器人在原有工業機器人基礎上，通過增加攝像頭、感測器等機器感知部件，結合深度學習演算法進行自身的判斷和操作，可適用於零售倉庫等非結構化場景。

我國在海康威視、曠視、商湯等機器視覺企業的帶領下，在機器視覺領域已處於世界領先地位，通過與工業機器人的結合，可大大提升產品附加值，改變國內企業毛利率過低無產品定價權的現狀。

▲各國機器視覺機器人佔總機器人比重

分析認為，倉庫自動化、物流無人化等非標環境將成為更主要的應用領域。IHS預測：全球倉儲自動化市場預計在現在至 2020 年之間將以 20-25％的年複合增長率增長；我國目前較低的機器視覺機器人比例也將在未來助推行業的高速發展，整體行業有望保持超過 30%的增長。

▲機器人行業重點公司估值

智東西認為，柔性機器人一方面源自傳統機器人靈活性的進一步提升，一方面源自機器視覺技術在機器感知、處理層面的突破。我國機器人總體技術與國外先進水平相比較大（有分析認為差距在十年以上），加上研發成本高、市場競爭激烈，國內廠商盈利能力較低，核心部件進口依賴大。但隨著攝像頭、感測器等機器感知部件，以及演算法的發展，加上政策和市場環境的推動，結合機器視覺的柔性機器人，將是改變國內企業毛利率過低，無產品定價權現狀的機遇。