柔性機器人是機器人研究的一個全新領(lǐng)域，目的是為了創(chuàng)造一個能夠與人類實現(xiàn)完美互動的靈活機器人。新型機器人的出現(xiàn)往往都是受到自然界的啟發(fā)，讓機械變得更加有機化，而立體打印技術(shù)的出現(xiàn)，讓這些機器人向更加靈活的方向發(fā)展。
近幾年來，機器人制造技術(shù)越來越成熟，工業(yè)、醫(yī)療等場景用例越來越多，商業(yè)化進程加速。
金準數(shù)據(jù)顯示，2015年到2021年，機器人市場規(guī)模將從270億美元增長到460億美元，年均復合增長率9.4%。而在所有類型的機器人中，應用于國防、工業(yè)、消費領(lǐng)域的機器人種類最多，相應領(lǐng)域營收占比也是最高的三項。
金準數(shù)據(jù)從仿生和機器視覺等技術(shù)原理出發(fā)，解讀柔性機器人在醫(yī)療和工業(yè)兩大場景的應用。
一、國產(chǎn)機器人的兩大掣肘
我國工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)化起步較晚，與工業(yè)機器人“四大家族”（庫卡、abb、安川、發(fā)那科）技術(shù)代差明顯 。
目前，“四大家族”在中國市場占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 萬臺，且在我國申請大量本土專利，工業(yè)機器人國產(chǎn)化進程緩慢。
▲工業(yè)機器人零部件核心技術(shù)企業(yè)分為上中下游
工業(yè)機器人核心零部件關(guān)鍵技術(shù)主要分為以下三類：控制器（控制技術(shù)），減速機，機器人專用伺服電機及其控制技術(shù)。
受限于無法掌握三大零部件核心技術(shù)，國內(nèi)的機器人的產(chǎn)品以下游系統(tǒng)集成為主，對應的就是國內(nèi)過去兩年的服務(wù)機器人熱潮，毛利率低訂單分散 。核心零部件方面，目前國內(nèi)八成以上依賴進口（且采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(nèi)437家工業(yè)機器人企業(yè)業(yè)務(wù)分類
▲訂單非標準化限制了ROE的提升
核心技術(shù)的缺失和訂單的非標準化導致了國內(nèi)傳統(tǒng)工業(yè)機器人企業(yè)的 ROE 難以提升。從發(fā)展的角度來看，國內(nèi)工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)主要受兩大掣肘：
1、采購方對精度的高要求，導致投入期昂貴且持續(xù)時間長。
以工業(yè)機器人最為主要的汽車業(yè)應用為例：由于汽車工業(yè)對焊接的精度要求極高，采購后出于穩(wěn)定生產(chǎn)的考量不會輕易更換生產(chǎn)線，新進入者投入期花費昂貴且研發(fā)時間漫長。
2、需求分散，無法促成國內(nèi)工業(yè)機器人規(guī)模化優(yōu)勢， 盈虧平衡點不斷提高。
國產(chǎn)工業(yè)機器人主要會集中使用到非汽車行業(yè)的新興領(lǐng)域，六軸工業(yè)機器人年出貨量2000~3000臺的公司已經(jīng)是目前國產(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)機器人逐漸降價，國產(chǎn)自主品牌工業(yè)機器人的盈虧平衡點被不斷抬高。
▲生產(chǎn)無法規(guī)?；漠a(chǎn)業(yè)容易喪失研發(fā)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(fā)的分支出現(xiàn)了。柔性機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。
▲柔性機器人理論、制造及應用市場示意
▲柔性機器人的特點
其中，模擬生物的柔性與靈活性創(chuàng)造的仿生柔性機器人偏向于醫(yī)療，另一類則是運用機器視覺的六軸以上的工業(yè)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(jié)構(gòu)圖
基于仿生學的柔性機器人，因其設(shè)計初衷在于能在各種復雜環(huán)境中代替甚至做到人類所不能，它們需要與軟材料、生物或人工復制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）。
柔性機器人的操控是難點，機器行動依靠的則是每一個活動關(guān)節(jié)處裝有的驅(qū)動器（actuator）。目前應用于柔性機器人的執(zhí)行機構(gòu)類型，包括電活性聚合物、繩驅(qū)動器、形狀記憶合金以及流體驅(qū)動器等；控制方案更難，有待研發(fā)。
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
而基于機器視覺的工業(yè)機器人，則多由圖像采集（即圖像攝取裝置，分CMOS和CCD兩種）、圖形處理、運動控制三大部分組成。
這類工業(yè)機器人的硬件一般包含：相機、光源、圖像采集卡，軟件則一般會安裝在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，該步驟相當于離線學習的過程，在圖像中建立坐標系以及訓練系統(tǒng)尋找跟蹤物。學習結(jié)束后，圖像卡不停地采集圖像，提取跟蹤特征，進行數(shù)據(jù)識別和計算，通過逆運動學求解得到機器人各關(guān)節(jié)位置給定值，最后控制高精度的末端執(zhí)行機構(gòu)，調(diào)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余的配置空間：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。
由于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，它們可以通過小于其名義尺寸的開口進行擠壓。
這使它們成為了適用于類人機器人的理想應用：比如與人互動而不造成傷害、服務(wù)和噴漆的工業(yè)機器人（需要高度的靈活性才能到達狹窄的空間）；醫(yī)療機器人，特別是用于外科手術(shù)的機器人，以及在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中操作的國防和救援機器人。
兩大應用場景
醫(yī)療：估計空間75億
▲醫(yī)療機器人功能模塊圖
醫(yī)療機器人是指用于醫(yī)院、診所的醫(yī)療或輔助醫(yī)療的機器人，是柔性機器人最典型并且商業(yè)化的應用。
根據(jù)功能，醫(yī)療機器人大致可以分為手術(shù)機器人、康復機器人、護理機器人、救援機器人和轉(zhuǎn)運機器人。
▲達芬奇手術(shù)機器人
其中，手術(shù)機器人在現(xiàn)階段已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化，且大規(guī)模用于臨床，如美國直覺外科公司（Intuitive Surgical）的達芬奇外科手術(shù)機器人（內(nèi)窺鏡手術(shù)器械控制系統(tǒng)）。實施手術(shù)時，主刀醫(yī)師不與病人直接接觸，通過三維視覺系統(tǒng)和動作定標系統(tǒng)操作控制，由機械臂以及手術(shù)器械模擬完成醫(yī)生的技術(shù)動作和手術(shù)操作。
▲達芬奇手術(shù)機器人與傳統(tǒng)手術(shù)方式的對比
達芬奇手術(shù)機器人代表著當今手術(shù)機器人最高水平，它有三個關(guān)鍵核心技術(shù)：可自由運動的手臂腕部 EndoWrist、3D 高清影像技術(shù)、主控臺的人機交互設(shè)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(yī)療機器人功能模塊圖
根據(jù)目前達芬奇手術(shù)機器人的技術(shù)水平以及全球其他相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，申萬宏源認為未來手術(shù)機器人的技術(shù)發(fā)展方向在于力觸覺反饋系統(tǒng)、導航定位系統(tǒng)和自然腔道機器人系統(tǒng)，原因如下：
1、力觸覺反饋系統(tǒng)：現(xiàn)階段應用于腹腔鏡臨床手術(shù)的機器人大多采用視覺反饋系統(tǒng)，外科醫(yī)生在控制機械臂做手術(shù)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征，一定程度上影響手術(shù)效率。
2、導航定位系統(tǒng)：在手術(shù)導航系統(tǒng)出現(xiàn)之前，醫(yī)生只能依靠內(nèi)鏡進行微創(chuàng)手術(shù)，或?qū)嵤╅_放式手術(shù)。相比開放性手術(shù)，微創(chuàng)手術(shù)有創(chuàng)傷小的優(yōu)勢；相比內(nèi)窺鏡介導下的微創(chuàng)手術(shù)，手術(shù)導航系統(tǒng)導航下的微創(chuàng)手術(shù)有精度高、使用范圍廣的優(yōu)勢。
3、自然腔道機器人系統(tǒng)：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(shù)。目前，有機構(gòu)在達芬奇手術(shù)系統(tǒng)上進行NOTES動物實驗，但臨床推廣極難。
根據(jù)Winter Green Research數(shù)據(jù)，2014 年全球手術(shù)機器人市場規(guī)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(jù)直覺外科公司報告，在已獲得認證資質(zhì)的國家中，全球每年有400萬臺手術(shù)能夠使用達芬奇手術(shù)機器人完成，相當于2萬臺設(shè)備需求，40億美元/年的材料服務(wù)市場。
▲我國手術(shù)機器人適應癥規(guī)模測算
▲我國每年手術(shù)機器人服務(wù)市場規(guī)模測算75.35億元
根據(jù)手術(shù)機器人的適應癥對每年市場規(guī)模進行了測算，申萬宏源認為，手術(shù)機器人國內(nèi)潛在市場空間為136.73億元/年；考慮潛在購買方需求數(shù)量以及適應癥市場規(guī)模兩方面因素，中性估算國內(nèi)手術(shù)機器人規(guī)模75.35億元/每年。
三、工業(yè)：機器視覺助力國產(chǎn)逆襲
▲五軸和七軸機器人示意圖
業(yè)界將大于六軸的機器人均稱為柔性機器人（五軸是許多工業(yè)機器人的配置），軸數(shù)越大，機器人的靈活度越高。
七軸機器人，又稱為柔性（冗余）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，便于末端執(zhí)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(huán)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(chǎn)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(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置，已經(jīng)成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中一個重要組成部分。
▲2013-2015年全球機器視覺在各領(lǐng)域增速圖
以上為執(zhí)行層的分析，從感知和處理端來看，視覺工業(yè)機器人在原有工業(yè)機器人基礎(chǔ)上，通過增加攝像頭、傳感器等機器感知部件，結(jié)合深度學習算法進行自身的判斷和操作，可適用于零售倉庫等非結(jié)構(gòu)化場景。
我國在?？低暋缫?、商湯等機器視覺企業(yè)的帶領(lǐng)下，在機器視覺領(lǐng)域已處于世界領(lǐng)先地位，通過與工業(yè)機器人的結(jié)合，可大大提升產(chǎn)品附加值，改變國內(nèi)企業(yè)毛利率過低無產(chǎn)品定價權(quán)的現(xiàn)狀。
▲各國機器視覺機器人占總機器人比重
金準數(shù)據(jù)分析認為，倉庫自動化 、 物流無人化等非標環(huán)境將成為更主要的應用領(lǐng)域。IHS預測：全球倉儲自動化市場預計在現(xiàn)在至 2020 年之間將以 20-25％的年復合增長率增長；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(yè)的高速發(fā)展，整體行業(yè)有望保持超過 30%的增長。
▲機器人行業(yè)重點公司估值
總結(jié)：
金準數(shù)據(jù)認為，柔性機器人一方面源自傳統(tǒng)機器人靈活性的進一步提升，一方面源自機器視覺技術(shù)在機器感知、處理層面的突破。我國機器人總體技術(shù)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(fā)成本高、市場競爭激烈，國內(nèi)廠商盈利能力較低，核心部件進口依賴大。但隨著攝像頭、傳感器等機器感知部件，以及算法的發(fā)展，加上政策和市場環(huán)境的推動，結(jié)合機器視覺的柔性機器人，將是改變國內(nèi)企業(yè)毛利率過低，無產(chǎn)品定價權(quán)現(xiàn)狀的機遇。
制造柔性機器人時，了解其最基本的有效組成部分是基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，這也能幫助后期制作更加復雜的柔性機器人?，F(xiàn)在，大多數(shù)柔性機器人的規(guī)劃是通過立體打印技術(shù)制作一個能真正實現(xiàn)機器人功能的核心部件，通過柔性機器人運動的可能性，來改變自身的形狀，以更好的適用經(jīng)濟社會發(fā)展的需要。
隨著技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機等智能化設(shè)備和人體之間的關(guān)系更加密切，其很有可能會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性的變化，成為一種有活力、柔性的實體。在實際的工業(yè)生產(chǎn)過程中，柔性機器人也會被應用到復雜的生產(chǎn)環(huán)境中，以更好的適用生產(chǎn)條件和環(huán)境的變化。在未來，這樣的機器人設(shè)計也會得到廣泛應用，以取代傳統(tǒng)機器人，在工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)主導地位。其自身具備的靈活、精準、安全等特點，將進一步開拓全新的工業(yè)生產(chǎn)方式，推動人類社會進入到一個人機協(xié)作的新時代。
