申万宏源发布的机器狗行业深度报告指出,四足机器人经过60余年发展,技术路线已从发散走向收敛,电机驱动成为主流技术方案,行业已进入商业化应用阶段。轮足作为新形态拓展了应用边界——宇树科技B2-W完成陡峭山岩快速下坡、载人移动、空翻等高难度动作,云深处山猫全地形越野轮足机器人已用于新加坡电网电力隧道巡检。技术成熟、成本降低、开源生态完善,机器狗产业正迎来放量拐点。
技术路线收敛:电机驱动成为主流方案
四足机器人技术路线经历了从多样化到收敛的演进过程。液压驱动(波士顿动力BigDog为代表)具有高功率密度比、高带宽、快速响应等优点,但能耗大、效率低、噪音大;电机驱动(MIT Cheetah、宇树科技等为代表)具有响应速度快、控制精度高、能耗相对较低、工作噪声小等优点,在大多数消费类和工业场景都可适用。随着驱动和电机技术日益成熟,电机驱动的机器狗成本快速降低,目前已成为绝对主流技术路线。
MIT将四足机器人Cheetah的控制代码、硬件电路图、仿真平台等开源,其控制框架包括底层控制器(PD控制用于控制各个关节)、状态估测(估测四足位姿)和上层规划(MPC优化足底接触力、WBIC协调多任务执行)。开源生态极大降低了行业技术门槛,加速了全球四足机器人产业的普及和发展。
表1:四足机器人主要技术路线对比| 驱动方式 | 优点 | 缺点 | 代表产品 |
|---|
| 液压驱动 | 功率密度高、高带宽、快速响应、大扭矩 | 能耗大、效率低、噪音大 | 波士顿动力BigDog/LS3 |
| 电机驱动 | 响应快、控制精度高、能耗低、噪声小 | 承载能力相对较弱 | MIT Cheetah、宇树科技全系列 |
| 电液复合驱动 | 结合两者优势,恶劣环境耐受性好 | 成本高、维护复杂 | 部分军事应用 |
轮足新形态:速度与越障的完美结合
轮足机器狗融合了轮式速度优势和足式越障能力。2023年12月,宇树科技发布Unitree B2-W,视频中轮足机器狗完成了在陡峭山岩快速下坡、爬楼梯、蹬水、空翻等一系列高难度动作,还能载人移动并保持姿态稳定,充分展示其在运输和工业作业中的应用潜力。2024年11月,云深处科技发布全地形越野轮足机器狗山猫(整重30kg,负载12kg,运动速度5m/s,续航3h),能够攀爬22厘米台阶、80cm高台以及45°斜坡,已用于新加坡电网的电力隧道巡检。
轮足形态的设计理念融合四足与轮式双重优点,在提高复杂环境适应能力的同时,显著提升了速度、灵活性、稳定性等移动特性,为机器狗应用场景的拓展带来更多可能性。
核心零部件:执行器是机器狗的“心脏”
四足机器人的核心部件为执行器,主要由驱动器、无框力矩电机、行星减速器、轴承和前后盖等构成。参考MIT猎豹四足机器人QDD的组成结构,半直驱驱动器包括控制器(直流电源、CAN总线等)、无框力矩电机(转子、定子)、行星减速器(太阳轮、行星架、行星轮、行星滚针轴承、输出引脚)等。执行器需要具备高动态响应能力、高扭矩密度和高带宽、轻量化设计、一定峰值扭矩和持续扭矩、耐用性等特性。
上游零部件供应链逐渐完善,成本已降低至具备经济性的水平。智联汽车、工业机器人的长期发展以及近期人形机器人产业端的大力投入,带动了四足机器人上游零部件(电机、减速器、激光雷达、深度相机、传感器、芯片、IMU、电池等)的成熟,为机器狗放量奠定供应链基础。
技术成熟驱动放量拐点来临
应用场景、技术和供应链、政策等多重因素驱动下,行业应用拐点来临:1)应用场景清晰——四足机器人优势突出,在军事、救援、工业、物流、电力等高危险性领域广泛渗透;2)技术成熟、产业配套完善——经过数十年发展迭代,技术路线走向收敛,软硬件技术成熟,成本已降至经济性水平;3)产业政策支持——国家和各地方大力支持“机器人+”行业落地。2023年全球四足机器人销量约3.40万台(+76.86%),预计2030年销量超56万台,2024-2030年复合增长率超45%。