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。

Yole Development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)、消費領域的機器人種類最多,，相應領域營收占比也是最高的三項,。

本期的智能內(nèi)參，我們推薦來自申萬宏源的柔性機器人行業(yè)研究報告,，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。如果想收藏本文的報告全文（申萬宏源-柔性機器人行業(yè)報告：機器感知助彎道超車）,，可以在智東西頭條號回復關(guān)鍵詞“nc237”下載,。

以下為智能內(nèi)參整理呈現(xiàn)的干貨：

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)?；瘍?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,。

三、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2萬臺設備需求,，40億美元/年的材料服務市場。

▲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。

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,。

我國在海康威視,、曠視,、商湯等機器視覺企業(yè)的帶領下，在機器視覺領域已處于世界領先地位,，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

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

智東西認為，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。