机械设备行业机器人系列报告之二十：机器狗技术成熟性能优越场景刚需放量在即（附39页报告）

  四足机器人是一种仿生腿足式机器人，设计思路是模仿动物（如狗、猫、马等）四肢结构和行走方式，通过高度复杂的机械结构和精密的控制算法，同时配备多类型的传感器、驱动器、控制管理系统等，使其具备极强的环境适应能力，能够在多种复杂地形中稳定行走和执行任务。

  四足机器人具备稳定性、灵活性、承载能力、自助导航能力等多重优点，因此在各种复杂环境中展现出强大的适应性。

  1）稳定性：四足机器人的稳定性主要得益于其四足设计，这为机器人提供了一个宽阔的支撑基础，使其能够在不平坦或不稳定的地面上保持平衡。机器狗需要在楼梯、碎石地和斜坡等复杂地形上都能稳定行走，即使在收到外部作用力推挤时也能迅速恢复平衡，这在建筑施工工地监测或石油管道巡检等需要在不稳定地形上操作的场景中尤为重要。

  2）灵活性：四足机器人的腿部具备独立运动能力，允许机器人以多种步态适应不一样的环境和任务需求。四足机器狗可以通过调整步长和步速，以适应不一样的速度和方向变化，甚至在必要时进行跳跃或爬行，这使得它能够在狭窄或障碍物众多的空间中灵活导航，如在废墟搜索和救援任务中避开障碍物，或在复杂的室内环境中进行探索。

  3）承载能力：承载能力是机器人具备功能性和实用性的关键要素之一。由于四足机器人拥有坚固的框架和腿部结构，有四个支撑点均匀地分布负载，减少对单个腿部的压力，它们可以依据负载的重量和形状调整步态和平衡，以确保在不同负载下都能稳定行走。

  4）续航能力：四足机器人的续航能力得益于高效的能源系统；此外，相比双足机构，四足结构本身具备稳定性，不需要为维持平衡产生额外的能量消耗。随着电池技术的进步，四足机器人的续航能力已经大幅度的提高：宇树科技四足机器狗 B2 的综合运行续航 4-6小时，空载持续行走5h，续航里程20km；20kg 负载持续行走4h，续航里程15km。

  5）自主导航能力：四足机器人的自主导航能力是通过集成多种传感器，如激光雷达、摄像头和红外传感器来实现的。这些传感器共同工作使得机器人能够实时感知周围环境、识别障碍物，并规划出最优路径。同时，它可以用 SLAM 技术进行自我定位和环境地图构建，以及运用机器学习和AI算法从经验中学习，一直在优化导航策略，在没有人类干预的情况下规划路径和避障，减少了对人工操作的依赖。

  从学术研究到商业化应用，四足机器人已有超过 60 年的发展历史。复盘行业发展历史，主要可以划分为三个阶段：

  1） 理论研究和原型机阶段（1960s-2000s）：20 世纪 60 年代，McGhee 研制了世界上第一台四足机器人——“PhonyPony”。20 世纪 80 年代，MIT Leg Lab 开展了腿足动态运动控制研究，为后续波士顿动力公司的四足机器人开发奠定了基础。

  2） 技术探讨研究和进步阶段（2000s-2015 年）：2005 年，美国波士顿动力公司推出的 BigDog 是四足机器人发展的一个重要里程碑，采用伺服液压缸作为其腿部的驱动器，为负重型四足机器人的研制提供了新思路。随后，2012 年，波士顿动力公司推出了 LS3，进一步改善了身体结构设计，实现了更大的负载能力。2012年 MIT 研制了全电机驱动的四足机器人 Cheetah，该机器人通过力矩电机的反驱作用，实现对地面碰撞能量的回收，具有极高的能量利用率。

  国内起步较晚，对海外进行快速追赶。2010 年，中国国家 863 计划启动“高性能四足仿生机器人”项目，山东大学、国防科技大学、哈尔滨工业大学和上海交通大学等多所大学展开了液压驱动的四足机器人研究工作。浙江大学自 2011 年开始研究单腿机器人的动态平衡控制与高能效问题。

  3） 应用尝试与技术突破阶段（2015 年之后）：2016 年，苏黎世联邦理工学院推出新一代四足机器人 ANYmal，该机器人被设计用于恶劣环境的自主作业，能够自主规划导航路径并且合理选取落脚点，已被应用于油气站的工业检测。2020 年， 波士顿动力正式销售 Spot 四足机器人（2015 年发布），用于商业和工业领域。

  国内在商业化应用阶段实现了对海外的追赶和超越。目前已有规模化应用的典型代表宇树科技、云深处科技分别成立于 2016 年、2017 年，其中宇树科技分别于2022 年 6 月、2023 年 12 月推出工业级机器狗 B1 和 B2；云深处分别于 2019 年 12 月、2021 年 6 月、2023 年 10 月推出针对行业应用的四足机器人绝影 X10、X20、X30。2022 年之后，小米、腾讯、小鹏等跨界企业亦开始推出四足机器人产品。

  根据腿部驱动方式，机器狗可分为液压驱动、电机驱动、气动驱动和电液复合驱动机器狗。

  其中：1）液压驱动具备极高的功率/密度比、高带宽、快速响应等特性，使用液压系统来驱动其关节，这种驱动方式能提供较大的力和扭矩，适合执行重载和高动态性能的任务；但液压驱动具有能耗大、效率低、噪音大等缺点。

  2）电机驱动主要是依靠电动马达来驱动关节，具有响应速度快、控制精度高、能耗相比来说较低、工作噪声小等优点；但具有承载能力差、功率密度小等缺点。

  3）气动驱动使用气体压力来驱动关节，这种驱动方式结构轻盈，具有制造成本低、设计轻、灵活性好、环保等优点；同时也面临着控制精度低的挑战，难以实现高精度控制和低能耗，实际应用场景较少。

  4）电液复合驱动结合了电机驱动和液压驱动的优势，在四足机器人领域，这种驱动方式非常适合于需要高功率输出、快速响应以及强大动态性能的场景。在面对极端温度、尘埃和潮湿等恶劣环境时表现出更好的耐受性，适合军事、野外救援等应用场景；缺点在于成本更高，维护复杂，需要定期更换液压油和过滤器，增加了运行成本。

  随着驱动和电机技术的日益成熟，电机驱动的机器狗成本快速降低，在大多数消费类和工业场景都可以适用，因此目前电机驱动成为四足机器人的主流技术路线 轮足是机器狗新形态，运动性能再度提升

  轮足机器狗的结构和控制简单，易于设计和操作，平坦的地面能灵活快速移动的优势：

  1）设计理念上融合四足与轮式的双重优点，在提高复杂环境适应能力的同时，明显提升了速度、灵活性、稳定性等移动特性。这大幅度提高了轮足机器狗在平坦地形下的移动效率；

  3）运动表现再创新高。目前，国内机器人运控能力的进展在轮足机器狗中得到了充分体现。以宇树科技 2023 年 12 月 23 日发布的 Unitree B2-W 为例，视频中的轮足机器狗运控性能优异，完成了在陡峭山岩快速下坡、爬楼梯、蹚水、空翻等一系列高难度动作。

  四足机器人相比轮式和履带式机器人，具备优秀能力的越障能力，可以轻松穿越楼梯、碎石、狭窄空间等复杂地形，因此在多个领域展现出广泛的应用潜力。

  1）在军事和国防领域，可以执行侦察监视、探测排爆和物资运输任务，提高作战效率和安全性，例如，机器人能用于测试和评估，执行侦察监视任务，以及在潜在的危险环境中进行探测排爆。

  2）在搜索和救援行动中，四足机器人能快速响应，穿越复杂地形，在灾害现场搜索幸存者或在野外进行救援，中国的“赤兔”四足机器人在地震和其他灾害响应中，用于进入废墟和狭窄空间，帮助救援人员评估结构稳定性和寻找幸存者。内蒙古模拟天然气管道泄露爆炸，使用机器狗应用到侦测、抛投、灭火等领域，探索无人化作战模式，提升队伍救援无人化、科技化水平。

  3）工业场景中，四足机器人旨在执行重复性工作、搬运重物和检查设备安全等职责。它们能够灵活地在工厂内部移动，到达轮式机器人难以到达的区域，从而提升生产效率和安全水平。它们能巡检石油天然气管道和电力设施，减少人力投入，法国的 Robosoft 的 Cestus 机器人，用于核电站的常规检查，包括管道和容器的内部检查，减少辐射暴露风险。在荆州市荆州区 220kV 纪南变电站，保障设施安全健康运行。机器狗替代了人工巡视，减轻了人工巡视的劳动强度，也提高了巡检质效。

  军用机器人应用场景多元广泛。军事机器人以完成预定的战术或战略任务为目标，能够自主或人机协同条件下完成战场侦察、监视、目标捕获与指示、通信中继、扫雷、输送物资、直接攻击敌方目标、战场救护等多种战术任务。20 世纪 60 年代以来，军用机器人日益受到各国军界的重视，其具备巨大的军事潜力，较高的作战效能，有望成为未来信息化战场的基本智能单元。

  发展国防军事机器人变成全球主要国家共识。全球军用机器人领域发展较快且布局较早的国家为美、俄、法三国，战略规划较为清晰，且在国防军费领域中无人装备投入力度较大。根据晶品特装招股说明书：美国列装的地面机器人包括 PackBot 系列、TALON 系列等；美军共装备了超过 1.2 万台地面无人装备，能够遂行爆炸物处理、安全巡逻、辅助作战和后勤保障等多样化军事任务，已列入研制计划的智能化装备超过 100 种，计划到2030 年 60%的地面作战平台将实现智能化。俄罗斯通过《2025 年前研制未来战斗机器人》等专项计划引领机器人装备发展，计划至 2025 年将无人作战系统在武器装备中的比例提高到 30%以上，主要聚焦于侦察监视、指挥决策、火力打击、作战支援等多领域。

  总体来看，四足机器人技术最重要的包含结构设计、执行器、传感器和控制算法等方面。

  1）结构设计：结构设计是四足机器人技术的基础，关系到机器人的行走稳定性和灵活性。首先，四足机器人需要具备稳定性和承载能力，以应对不同的地形和环境；其次需要具备敏捷性和机动性，以适应不一样的操作需求。

  四足机器人的结构设计最重要的包含腿部关节、身体结构和足部。1）腿部：腿部通常有 3 自由度，包括髋关节、膝关节和踝关节。电机一般布置在髋关节处，以此来降低腿部惯量，有利于实现机器人的步态规划、稳定性控制及腿部的快速响应。2）身体：身体结构需要具备轻量化和高强度的特点，确保在负载情况下能保持良好的运动性能；同时需要仔细考虑机器人的动力学平衡，以降低能耗；3）足部：足部需要有抓地力和适应性，对材料、形状、刚度进行设计。

  执行器是实现四足机器人动作和运动的核心部件，需要具备灵活性、承载力和耐久性。具体的技术方面的要求包括：1）高动态响应能力：响应速度快，以实现精确的运动；2）高扭矩密度和高带宽，更可以在一定程度上完成运动和动作，提高效率，灵活调整；3）轻量化材料设计；4）一定的峰值扭矩和持续扭矩；5）耐用性，能够长时间循环使用而不出现性能直线下降；6）温度控制等。

  四足机器人的核心部件为执行器，执行器主要由驱动器、无框电机、行星减速器等部件构成。参考论文《A Low Cost Modular Actuator for Dynamic Robots》中 MIT 猎豹四足机器人 QDD 的组成结构，半直驱驱动器的组成部分包括：控制器（包括直流电源、CAN 总线等）、无框力矩电机（转子、定子）、行星减速器（包括太阳轮、行星架、行星轮、行星滚针轴承、输出引脚）、轴承和前后盖等。

  3）控制算法：控制算法是四足机器人智能化的关键。四足机器人的算法最重要的包含运动控制算法、视觉算法和交互算法。通过视觉算法，四足机器狗能轻松实现自主导航、动态避障、目标跟踪等功能；运动控制算法能保证机器狗在运动过程中的稳定性和精度；交互算法使得四足机器狗能够听懂人类指令，完成指定任务。

  算法层面的突破、人工智能的赋能、硬件的成熟和成本的逐渐下降，使得四足机器人的下游应用持续拓展。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）、中游本体制造和具身智能大模型，模拟仿真等软件技术的突破。在这一过程中，偏向行业应用的四足机器人取得了长足发展。除了制造业，能源、电力、石化、特殊行业等领域将广泛出现机器人的应用。

  2021 年 12 月，工信部等 15 部门印发《“十四五”机器人产业高质量发展规划》，提出了“到 2025 年，我国成为全世界机器人技术创新策源地、高端制造集聚地和集成应用新高地”的目标。

  2022 年 7 月，由科技部等六部门发布的《关于加快场景创新以AI高水平应用促进经济高水平发展的指导意见》中强调，围绕高端高效智能经济培育打造重大场景：制造领域优先探索工业大脑、机器人协助制造、机器视觉工业检测、设备互联管理等智能场景；物流领域优先探索机器人分流分拣、物料搬运、智能立体仓储以及追溯终端等智能场景。

  2023 年 1 月，工信部等 17 部门印发《“机器人+”应用行动实施方案》，指出“到2025 年，制造业机器人密度较 2020 年实现翻番，服务机器人、特种机器人行业应用深度和广度明显提升，聚焦 10 大应用重点领域，突破 100 种以上机器人创新应用技术及解决方案，推广 200 个以上具有较高技术水平、创新应用模式和显著应用成效的机器人典型应用场景”。“机器人+”应用指向特定领域服务+机器人，专用机器人或将大量涌现。

  2024 年 10 月，《重庆市“机器人+”应用行动计划（2024—2027 年）》提出，依托机器人企业和研发平台，面向客户的真实需求和机器人应用重点领域，重点开发重载智能工业机器人、工业复合机器人、农业机器人等中高端机器人整机产品；2024 年 9 月，《湖南省AI产业发展三年行动计划（2024-2026 年）》中强调，以大模型等人工智能技术突破为引领，加快推进智能机器人产业创新发展。2024 年 6 月，《广东省关于人工智能赋能千行百业的若干措施》提出，推进智能机器人创新发展。加快机器脑、机器肢、机器体、通用产品等产品研发生产，推动人形机器人等具身智能机器人研制和应用。

  产业政策将从供给侧和需求侧对行业带来积极影响。供给侧，从事各类形态的智能机器人研发技术和产品开发的企业得到支持；需求侧，各行各业将加大对机器人的接受程度，尝试进行机器人应用探索。这对机器人产品的推广应用和升级迭代有关键作用。

  目前全世界内对外销售的四足机器人厂商最重要的包含波士顿动力、ANYbotics、宇树科技、小米、云深处科技、蔚蓝智能、联想晨星、哈崎机器人、德鲁动力、优宝特、七腾机器人等。

  根据不同的应用场景，四足机器人可分为行业级四足机器人和消费级四足机器人。1） 行业级场景的四足机器人更注重功能性、稳定性和专业性，要求在复杂和严苛的环境中稳定工作，通常具备更强的负载能力、更长的续航时间、高度的环境适应性和精确的定位导航能力，还可以集成专业的检验测试仪器或工具，如热成像相机、气体检测传感器等，成本更高；2）消费级机器人在耐用性和复杂环境适应性方面要求较低，侧重于使用者真实的体验、亲和力和娱乐性，成本较低。两者在设计和功能上各有侧重，服务于不同的市场需求。

  宇树科技以较大一马当先的优势位居规模份额第一，在技术创新、成本控制和本土市场适应性方面表现出色；波士顿动力以其先进的技术实力和行业解决方案著称，产品主要面向工业、军事、救援等专业领域，强调高性能、高稳定性和强大的作业能力；云深处科技在行业应用方面具备优势；蔚蓝智能聚焦消费级市场；瑞士 ANYbotics 推出防爆四足机器人后，取得石油、天然气和化工行业的订单。

  高工机器人（GGII）统计的多个方面数据显示，2023 年全球四足机器人销量约 3.40 万台，同比增长 76.86%。2023 年全球四足机器人市场规模 10.74 亿元，同比增长 42.95%。目前消费级四足机器人占据出货量的多数比例，用于娱乐、科研教育等领域。GGII 预计，到2030 年全球四足机器人销量有望超 56 万台，2024-2030 年销量复合增长率超过 45%。到 2030 年全球四足机器人市场规模有望超过 80 亿元，2024-2030 年市场规模复合增长率超过 30%。