具身智能系列 | 人形机器人会替代机械臂吗？- 人形机器人在制造业中的定位与价值分析

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摘要

大模型技术为人形机器人研发带来了创新浪潮，近期国内外多款人形机器人争相进入制造工厂“实习”。与此同时，以机械臂为代表的工业机器人的应用也在不断普及。“人形机器人是否会取代工业机器人成为新的生产制造主力”成为业界关注的话题。本文的研究分析显示，人形机器人在制造行业不会替代工业机器人，两者之间并非替代关系。我国工业机器人规模还有很大的提升空间，而人形机器人在制造业的潜在应用场景和规模则存在“天花板”。但制造业对人形机器人发展仍然极具重要性，是人形机器人积累数据、提升技能，迈向更广阔潜在市场的“必经之路”。

人形机器人的核心控制系统通常被喻为 “大脑”和“小脑”，“大脑”关系到机器人的高级认知功能，如决策制定和学习能力；而“小脑”则主要负责运动控制和平衡，确保机器人能够灵活稳定地移动。随着大模型技术近几年的飞速发展，其理解推理和行动规划能力为人形机器人的“大脑”和“小脑”的创新注入了新的动力。

人形机器人 “大、小脑”和“肢体”的进步为在制造业中的应用提供了新的可能性，它们不仅可以执行一些简单的重复性任务，还有潜力完成相对复杂和灵活的工作。国内外除了一些创业企业外，汽车和电子制造企业诸如特斯拉、小鹏和小米等也纷纷投入到人形机器人的研发中，许多人形机器人开始走进汽车和3C制造工厂，人形机器人和制造业的互动愈发紧密。

制造业是国民经济的支柱产业，党的二十大报告提出，要加快建设制造强国。我国制造业占全球比重近30%，产业规模连续13年居全球首位，并且我国连续10年都是全球工业机器人安装数量最多的国家，工业机器人对于提升生产效率和质量发挥了重要作用。人形机器人作为制造业的新角色，将发挥多大的作用，成为一个业界关注的话题。

本文围绕“人形机器人是否会替代工业机器人，成为制造业的生产主力？”这一问题，首先梳理了人形机器人与工业机器人的区别，然后探讨工业机器人在制造业中的普及情况和发展趋势，最后分析人形机器人在工业领域的潜在应用前景。本文通过分析认为，人形机器人和工业机器人不是替代关系，我国的工业机器人还有很大的发展空间。人形机器人在工业制造领域的潜在应用场景比较有限，但是制造业对人形机器人发展仍然极具重要性，是人形机器人积累数据、提升技能，迈向更广阔的潜在市场的“必经之路”。

在展开分析之前，本文首先对相应词汇进行概念与范围阐释：

• 人形机器人：也常被称为“类人机器人”或“仿人机器人”等，是指“具备类似于人类的外观，可以执行与人类相似的动作和任务”的机器人。

• 工业机器人：工业机器人是专为工业生产环境设计的自动化机器，包括但不限于机械臂、自动导引车（AGV）和自主移动机器人（AMR）。工业机器人通常通过编程来控制其运动和操作，能够执行搬运、焊接、喷涂等一系列重复性和高精度的任务。

• 工业自动化设备：指的是用于实现生产过程自动化的一系列机械设备，包括但不限于自动化流水线、传送系统、大型炼制和化工系统和其他辅助装置等。

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一、工业机器人与人形机器人：能力、结构与成本的差异化比较

作为人形机器人的“前辈”，工业机器人伴随着自动化制造的需求，自上世纪50年代进入产线应用以来，技术和产品不断成熟，承担诸如搬运、装配、焊接、喷涂等重复且繁重的任务，已经在诸多产业中持续普及开来。虽然都是在工厂工作的机器人，但是工业机器人与人形机器人在能力场景、外观结构和成本效益上呈现明显差异。

工业机器人与人形机器人在擅长能力与应用场景上各有侧重。在能力和场景上，工业机器人主要通过预设程序完成重复性、单一任务、流程化的操作，如焊接、装配、搬运、码垛等，通常需要较高的精度和速度，适用于汽车、电子等工业生产线等标准化、结构化的封闭场景中。人形机器人则基于人工智能技术具备较好的通用性和泛化性，可以实现类人灵活操作、人机交互、决策以及推理的智能化能力，具有高度的灵活性和适应性，更擅长完成高柔性、高协作、复杂流程的任务，应用场景更加多元化，包括工业、商业和家用等多领域。

工业机器人与人形机器人的外观结构差异显著。在外观和结构上，工业机器人的外观通常较为简单，以机械臂为例，其由各种关节组成，具有多轴运动和机械臂结构，常见的工业机械臂大多具有6-7个自由度，足以覆盖大多数工业应用中所需的三维空间内的精确定位和定向。相比之下，人形机器人通常具有头部、上肢和下肢等人体部位，从而更具人类化的外观特征，能够在车内空间等人类活动空间完成操作。人形机器人不仅能模仿人体的运动范围，更要适应非标准化和动态的环境，执行复杂任务，其自由度可达40至50个甚至更多。

与人形机器人相比，工业机器人更具价格优势。近年来，工业机器人成本显著降低，根据国际机器人联合会IFR等机构的数据测算，国内销售的工业机器人均价已由2016年的30万元/台降至2023年的18.8万元/台。相比之下，人形机器人由于需要更多关节、自由度和智能化硬件，其成本较高。早期人形机器人如波士顿动力的Atlas，其成本一度高达两百万美元，而Digit和Figure02等产品的成本也约在20万美元左右。特斯拉的Optimus机器人，预计初期生产成本可控制在5万至6万美元，尽管马斯克宣布成本和售价将大幅下降，但受限于人形机器人本身的复杂性，其价格在短期依然要远高于传统工业机器人。

鉴于以上分析，人形机器人在制造业中尚不会替代工业机器人。工业机器人与人形机器人在能力场景、外观结构和成本效益上呈现明显差异，因此，人形机器人进厂后不是替代工业机器人，而是会与工业机器人一起，共同推进制造业的智能化发展。

二、我国工业机器人的应用情况和增长潜力分析

本部分从工业机器人的普及率、安装量增速和应用工种三个层面，逐步深入探讨我国工业机器人的应用情况和未来发展前景。

从普及率来看，我国全产业工业机器人密度仍有接近翻倍的增长空间。从IFR的统计数据来看，2022年中国机器人密度为392台/万员工 ,仅为第一名韩国的39%。根据工业和信息化部等部门提出的发展目标， 2025年我国制造业机器人密度计划达到500台/万人，未来发展仍有广阔空间。

从增速来看，汽车与电子产业的安装量仍保持高速增长。近三年电子、汽车等率先自动化的制造领域实现持续增长，尤其新能源汽车的快速建厂扩产推动中国汽车制造向自动化、智能化加速发展，汽车行业的安装量从2020年的3万台跃升至2022年的7.3万台。可以预见，工业机器人在典型应用产业如汽车行业中仍具有巨大的发展空间。

从应用工种来看，工业机器人在典型环节都有应用，但是在高度标准化场景渗透率较高。目前工业机器人按照应用领域划分主要包括搬运、焊接、装配、喷涂、加工、洁净等，几乎覆盖了制造业主要环节。根据IFR数据，2022年全球从事搬运、焊接、装配的工业机器人占比接近75%。其中以焊接机器人为例，主要从事点焊和弧焊（占比超60%）工作，其中弧焊机器人在汽车产业的安装量占据了55%以上，建材、造船、集装箱、工程机械等行业，弧焊机器人的应用程度仍然比较低。

根据以上分析，我国工业机器人无论是从存量的机器人密度，还是重点行业的增长速度，都展现出进一步增长的潜力。在工业机器人已经可以胜任的任务中，影响工业机器人应用的主要因素是当地劳动力资源供给和劳动力成本是否更具性价比，我国制造业工资水平的不断提升将推动工业机器人的进一步普及。但是对于工业机器人尚不能胜任的类人灵活操作、人机交互性和非流程化任务，就成为人形机器人的潜在应用空间。

三、人形机器人在制造领域的应用场景分析

2024年开始，人形机器人开启进厂“实习”浪潮。无论是国外的特斯拉 Optimus Gen 2在特斯拉工厂中测试电池分拣工作，还是Figure AI的Figure 02在宝马北美工厂测试搬运和装配工作，以及国内优必选在蔚来、极氪工厂上岗实习，汽车制造工厂成为了测试和应用最新机器人技术的重要场景。目前，人形机器人进厂主要从事相对标准化且流程简单的试验性工作，例如搬运、检测和贴标等简单装配的任务。

本部分对制造业的主要环节和典型工艺流程进行拆分分析，以探究人形机器人在制造业的潜在应用空间。研究方法框架如下：

• 制造业按工艺区别，划分为流程制造和离散制造两个典型的制造形态。将制造业按照主要制造环节分为原料预处理、材料加工（提炼）、产品成型和塑形、组装和包装、质检和巡检五个环节。

• 基于上述两类制造形态的划分和五个工艺环节，形成十个典型制造业场景。

• 在每个场景中，对该场景当前的“人类员工占比”进行估算。该指标的计算公式为：人类员工占比=该场景中人类员工数量/（人类员工数量+工业机器人或自动化设备等效的人类员工数量）。

• 基于本文前述分析，人形机器人并非对传统工业机器人的替代而是补充，因此在“人类员工占比”偏低的场景，意味着该场景已经充分应用工业机器人或自动化设备，则人形机器人的应用空间不大。因此，本研究将“人类员工占比”超过25%的场景，判定为人形机器人有较大应用潜力的场景。

• 测算分析采用“定量+定性”结合的方式进行。定量数据来自IFR、GGII等国际国内权威组织或研究机构，并结合市场研究报告、业界公开报道、企业访谈等进行定性补充。

研究和测算结果表明：

1、人形机器人在工业制造领域的潜在进入空间比较有限。

“人类员工占比”当前高于25%的场景集中在工业制造流程起始端的搬运、上下料环节，以及工业制造流程尾端的装配、组装、检测环节。但在工业制造流程中间环节的材料加工、产品成型等环节，“人类员工占比”普遍很低，已经处于高度自动化的状态。这一方面是我国多年来对工业制造领域的持续重视和“制造强国”战略实施的结果，另一方面也揭示出人形机器人在工业制造领域的潜在进入空间存在“天花板”，这与人形机器人进厂实习的测试任务普遍集中在搬运、装配等工作的现象也高度吻合。

2、离散制造业中，装配组装和质检巡检以及原材料处理环节是人形机器人的潜在应用场景。

以汽车和3C制造为例，在原材料搬运和上下料等环节，以人类员工操作自动化设备为主完成任务；在材料加工和成型、塑形环节，以应用工业机器人为主来执行高负荷和重复性任务，工人占比很少。以特斯拉上海工厂、理想常州&北京工厂、长安重庆工厂、小米、极氪等新建汽车工厂为例，冲压、喷涂车间自动化率接近100%，焊接车间从过去的80%提升至95%以上。而在总装和质检环节，自动化率只有5%-10%，线束等非标准部件装配、车辆点检和路试等工作仍然严重依赖人工。

3、流程制造行业中，人形机器人的潜在应用空间还要小于离散制造业。

在上下料、石化炼制、药品提纯、食品烹饪、炼钢轧钢等材料加工和产品成型环节，以自动化设备为主完成工作。人类员工主要从事工艺操作、设备控制与维护、包装、巡检、质检等工作，整体占比少于离散制造。以宝山基地的冷轧热镀锌智能车间为例，两条200米长的生产线已基本实现自动化工作，每条只需二三名工人流动检视，传统守候在产线一旁的工人已成为坐在操作室里通过电子屏幕远程操控生产线的操作人员。在河钢集团唐钢新区，轧钢作业区几乎已经看不到工人，技术人员在中控室已经可以完成绝大部分工作。

基于上述测算与分析，人形机器人的价值发挥仍然受到其技术能力和应用场景复杂度的限制，在制造业的应用规模存在“天花板”。在智能制造体系里，对制造质量和制造效率要求高的工作依靠工业机器人和自动化设备来完成，人形机器人的定位主要是完成辅助性的工作，例如简单的搬运和装配等技术难度较低的重复且标准化的任务，以及诸如监控生产线状态、执行简单的维护任务等泛化要求相对不高的任务。在自动化率低的生产场景，当前人形机器人的灵巧性和精细操作能力尚不足以完全胜任高复杂度、高灵活性的任务，这使得其应用规模存在较明显的“天花板”。

四、制造业是人形机器人摆脱“引力束缚”的助推器

虽然人形机器人在制造业的潜在应用规模存在“天花板”，但是在制造业的“进厂实习”，仍是人形机器人发展过程中的必经之路。

自动驾驶近几年的飞速发展，依托于已存在百年的成熟汽车工业，和已经上路的数百万辆能够不断收集各类环境数据的具备初级自动驾驶能力的汽车。而相比之下，人形机器人产业当前面临“不具备实用性→无法形成商业化规模→无法收集足够的学习数据→无法具备实用性”的现实“引力束缚”。而制造业本身高度标准化和流程化的特征，能够为人形机器人提供一个高度确定性的封闭环境。人形机器人可以针对特定的、重复性高的任务进行学习和泛化，积累训练数据和动作任务库，有机会借助这一“助推器”，累积足够的“逃逸速度”从而进入更广阔的行业领域。

五、结语：人形机器人将从制造业迈向更广阔天地

在制造行业，人形机器人不会替代工业机器人。工业机器人与人形机器人在能力场景、外观结构和成本效益上呈现明显差异。工业机器人已在汽车、电子等产业中占据主导地位，并存在进一步增长的潜力。

人形机器人在制造业的潜在应用场景有限。在汽车、电子等自动化程度较高的制造场景，工业机器人和自动化设备成为自动化的主力，人形机器人进入工厂后只是“查漏补缺”，完成简单的搬运和装配等有限的辅助性工作。在其他自动化程度相对较低的制造行业，当前人形机器人的灵巧性和精细操作能力尚不足以完全胜任高复杂度、高灵活性的任务，需要在成本和技术成熟度方面突破后才能胜任。

制造业是人形机器人摆脱“引力束缚”的助推器。人形机器人进入制造领域只是“小试牛刀”，制造业是人形机器人完成“技能孵化”后，迈向更广阔的潜在市场的“必经之路”。人形机器人从汽车和3C制造中标准化和流程化较高的工种开始，积累动作任务库和训练数据来摆脱“引力束缚”，累积足够的“逃逸速度”从而进入更广阔的商业服务、家用护理等行业领域。

致谢

感谢阿里集团战略投资部胡晓、蒋珊珊，阿里云智能楚度、集团公共事务部杨星乔、阿里研究院王峥等专家为本文研究提供的产业判断、理论支持和技术指导。

参考文献

1、World Robotics 2023 – Industrial Robots，International Federation of Robotics（IFR），2023年9月。

2、World Robotics 2022 – Industrial Robots，International Federation of Robotics（IFR），2022年9月。

3、World Robotics 2021 – Industrial Robots，International Federation of Robotics（IFR），2021年10月。

4、Humanoids: Investment Implications of Embodied AI ，Morgan Stanley Research ，2024年6月。

5、Robots and jobs: Evidence from US labor markets，Acemoglu, D., & Restrepo, P. (2020)，Journal of Political Economy, 128(6), 2188-2244。

6、2022年度中国市场弧焊机器人品牌出货量排行TOP10，GGII高工机器人，2023年3月。

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