機械設備行業(yè)深度研究：論文跟蹤三大增量：傳動方式+行星減速機

行業(yè)報告|行業(yè)深度研究機械設備2023年06月30日SACS10519050003后的信息披露和免責申明行業(yè)評級：強于大市(維持評級)上次評級：強于大市1Robot機+四連桿方案。?1)液體冷卻的需求有望提升；2)IMU在頭部及足部的普遍應用；3)髖部設計不同于常規(guī)機器人，呈現(xiàn)髖偏航軸(yaw)與髖滾軸 (roll)的45°傾斜角；4)T型槽在軀干中的應用，結構件及T型槽普遍使用五軸機床加工。。?1)基石標的：三花智控(與家電組聯(lián)合覆蓋)、綠的諧波、鳴志電器、江蘇雷利(與電新組聯(lián)合覆蓋)、鼎智科技?2)傳感器標的：柯力傳感(與中小市值組聯(lián)合覆蓋)、漢威科技?2)行星減速機：雙環(huán)傳動(與汽車和中小市值組聯(lián)合覆蓋)、中大力德閱讀正文之后的信息披露和免責申明21請務必閱讀正文之后的信息披露和免責申明執(zhí)行機構，也就是電機+減速機等的設計3資料來源：UCLAZhu.Taoyuanmin《DesignofaHighlyDynamicHumanoidRobot》，天風證券研究所4人形機器人是AI在硬件層面落地的非常重要的方向，特斯拉在21年8月發(fā)布至今開始得到越來越多的市場關注，但當前位置，我們認為無論是特斯拉機器人還是其他的人形機器人結構設計及零部件選型并未達到定型狀態(tài)，原因在于當前機器人硬+軟成本距離真正量產(chǎn)目標售價仍有較大距離，降本與功能實現(xiàn)的重要性顯而易見。論文中的重要邊際：?近期，UCLA(加州大學洛杉磯分校)TaoyuanminZhu發(fā)布其博士論文，其師從DennisW.Hong，后者為加州大學洛杉磯分校機械和航空航天工程教授、RoMeLa機器人實驗室主任。由于RoMeLa在腿足機器人領域探索頗多，其最新論文成果有一定可借鑒意義(但必須說，并非代表其是最終形態(tài))。資料來源：UCLAZhu.Taoyuanmin《DesignofaHighlyDynamicHumanoidRobot》，天風證券研究所5諧波+力矩傳感成為重要人形機器人解決方案，優(yōu)勢明顯。F/T傳感器很脆弱，易受到?jīng)_擊。此外，齒輪箱的高慣性和低效率使其無法吸收每次腳落地時都會發(fā)生的沖擊載荷。?①SEA，全名serieselasticacuators，串聯(lián)彈性致動器，在齒輪箱和載荷之間引入一個彈性元件(彈簧)，通過測量彈性元件中的偏轉(zhuǎn)，可以作為結果來評估力。這個方案潛力較大，彈簧對于外部沖擊力有緩沖作用。?②proprioceptiveacuators(本體驅(qū)動器))，這是一種比較傳統(tǒng)的方式，就是利用機器人電機自身的電流來測量及控制力矩，從而進行操作判斷，這種方式的問題在于靈敏度低，從下圖來看，這種方式最不利于形成更高的力矩(torque)水平。reductionFTsensortorquedensityC2ActuatorDesign構設計請務必閱讀正文之后的信息披露和免責申明執(zhí)行機構，也就是電機+減速機等的設計6資料來源：UCLAZhu.Taoyuanmin《DesignofaHighlyDynamicHumanoidRobot》，天風證券研究所7執(zhí)行機構的設計重點在于提升電機的氣隙半徑，原因在于：電機扭矩τ與其氣隙半徑r成正比，并與電機堆棧長度ls成線性比例。看，氣隙半徑適配于低的減速機的減速比，對于電機峰值扭矩沒有太大差別，因而在維持核心電機指標峰值扭矩原文中：執(zhí)行機構設計分析的另一部分是確定期望的減速比。假設一個帶有傳統(tǒng)電機的執(zhí)行器，齒輪減速為128:1。通過增加氣隙半徑4倍，所需的齒輪減速減少到8:1。由此產(chǎn)生的執(zhí)行器將具有相同的峰值扭矩。然而，減速比為8:1的齒輪減速機與128:1的與此同時，具有較大氣隙半徑電機的另一個好處是，它在中間創(chuàng)造了更大的空隙，徑向嵌套轉(zhuǎn)子、定子和齒輪箱的設計使得執(zhí)行圖：電機扭矩與氣隙半徑(r)與堆棧長度ls成正相關資料來源：UCLAZhu.Taoyuanmin《DesignofaHighlyDynamicHumanoidRobot》，天風證券研究所8在加大電機氣隙半徑的設計之下，減速機可以不必使用減速比高的高性能減速機。由于摩擦和反射慣性，在高減速比設計之下，傳統(tǒng)的執(zhí)行器很容易因沖擊載荷而損壞。而低減速比的設計可以通過電機來實現(xiàn)承受和傳遞沖擊力，同時不破壞減速機。我們認為，大氣隙半徑+低減速比更適合于機器人下肢。注：左圖使用減速機減速比為225:1，右圖為低減速比，反向力之下，下圖扭矩上升曲線好很多資料來源：UCLAZhu.Taoyuanmin《DesignofaHighlyDynamicHumanoidRobot》，天風證券研究所92.3執(zhí)行機構——熱管理設計：液體冷卻的需求有望提升載。為了解決這個問題，機器人需要廣泛的冷卻系統(tǒng)來不間斷地運行。在執(zhí)行器外殼上的內(nèi)置冷卻劑通道允許它們使用集中冷卻系統(tǒng)進行液體冷卻。圖：冷卻方法圖示露和免責申明103機器人機械結構設計資料來源：UCLAZhu.Taoyuanmin《DesignofaHighlyDynamicHumanoidRobot》，天風證券研究所11本篇論文中，在下肢的創(chuàng)新上，主要包括：?1)去除一個腳踝關節(jié)，下肢自由度從6自由度變?yōu)?自由度。下肢6自由度分布在：髖關節(jié)偏航(yaw)、髖關節(jié)滾轉(zhuǎn)(roll，圖示轉(zhuǎn)盤位置)、髖關節(jié)俯仰(pitch)、膝關節(jié)俯仰、踝關節(jié)俯仰和踝關節(jié)滾轉(zhuǎn)(見下圖)。現(xiàn)在考慮的是將腳部的滾動自由度省略，原因是其在機奔跑時基本上未被用到，這樣可以減少機器人在奔跑時腿部與該關節(jié)的撞擊以及地面沖擊力。但這樣可能會喪失一定的平衡?2)另一種是簡單地將髖部偏航軸(yaw)和髖部滾軸(roll)呈現(xiàn)yaw向前傾斜45度。通過這樣做，行走時兩個執(zhí)行器之間的扭矩分配更加均勻。因此，兩個執(zhí)行器可以使用相同的執(zhí)行器模塊，而無需特別定制。這種設計的另一個好處是，偏航和滾動驅(qū)動器現(xiàn)在隱藏在骨盆結構的后面。這給股骨提供了更好的髖關節(jié)俯仰運動范圍的間隙，這有利于在膝蓋靠近胸部的運動，如下蹲運動。論文將其設計機器人ARTEMIS與直線設計機器人THORRD進行對比，當足部離地位移逐步減少時，腿部承受力的百分比都會減少，但ARTEMIS減少更快，注：Artemis機器人即為論文設計機器人，髖部偏航軸與滾軸呈現(xiàn)45%，ThorRd就是通常垂直設計的機器人在這種設計之下，論文引入了連桿結構+電機+行星減速機。?論文設計不是將執(zhí)行器(就是電機+減速)定位在關節(jié)上，而是使用連桿來移動執(zhí)行器的近端并將運動向下傳遞到實際關節(jié)。膝關節(jié)執(zhí)行器向上移動至與髖關節(jié)執(zhí)行器同軸，而踝關節(jié)執(zhí)行器重新定位至更靠近膝關節(jié)的位置。?論文強調(diào)，為了簡單起見，采用了平行四邊形連桿機構，但犧牲了運動范圍。?這是因為當關節(jié)接近奇點時，連桿力急劇增加，限制了可用扭矩。如下圖所示，采用設計的連桿力為15kN來確定連桿的尺寸。在不影響膝關節(jié)峰值扭矩的情況下可以實現(xiàn)大約140度的運動范圍。同時，為了盡量減少傳輸損失，論文引入全補滾子軸承(IKONAG4901UU)用作桿端。與滑動軸承相比，滾子軸承具有更低的摩擦以及側(cè)隙，但它的質(zhì)量更大。滾子軸承在平面內(nèi)限制了運動同時避免了屈曲的發(fā)生。圖：膝蓋關節(jié)與髖滾動關節(jié)之間的連桿設計(大腿內(nèi)部結構)資料來源：UCLAZhu.Taoyuanmin《DesignofaHighlyDynamicHumanoidRobot》，天風證券研究所12資料來源：UCLAZhu.Taoyuanmin《DesignofaHighlyDynamicHumanoidRobot》，天風證券研究所133.2結構設計——軀干設計：核心在于輕量化及可調(diào)整性重要程度低于下肢，核心在于輕量化及可調(diào)整性，T型槽結構強于焊管。?T型槽為一種固定方式(下圖中的T-slottedaluminumframing所指小方塊，尺寸為20mm*20mm)，不是用焊接完全焊牢，使用t型槽框架代替焊管結構的好處是，如果要在以后的時間點添加新的儀器，安裝功能可以很容易地添加或修改?，F(xiàn)成的支架，緊固件和硬件也使其易于設計，加工要求最低。手柄安裝在軀干的頂部背部，便于運輸。軀干的設計目標是容納所有的電子和電池，同時保持靈活性。資料來源：UCLAZhu.Taoyuanmin《DesignofaHighlyDynamicHumanoidRobot》，天風證券研究所14臂部設計主要作用是維持機器人整體的平衡。?論文將手臂設計為四個自由度，以盡量減少四肢的重量，一個3自由度的肩關節(jié)和一個1自由度的肘關節(jié)。執(zhí)行器的大小要能夠支撐身體的重量，并能夠快速擺動以產(chǎn)生抵消的動量。但是，該論文對于上肢關節(jié)間的傳動系統(tǒng)沒有太多討論 (例如絲杠、連桿等)。為了合并和減少部件數(shù)量，每個臂的所有四個驅(qū)動器都是同一類型的。肩關節(jié)有三個相互交叉的軸，呈俯仰-滾動-俯仰結構，這與肩關節(jié)的屈/伸、外展/內(nèi)收和肩關節(jié)的內(nèi)/外旋有關。兩個節(jié)距關節(jié)的輸出軸在單支持配置，而滾動執(zhí)行機構的輸出在雙支撐夾持配置。彎頭節(jié)距執(zhí)行機構位于關節(jié)處，有輕微的偏移，以增加肘關節(jié)的屈曲運動范圍，使末端執(zhí)行器可以接觸肩部。為了盡量減少設計的重量，采用碳纖維管作為臂的結構構件。露和免責申明154+電子資料來源：UCLAZhu.Taoyuanmin《DesignofaHighlyDynamicHumanoidRobot》，天風證券研究所16攝像頭+IMU+傳感器本質(zhì)上都屬于機器人的傳感部分。廣泛的傳感器陣列用于測量和估計機器人的狀態(tài)，聯(lián)系信息以及相對于世界的全球位置。除了關節(jié)電流傳感器和關節(jié)角度編碼器外，主要使用的傳感器還有立體視覺相機、慣性傳感器。論文選擇立體視覺相機而不是激光雷達，因為其相對實惠的價格和在室內(nèi)和室外環(huán)境下的穩(wěn)健性。來自Stereolabs的ZED2因其寬視場(FoV)，集成IMU和具有深度傳感，位置跟蹤和目標檢測的完整SDK而被選中。ZED2安裝在機器人的頭部，具有平移和傾斜的2自由度頸部關節(jié)，用于定位相機。除了ZED2攝像頭，兩個英特爾RealSenseD435i分別安裝在機器人的前后，提供機器人附近的高保真地面信息。資料來源：UCLAZhu.Taoyuanmin《DesignofaHighlyDynamicHumanoidRobot》，天風證券研究所174.2系統(tǒng)設計——IMU(慣性導航)：能夠平衡和穩(wěn)定行走的關鍵傳感器IMU是能夠平衡和穩(wěn)定行走的關鍵傳感器。典型的IMU傳感器包括三軸加速度計和三軸陀螺儀。?三軸磁強計常被用于標定真北方位，因此通常被稱為姿態(tài)和航向參考系統(tǒng)(AHRS)。最初選擇ParkerLORDMicrostrain基于微機電系統(tǒng)(MEMS)的IMU3DM-GX5是因為其尺寸和價格。與基于光纖陀螺儀(FOG)的IMU相比，MEMS傳感器體積更小，成本更低，但通常具有更差的噪聲和偏置穩(wěn)定性。隨著基于MEMS的IMU的快速發(fā)展，開始使用MicroStrain3DM-CV7戰(zhàn)術級IMU，其性能正在接近Microstrain系列IMU內(nèi)置擴展卡爾曼濾波器(EKF)，用于融合加速度和角速率數(shù)據(jù)，產(chǎn)生姿態(tài)和航向數(shù)據(jù)。在實踐中,由于大量的軟硬鐵干擾，基于磁力計的航向參考被忽略。航向數(shù)據(jù)已經(jīng)完全基于陀螺并且將依賴于外部傳感器，如相機或全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)的航向補償。資料來源：UCLAZhu.Taoyuanmin《DesignofaHighlyDynamicHumanoidRobot》，天風證券研究所184.3足部傳感器基于6軸力矩傳感器的升級。對于傳統(tǒng)的仿人系統(tǒng)，6軸力扭矩(F/T)傳感器用于地面反作用力和接觸狀態(tài)反饋。然而，它們往往是脆弱的，不能處理大的沖擊或過載。因此，針對特定的任務設計了定制的足部傳感器。目標是設計一個堅固的足部傳感器，可以可靠地檢測地面接觸。并非全六軸力和扭矩傳感器，定制的腳傳感器只能測量兩個垂直的地面反作用力，位于腳跟和腳趾的腳。6軸IMU作為一個額外的傳感器也集成在腳傳感器PCB上。陀螺儀和加速度計的數(shù)據(jù)可以用來進一步提高狀態(tài)估計器的性能，或者為未來的研究提供幫助。5.催化時點：政策端支持力度不斷加碼，未來兩個月內(nèi)有望迎來密集催化時間節(jié)點政策深落地，政策端支持力度不斷加碼。表：人形機器人的催化時點催化事件催化時點特斯拉Dojo芯片器學習工作負載進行了優(yōu)化。傅利葉機器人將于2023年7月在上海舉辦“傅利葉GR將首次與公眾見面，有望掀起國產(chǎn)人形機器人商業(yè)化的又一波IDayDay上，人形機器人Optimus正式亮相。AIDay形機器人Optimus有望呈現(xiàn)出更完善的開發(fā)2023AIDay預期定檔于2023年8-9月險提示人形機器人商業(yè)化進展不及預期的風險?人形機器人目前仍處于早期發(fā)展階段，未來的商業(yè)化前景仍存在較大不確定性，存在商業(yè)化進展不及預期的風險。上游零部件技術路徑變更的風險?人形機器人尚未推出較為成熟且大規(guī)模量產(chǎn)的產(chǎn)品，技術路徑存在較大不確定性，若未來技術路徑變更，則目前的零部件環(huán)節(jié)需求將大福減少。零部件國產(chǎn)化進展不及預期的風險?目前人形機器人零部件環(huán)節(jié)尚未完全國產(chǎn)化落地，國內(nèi)上游企業(yè)還未接到大規(guī)模批量訂單，未來存在零部件國產(chǎn)化不及預期的風險。分析師聲明本報告署名分析師在此聲明：我們具有中國證券業(yè)協(xié)會授予的證券投資咨詢執(zhí)業(yè)資格或相當?shù)膶I(yè)勝任能力，本報告所表述的所有觀點均準確地反映了我們對標的證券和發(fā)行人的個人看法。我們所得報酬的任何部分不曾與，不與，也將不會與本報告中的具體投資建議或觀點有直接或間接聯(lián)系。一般聲明除非另有規(guī)定，本報告中的所有材料版權均屬天風證券股份有限公司(已獲中國證監(jiān)會許可的證券投資咨詢業(yè)務資格)及其附屬機構(以下統(tǒng)稱“天風證券”)。未經(jīng)天風證券事先書面授權，不得以任何方式修改、發(fā)送或者復制本報告及其所包含的材料、內(nèi)容。所有本報告中使用的商標、服務標識及標記均為天風證券的商標、服務標識及標記。本報告是機密的，僅供我們的客戶使用，天風證券不因收件人收到本報告而視其為天風證券的客戶。本報告中的信息均來源于我們認為可靠的已公開資料，但天風證券對這些信息的準確性及完整性不作任何