人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈的增量

人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈的增量人形機(jī)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(kāi)始得到越來(lái)越多的市場(chǎng)關(guān)注，但當(dāng)前位置，我們認(rèn)為無(wú)論是特斯拉機(jī)器人還是其他的人形機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及零部件選型并未達(dá)到定型狀態(tài)，原因在于當(dāng)前機(jī)器人硬+軟boom成本距離真正量產(chǎn)目標(biāo)售價(jià)仍有較大距離，降本與功能實(shí)現(xiàn)的重要性顯而易見(jiàn)。所以，當(dāng)前階段，我們認(rèn)為一方面，本次進(jìn)入特斯拉機(jī)器人B樣階段的供應(yīng)商為機(jī)器人基礎(chǔ)標(biāo)的，另一方面，我們需關(guān)注邊際技術(shù)變化帶來(lái)的新興投資機(jī)遇。

1.現(xiàn)有的特斯拉人形機(jī)器人價(jià)值量分布及關(guān)鍵零部件回顧首先，我們簡(jiǎn)單回顧下當(dāng)前特斯拉機(jī)器人的零部件選型及價(jià)值量分布（圖表1）。當(dāng)前，零部件當(dāng)中占比最高的為直線驅(qū)動(dòng)、電機(jī)以及力矩傳感器。從加工難度來(lái)說(shuō)，首先，大腿+小腿所要用到的行星滾柱絲杠（目前單臺(tái)機(jī)器人使用數(shù)量為8個(gè)，性能顯著優(yōu)于滾珠絲杠，見(jiàn)圖表2對(duì)比）難度超預(yù)期，根據(jù)最近部分廠商反饋，在向T交付該產(chǎn)品方案的過(guò)程中，無(wú)論是設(shè)計(jì)/加工難度，還是設(shè)備采購(gòu)難度，都可能大幅高于滾珠絲杠。T在全球范圍內(nèi)積極尋找該零部件供應(yīng)商。

其次，關(guān)節(jié)扭矩傳感器也是重點(diǎn)零部件，其連接減速機(jī)與關(guān)節(jié)，量測(cè)關(guān)節(jié)處的扭矩變化，其目前國(guó)內(nèi)能夠做的公司數(shù)量非常有限，主要原因系此前該零部件主要用于協(xié)作機(jī)器人+汽車假人測(cè)試+打磨機(jī)器人等場(chǎng)景，屬于小眾市場(chǎng)產(chǎn)品，所以目前T在該環(huán)節(jié)的降本訴求預(yù)計(jì)也較為迫切。

圖表1：teslabot價(jià)值量拆分估算表圖表2：行星滾柱絲杠與滾珠絲杠的對(duì)比

2.重要論文中顯示的重要邊際有哪些？近期，UCLA（加州大學(xué)洛杉磯分校）Zhu，Taoyuanmin發(fā)布其博士論文，其師從DennisW.Hong，后者為加州大學(xué)洛杉磯分校機(jī)械和航空航天工程教授、RoMeLa機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室主任。由于RoMeLa在腿足機(jī)器人領(lǐng)域探索頗多，其最新論文成果有一定可借鑒意義（但必須說(shuō)，并非代表其是最終形態(tài)）。

PART1：Introduction1）諧波+力矩傳感成為重要人形機(jī)器人解決方案，優(yōu)勢(shì)明顯：諧波+力矩傳感器測(cè)量及控制力矩靈敏度高+準(zhǔn)確性強(qiáng)。然而，具有高齒輪減速比的機(jī)器人更適合緩慢且相對(duì)靜止的運(yùn)動(dòng)。這是由于諧波驅(qū)動(dòng)器和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(wú)法吸收每次腳落地時(shí)都會(huì)發(fā)生的沖擊載荷。2）因此，除了諧波+力矩傳感，科研領(lǐng)域也在開(kāi)發(fā)更多的方案，SEA有潛力，下肢中滾珠絲杠在某些情況下是首選。①SEA，全名serieselasticacuators，串聯(lián)彈性執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在在齒輪箱和載荷之間引入一個(gè)彈性元件（彈簧），通過(guò)測(cè)量彈性元件中的偏轉(zhuǎn)，可以作為結(jié)果來(lái)評(píng)估力。這個(gè)方案潛力較大，彈簧對(duì)于外部沖擊力有緩沖作用。②proprioceptiveacuators（本體執(zhí)行機(jī)構(gòu)），這是一種比較傳統(tǒng)的方式，就是利用機(jī)器人電機(jī)自身的電流來(lái)測(cè)量及控制力矩，從而進(jìn)行操作判斷，這種方式的問(wèn)題在于靈敏度低，從圖表3來(lái)看，這種方式最不利于形成更高的力矩（torque）水平。③方案為液壓傳動(dòng)，這種方式的問(wèn)題在于液壓泵、閥門和軟管的這一整套系統(tǒng)的復(fù)雜性難以克服。④在機(jī)器人下肢開(kāi)發(fā)中，在某些情況下，線性執(zhí)行器是首選，因?yàn)樗鼈兲峁┝俗吭降姆庋b選項(xiàng)，并且滾珠絲杠既高效又易于使用。

圖表3：行星滾柱絲杠與滾珠絲杠的對(duì)比

圖表4：不同傳動(dòng)方式對(duì)比（其中highpowerBLDC為高性能無(wú)刷直流電機(jī)）PART2：ActuatorDesign（執(zhí)行機(jī)構(gòu)，也就是電機(jī)+減速機(jī)等的設(shè)計(jì)）1）電機(jī)設(shè)計(jì)：重點(diǎn)在于提升電機(jī)的氣隙半徑，原因在于：電機(jī)扭矩τ與其氣隙半徑r2g成正比，并與電機(jī)堆棧長(zhǎng)度ls成線性比例。按照論文表述來(lái)看，氣隙半徑適配于低的減速機(jī)的減速比，對(duì)于電機(jī)峰值扭矩沒(méi)有太大差別，因而在維持核心電機(jī)指標(biāo)峰值扭矩的同時(shí)，可以適當(dāng)程度配置低減速比的減速機(jī)。

原文闡述：執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析的另一部分是確定期望的減速比。假設(shè)一個(gè)帶有傳統(tǒng)電機(jī)的執(zhí)行器，齒輪減速為128:1。通過(guò)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(jī)與128:1的齒輪減速機(jī)相比，將具有更高的效率。這說(shuō)明：將氣隙半徑放大，我們可以使用要求更低的單級(jí)行星減速機(jī)。與此同時(shí)，有大的氣隙半徑電機(jī)創(chuàng)造了更大的空白空間，徑向嵌套轉(zhuǎn)子、定子和齒輪箱的設(shè)計(jì)使得執(zhí)行器包裝具有很高的空間效率。

圖表5：電機(jī)扭矩與氣隙半徑（r2g）與堆棧長(zhǎng)度ls成正相關(guān)

2）減速機(jī)設(shè)計(jì)：在加大電機(jī)氣隙半徑的設(shè)計(jì)之下，減速機(jī)可以不必使用減速比高的高性能減速機(jī)。由于摩擦和反射慣性，在高減速比設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)可以承受和傳遞沖擊力通過(guò)電機(jī)而不破壞減速機(jī)。低減速比的行星減速機(jī)單價(jià)顯著低于諧波、RV等，但更適用對(duì)于速度要求低的場(chǎng)景，因而大氣隙半徑+低減速比更適合于機(jī)器人下肢。

圖表6：高減速比vs低減速比減速機(jī)使用之下伴隨電流提升扭矩的變化（上圖使用減速機(jī)減速比為225:1，下圖為低減速比，反向力之下，下圖扭矩上升曲線好很多）3）熱管理：由于過(guò)度焦耳加熱，執(zhí)行機(jī)構(gòu)不能長(zhǎng)時(shí)間維持峰值負(fù)載。為了解決這個(gè)問(wèn)題，機(jī)器人需要廣泛的冷卻系統(tǒng)來(lái)不間斷地運(yùn)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(jìn)行液體冷卻。

PART3：MechanicalDesign（機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)）1）下肢設(shè)計(jì)（即髖部、腿部、腳部）下肢設(shè)計(jì)最為重要，原因?yàn)樵谡撐囊圆糠?，外部沖擊力對(duì)于高性能減速機(jī)+傳感器的沖擊更多表現(xiàn)為下肢。

本篇論文中，在下肢的創(chuàng)新上，主要包括：①去除一個(gè)腳踝關(guān)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(guān)節(jié)偏航（yaw，控制髖本身的運(yùn)動(dòng)）、髖關(guān)節(jié)滾轉(zhuǎn)（roll，圖示轉(zhuǎn)盤位置，控制腿部前后擺動(dòng)）、髖關(guān)節(jié)俯仰（pitch，控制腿部左右擺動(dòng)）、膝關(guān)節(jié)俯仰、踝關(guān)節(jié)俯仰和踝關(guān)節(jié)滾轉(zhuǎn)（見(jiàn)圖表7）?，F(xiàn)在考慮的是將腳部的滾動(dòng)自由度省略，原因是其在機(jī)器人快走或者奔跑時(shí)基本上未被用到，這樣可以減少機(jī)器人在奔跑時(shí)腿部與該關(guān)節(jié)的撞擊以及地面沖擊力。但這樣可能會(huì)喪失一定的平衡性。

圖表7：下肢自由度分布圖

②另一種是簡(jiǎn)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(guò)這樣做，行走時(shí)兩個(gè)執(zhí)行器之間的扭矩分配更加均勻。因此，兩個(gè)執(zhí)行器可以使用相同的執(zhí)行器模塊，而無(wú)需特別定制。這種設(shè)計(jì)的另一個(gè)好處是，偏航和滾動(dòng)驅(qū)動(dòng)器現(xiàn)在隱藏在骨盆結(jié)構(gòu)的后面。這給股骨提供了更好的髖關(guān)節(jié)俯仰運(yùn)動(dòng)范圍的間隙，這有利于在膝蓋靠近胸部的運(yùn)動(dòng)，如下蹲運(yùn)動(dòng)。論文將其設(shè)計(jì)機(jī)器人ARTEMIS與直線設(shè)計(jì)機(jī)器人THORRD進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)足部離地位移逐步減少時(shí)，腿部承受力的百分比都會(huì)減少，但ARTEMIS減少更快，說(shuō)明其腿部力承受更少，更有益于提升性能、延長(zhǎng)壽命。

圖表8：髖部?jī)A角設(shè)計(jì)與直角設(shè)計(jì)的性能對(duì)比（artemis機(jī)器人即為論文設(shè)計(jì)機(jī)器人，髖部偏航軸與滾軸呈現(xiàn)45%，thorrd就是通常垂直設(shè)計(jì)的機(jī)器人）

在這種設(shè)計(jì)之下，論文引入了連桿結(jié)構(gòu)+電機(jī)+行星減速機(jī)。論文設(shè)計(jì)不是將執(zhí)行器（就是電機(jī)+減速）定位在關(guān)節(jié)上，而是使用連桿來(lái)移動(dòng)執(zhí)行器的近端并將運(yùn)動(dòng)向下傳遞到實(shí)際關(guān)節(jié)。膝關(guān)節(jié)執(zhí)行器向上移動(dòng)至與髖關(guān)節(jié)執(zhí)行器同軸，而踝關(guān)節(jié)執(zhí)行器重新定位至更靠近膝關(guān)節(jié)的位置。連桿傳動(dòng)不是一種新鮮的傳動(dòng)方式，常用的旋轉(zhuǎn)變直線的傳動(dòng)方式包括：帶傳動(dòng)、鏈條傳動(dòng)、齒輪齒條傳動(dòng)、連桿傳動(dòng)、絲杠傳動(dòng)、曲柄機(jī)構(gòu)等，其與絲杠一樣并非新興概念。但連桿在人形機(jī)器人當(dāng)中可能會(huì)用到的原因是比皮帶及鏈條等結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

論文強(qiáng)調(diào)，為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，采用了平行四桿機(jī)構(gòu)，但犧牲了運(yùn)動(dòng)范圍。這是因?yàn)楫?dāng)關(guān)節(jié)接近奇點(diǎn)時(shí)，連桿力急劇增加，限制了可用扭矩。如圖3.8所示，采用設(shè)計(jì)的連桿力為15kN來(lái)確定連桿的尺寸。大約140度的運(yùn)動(dòng)范圍可以在不影響膝關(guān)節(jié)峰值扭矩的情況下實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，為了盡量減少傳輸損失，論文引入全補(bǔ)滾子軸承(IKONAG4901UU)用作桿端。與滑動(dòng)軸承相比，滾子軸承具有更低的摩擦以及側(cè)隙，以稍重的重量為代價(jià)。滾子軸承也有約束運(yùn)動(dòng)在平面內(nèi)，使屈曲不太可能發(fā)生。

圖表9：膝蓋關(guān)節(jié)與髖滾動(dòng)關(guān)節(jié)之間的連桿設(shè)計(jì)（大腿內(nèi)部結(jié)構(gòu)）

2）軀干設(shè)計(jì)：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(jié)構(gòu)強(qiáng)于焊管。T型槽為一種固定方式（見(jiàn)圖表10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(jié)構(gòu)的好處是，如果要在以后的時(shí)間點(diǎn)添加新的儀器，安裝功能可以很容易地添加或修改。現(xiàn)成的支架，緊固件和硬件也使其易于設(shè)計(jì)，加工要求最低。手柄安裝在軀干的頂部背部，便于運(yùn)輸及安裝。控制主機(jī)、熱管理（液冷及風(fēng)扇）、電池、電子模塊等均安裝在軀干內(nèi)，且具備可調(diào)整性。t型

圖表10：軀干示意圖

3）臂部設(shè)計(jì)：重要性同樣低于下肢，其主要作用是為了實(shí)現(xiàn)平衡。論文將手臂將設(shè)計(jì)為四個(gè)自由度，以盡量減少四肢的重量，一個(gè)3自由度的肩關(guān)節(jié)和一個(gè)1自由度的肘關(guān)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(dòng)以產(chǎn)生抵消的動(dòng)量。但是，本文對(duì)于上肢關(guān)節(jié)間的傳動(dòng)系統(tǒng)沒(méi)有太多討論（例如絲杠、連桿等）。為了鞏固和減少零件數(shù)量，每個(gè)臂的所有四個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)都是相同類型的。肩關(guān)節(jié)在俯仰-滾滾-俯仰結(jié)構(gòu)中有三個(gè)相交的軸，這與肩關(guān)節(jié)的屈伸、外展/內(nèi)收和肩關(guān)節(jié)的內(nèi)旋/外旋有關(guān)。兩個(gè)節(jié)距接頭的輸出軸均為單支撐配置，而輥?zhàn)訄?zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出軸為雙支撐夾持配置。彎頭節(jié)距執(zhí)行機(jī)構(gòu)位于關(guān)節(jié)處，有輕微的偏移，以增加肘關(guān)節(jié)的屈曲運(yùn)動(dòng)范圍，使末端執(zhí)行器可以接觸肩部。為了盡量減少設(shè)計(jì)的重量，采用碳纖維管作為臂的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

圖表10：上肢自由度分布圖PART4：SystemDesign（偏算法+電子）攝像頭+IMU+傳感器本質(zhì)上都屬于機(jī)器人的傳感部分。廣泛的傳感器陣列用于測(cè)量和估計(jì)機(jī)器人的狀態(tài)，聯(lián)系信息以及相對(duì)于世界的全球位置。除了關(guān)節(jié)電流傳感器和關(guān)節(jié)角度編碼器外，主要使用的傳感器還有立體視覺(jué)相機(jī)、慣性傳感器1）攝像機(jī)：論文選擇立體視覺(jué)相機(jī)而不是激光雷達(dá)，因?yàn)槠湎鄬?duì)實(shí)惠的價(jià)格和在室內(nèi)和室外環(huán)境下的穩(wěn)健性。來(lái)自Stereolabs的ZED2因其寬視場(chǎng)(FoV)，集成IMU和具有深度傳感，位置跟蹤和目標(biāo)檢測(cè)的完整SDK而被選中。ZED2安裝在機(jī)器人的頭部，具有平移和傾斜的2自由度頸部關(guān)節(jié)，用于定位相機(jī)。除了ZED2攝像頭，兩個(gè)英特爾RealSenseD435i分別安裝在機(jī)器人的前后，提供機(jī)器人附近的高保真地面信息（形成效果如圖表11所示）。

圖表11：機(jī)器人視野

2）IMU（慣性導(dǎo)航）：IMU是能夠平衡和穩(wěn)定行走的關(guān)鍵傳感器。典型的IMU傳感器包括三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀?？蛇x的，三軸磁強(qiáng)計(jì)也包括真北參考，通常稱為姿態(tài)和航向參考系統(tǒng)(AHRS)。最初選擇ParkerLORDMicrostrain基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的IMU3DM-GX5是因?yàn)槠涑叽绾蛢r(jià)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，我們切換到MicroStrain3DM-CV7戰(zhàn)術(shù)級(jí)IMU，其性能正在接近Microstrain系列IMU內(nèi)置擴(kuò)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(shí)踐中,由于大量的軟硬鐵干擾，基于磁力計(jì)的航向參考被忽略。航向數(shù)據(jù)一直是純粹的陀螺為基礎(chǔ)的，將依賴于外部傳感器，如相機(jī)或全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)的航向補(bǔ)償。IMU目前尚沒(méi)有機(jī)器人的參考價(jià)值量，但I(xiàn)MU逐步用于全球部分中高端車輛，其單車價(jià)值量平均來(lái)看1800元左右，國(guó)內(nèi)廠商為華依科技、導(dǎo)遠(yuǎn)等。3）足部傳感器：基于6軸力矩傳感器的升級(jí)。對(duì)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(guò)載。因此，針對(duì)特定的任務(wù)設(shè)計(jì)了定制的足部傳感器。目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)堅(jiān)固的足部傳感器，可以可靠地檢測(cè)地面接觸。而不是完整的6軸力和扭矩傳感，定制的腳傳感器只能測(cè)量?jī)蓚€(gè)垂直的地面反作用力，位于腳后跟和腳趾。6軸IMU作為一個(gè)額外的傳感器也集成在腳傳感器PCB上。陀螺儀和加速度計(jì)的數(shù)據(jù)可以用來(lái)進(jìn)一步提高狀態(tài)估計(jì)器的性能，或者為未來(lái)的研究提供幫助。

3.近期產(chǎn)業(yè)顯示的重要邊際有哪些？3.1.行星滾柱絲杠加工難度大，腿部不排除部分嘗試論文中提到的方式，如上文所述增量為連桿+行星減速機(jī)。行星滾柱絲杠目前是被應(yīng)用于特斯拉下肢（大腿、小腿）的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其優(yōu)勢(shì)在于功能非常強(qiáng)大（詳情見(jiàn)本文圖表2），但其劣勢(shì)也是顯而易見(jiàn)的，即加工難度大（顯著大于滾珠絲杠），對(duì)于機(jī)床、磨床等要求極高，采購(gòu)設(shè)備尚具備一定難度。因而，其他傳動(dòng)方式也有望開(kāi)始進(jìn)入人形機(jī)器人研究視野。

圖表12：行星滾柱絲杠示意圖

圖表13：行星滾柱絲杠示意圖

3.2