论文跟踪三大增量：传动方式+行星减速机+IMU

行业报告| 行业深度研究 证券研究报告 2023年06月30日 机械设备 论文跟踪三大增量：传动方式+行星减速机+IMU 分析师李鲁靖SAC执业证书编号：S1110519050003 作者： 分析师朱晔SAC执业证书编号：S1110522080001 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 行业评级：强于大市（维持评级）上次评级：强于大市 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 2 摘要 近期重要论文：UCLAZhu.Taoyuanmin的博士论文DesignofaHighlyDynamicHumanoidRobot，提出的是腿部未涉及行星滚柱丝杠的方 案，其核心在于大气隙半径电机+普通行星减速机+四连杆方案。 论文核心看点： 1）液体冷却的需求有望提升；2）IMU在头部及足部的普遍应用；3）髋部设计不同于常规机器人，呈现髋偏航轴（yaw）与髋滚轴 （roll）的45°倾斜角；4）T型槽在躯干中的应用，结构件及T型槽普遍使用五轴机床加工。 催化时点：1）多地机器人产业政策有望陆续落地，政策端支持力度不断加码。继上海、深圳分别在5月31日、6月15日发布机器人产业引导政策后，北京市于6月28日公布了机器人的产业支持政策，未来各地产业支持政策有望陆续落地，政策端支持力度不断加码。2）未来两个月内人形机器人有望迎来密集催化时间节点。人形机器人主要的近期催化事件主要为7月Dojo芯片的生产以及7月国产康复机器人巨头傅利叶智能的人形机器人GR-1的发布。我们预计2023特斯拉AIDay举办时，Optimus有望展现出更完善的开发形态。 。 建议关注标的： 1）基石标的：三花智控（与家电组联合覆盖）、绿的谐波、鸣志电器、江苏雷利（与电新组联合覆盖）、鼎智科技 2）传感器标的：柯力传感（与中小市值组联合覆盖）、汉威科技 新增标的： 1）连杆：三联锻造 2）行星减速机：双环传动（与汽车和中小市值组联合覆盖）、中大力德 3）IMU：华依科技 风险提示：人形机器人商业化进展不及预期的风险；上游零部件技术路径变更的风险；零部件国产化进展不及预期的风险。 1 Introduction 引言及介绍 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 执行机构，也就是电机+减速机等的设计3 1.1引言：现有的特斯拉人形机器人价值量分布及关键零部件回顾 人形机器人是AI在硬件层面落地的非常重要的方向，特斯拉在21年8月发布至今开始得到越来越多的市场关注，但当前位置，我们认为无论是特斯拉机器人还是其他的人形机器人结构设计及零部件选型并未达到定型状态，原因在于当前机器人硬+软成本距离真正量产目标售价仍有较大距离，降本与功能实现的重要性显而易见。 论文中的重要边际： 近期，UCLA（加州大学洛杉矶分校）TaoyuanminZhu发布其博士论文，其师从DennisW.Hong，后者为加州大学洛杉矶分校机械和航空航天工程教授、RoMeLa机器人实验室主任。由于RoMeLa在腿足机器人领域探索颇多，其最新论文成果有一定可借鉴意义（但必须说，并非代表其是最终形态）。 1.2介绍：谐波+力矩传感为主流方案，SEA、滚柱丝杠具备应用潜力 谐波+力矩传感成为重要人形机器人解决方案，优势明显。 谐波+力矩传感器测量及控制力矩灵敏度高+准确性强。然而，具有高齿轮减速比的机器人更适合缓慢且相对静止的运动。这是由于谐波驱动器和F/T传感器很脆弱，易受到冲击。此外，齿轮箱的高惯性和低效率使其无法吸收每次脚落地时都会发生的冲击载荷。 因此，除了谐波+力矩传感，科研领域也在开发更多的方案，SEA有潜力，下肢中滚柱丝杠在某些情况下是首选。 ①SEA，全名serieselasticacuators，串联弹性致动器，在齿轮箱和载荷之间引入一个弹性元件（弹簧），通过测量弹性元件中的偏转，可以作为结果来评估力。这个方案潜力较大，弹簧对于外部冲击力有缓冲作用。 ②proprioceptiveacuators（本体驱动器)），这是一种比较传统的方式，就是利用机器人电机自身的电流来测量及控制力矩，从而进行操 作判断，这种方式的问题在于灵敏度低，从下图来看，这种方式最不利于形成更高的力矩（torque）水平。 ③方案为液压传动，这种方式的问题在于液压泵、阀门和软管的这一整套系统的复杂性难以克服。 ④在机器人下肢开发中，在某些情况下，线性执行器是首选，因为它们提供了卓越的封装选项，并且滚柱丝杠既高效又易于使用。 图：行星滚柱丝杠与滚柱丝杠的对比 注：Stiffness为刚性；highreductionFTsensor即为高效减速机+力矩传感方案；torquedensity 为力矩密度，越高越好；impactmitigation为对外部冲击的减少能力，越高越好 图：不同传动方式对比 注：其中highpowerBLDC为高性能无刷直流电 2 ActuatorDesign 执行机构设计 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 执行机构，也就是电机+减速机等的设计6 2.1执行机构——电机设计：重点在于提升电机的气隙半径 � 执行机构的设计重点在于提升电机的气隙半径，原因在于：电机扭矩τ与其气隙半径��成正比，并与电机堆栈长度ls成线性比例。按照论文表述来看，气隙半径适配于低的减速机的减速比，对于电机峰值扭矩没有太大差别，因而在维持核心电机指标峰值扭矩 的同时，可以适当程度配置低减速比的减速机。 原文中：执行机构设计分析的另一部分是确定期望的减速比。假设一个带有传统电机的执行器，齿轮减速为128:1。通过增加气隙半径4倍，所需的齿轮减速减少到8:1。由此产生的执行器将具有相同的峰值扭矩。然而，减速比为8:1的齿轮减速机与128:1的齿轮减速机相比，将具有更高的效率。这说明：将气隙半径放大，我们可以使用要求更低的单级行星减速机。 与此同时，具有较大气隙半径电机的另一个好处是，它在中间创造了更大的空隙，径向嵌套转子、定子和齿轮箱的设计使得执行器包装具有很高的空间效率。 g 图：电机扭矩与气隙半径（r𝟐）与堆栈长度ls成正相关 2.2执行机构——减速机设计：相比于谐波、RV，行星减速机更适用于下肢 在加大电机气隙半径的设计之下，减速机可以不必使用减速比高的高性能减速机。由于摩擦和反射惯性，在高减速比设计之下，传统的执行器很容易因冲击载荷而损坏。而低减速比的设计可以通过电机来实现承受和传递冲击力，同时不破坏减速机。我们认为，大气隙半径+低减速比更适合于机器人下肢。 图：高减速比vs低减速比减速机使用之下伴随电流提升扭矩的变化 注：左图使用减速机减速比为225:1，右图为低减速比，反向力之下，下图扭矩上升曲线好很多 2.3执行机构——热管理设计：液体冷却的需求有望提升 主流的冷却方式有以下几种：1）nTIM+SA：无热传递材料，自然对流。2）TIM+SA：灌封导热胶，自然对流。3）TIM+F：灌封导热胶，强制风冷。4）TIM+LC：灌封导热胶，液体冷却。5）IC：浸没式冷却。 由于过度焦耳加热，执行机构不能长时间维持峰值负载。为了解决这个问题，机器人需要广泛的冷却系统来不间断地运行。在执行器外壳上的内置冷却剂通道允许它们使用集中冷却系统进行液体冷却。 图：冷却方法图示 3 MechanicalDesign 机器人机械结构设计 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明10 3.1结构设计——下肢设计：下肢减速机+传感器承受外部冲击较多，设计尤为重要 由于外部冲击力对于高性能减速机+传感器的冲击更多表现在下肢上，因此下肢的设计尤为重要。 本篇论文中，在下肢的创新上，主要包括： 1）去除一个脚踝关节，下肢自由度从6自由度变为5自由度。下肢6自由度分布在：髋关节偏航（yaw）、髋关节滚转（roll，图示转盘位 置）、髋关节俯仰（pitch）、膝关节俯仰、踝关节俯仰和踝关节滚转（见下图）。现在考虑的是将脚部的滚动自由度省略，原因是其在机器人快走或者奔跑时基本上未被用到，这样可以减少机器人在奔跑时腿部与该关节的撞击以及地面冲击力。但这样可能会丧失一定的平衡性。 2）另一种是简单地将髋部偏航轴（yaw）和髋部滚轴（roll）呈现yaw向前倾斜45度。通过这样做，行走时两个执行器之间的扭矩分配 更加均匀。因此，两个执行器可以使用相同的执行器模块，而无需特别定制。这种设计的另一个好处是，偏航和滚动驱动器现在隐藏在骨盆结构的后面。这给股骨提供了更好的髋关节俯仰运动范围的间隙，这有利于在膝盖靠近胸部的运动，如下蹲运动。论文将其设计机器人ARTEMIS与直线设计机器人THORRD进行对比，当足部离地位移逐步减少时，腿部承受力的百分比都会减少，但ARTEMIS减少更快，说明其腿部力承受更少，或更有益于提升性能、延长寿命。 资料来源：UCLAZhu.Taoyuanmin《DesignofaHighlyDynamicHumanoidRobot》，天风证券研究所 11 图：下肢自由度分布图 图：髋部倾角设计与直角设计的性能对比 注：Artemis机器人即为论文设计机器人，髋部偏航轴与滚轴呈现45%，ThorRd就是通常垂直设计的机器人 3.1结构设计——下肢设计：下肢减速机+传感器承受外部冲击较多，设计尤为重要 在这种设计之下，论文引入了连杆结构+电机+行星减速机。 论文设计不是将执行器（就是电机+减速）定位在关节上，而是使用连杆来移动执行器的近端并将运动向下传递到实际关节。膝关节执行器向上移动至与髋关节执行器同轴，而踝关节执行器重新定位至更靠近膝关节的位置。  论文强调，为了简单起见，采用了平行四边形连杆机构，但牺牲了运动范围。 这是因为当关节接近奇点时，连杆力急剧增加，限制了可用扭矩。如下图所示，采用设计的连杆力为15kN来确定连杆的尺寸。在不影响膝关节峰值扭矩的情况下可以实现大约140度的运动范围。同时，为了尽量减少传输损失，论文引入全补滚子轴承(IKONAG4901UU)用作杆端。与滑动轴承相比，滚子轴承具有更低的摩擦以及侧隙，但它的质量更大。滚子轴承在平面内限制了运动同时避免了屈曲的发生。 图：膝盖关节与髋滚动关节之间的连杆设计（大腿内部结构） 资料来源：UCLAZhu.Taoyuanmin《DesignofaHighlyDynamicHumanoidRobot》，天风证券研究所12 3.2结构设计——躯干设计：核心在于轻量化及可调整性 重要程度低于下肢，核心在于轻量化及可调整性，T型槽结构强于焊管。 T型槽为一种固定方式（下图中的T-slottedaluminumframing所指小方块，尺寸为20mm*20mm），不是用焊接完全焊牢，使用t型槽框架代替焊管结构的好处是，如果要在以后的时间点添加新的仪器，安装功能可以很容易地添加或修改。现成的支架，紧固件和硬件也使其易于设计，加工要求最低。手柄安装在躯干的顶部背部，便于运输。躯干的设计目标是容纳所有的电子和电池，同时保持灵活性。 图：躯干示意图 3.3结构设计——臂部设计：主要作用是维持机器人整体的平衡 臂部设计主要作用是维持机器人整体的平衡。 论文将手臂设计为四个自由度，以尽量减少四肢的重量，一个3自由度的肩关节和一个1自由度的肘关节。执行器的大小要能够支撑身体的重量，并能够快速摆动以产生抵消的动量。但是，该论文对于上肢关节间的传动系统没有太多讨论 （例如丝杠、连杆等）。 为了合并和减少部件数量，每个臂的所有四个驱动器都是同一类型的。肩关节有三个相互交叉的轴，呈俯仰-滚动-俯仰结构，这与肩关节的屈/伸、外展/内收和肩关节的内/外旋有关。两个节距关节的输出轴在单支持配置，而滚动执行机构的输出在双支撑夹持配置。弯头节距执行机构位于关节处，有轻微的偏移，以增加肘关节的屈曲运动范围，使末端执行器可以接触肩部。为了尽量减少设计的重量，采用碳纤维管作为臂的结构构件。 图：上肢自