人形机器人系列专题（三） ：链条在人形机器人中的应用

高精度的传动控制使得机械传动被广泛应用。传递动力主要有三种基本方式：机械传动、电力传动和流体动力传动（含气压传动及液压传动）。机械传动是通过齿轮、齿条、带、链等机件传递动力和进行控制的，其优点是传动准确可靠、传动效率高，实现回转运动的结构简单，同时可以传递较大扭矩。 链传动相较于其他传动有其特定优势区间。根据应用场景的不同需求，才能选择出最为适合的机械传动形式。通过对比各类机械传动的特点，我们能够注意到，链传动应用在传动速度低、负载/扭矩大、传动效率要求高、输入输出中心距较远、工作环境恶劣等场景下表现优异。 人形机器人应用场景天然需求灵活的运动性能。人形机器人的运动性能作为最直观的产品表现，是消费者首要关注的部分。基于此，下游应用场景对于人形机器人产品的设想中，天然包含了“能够做到像人类一样灵活运动”的潜在需求。人形机器人所需要的运动性能应当是力大身轻、能耗小、反应快，其运动核心集中在下半身。一个强大的执行器应当满足以下几个标准：（1）具备高的输出自重比（2）具备低的输出代价（3）具备高的力响应速度。对于人形机器人的下肢传动执行，主要有两大类实现方法，一种是以液压执行器为核心的液压驱动，一种是以电机为核心的电驱动。采用液压驱动能够使得人形机器人的运动性能强劲，但由于其成本居高不下，难以商业化。在液压方案短期内无法克服规模化问题的情况下，后续厂商如特斯拉、小米、优必选等大多转向了稳定性、性价比更高的电机驱动方案。行业内对传动部件选择各异，尚未有链传动确定方案。我们认为，特斯拉Optimus主要依靠执行器的方案，希望得到的是能够规模化量产、成本可控、结构可靠、低耗能的机器人，因此对于类似波士顿动力Atlas的高动态、高响应速度并非核心诉求。 链传动凭借特性可适用于高扭矩电机及高运动性能要求场景。作为力矩的根本来源，电机扭矩密度在系统中总是至关重要。在电机扭矩密度不断提升的情况下，链传动等小减速比传动部件的需求将得到拓展。小减速比传动部件一般是行星减速器、带/链传动、连杆机构等，链条相比其他传动部件，其特点在通用机器人天然需要替代的枯燥重复、危害健康等行业工况中具备优势。 链传动方案替换的切入场景：（一）为追求人形机器人优秀的运动性能，部分技术方案中将执行器置于关节远端，该情况下链传动或成为最优解。（二）链传动的替代场景还存在于机器人上半身手臂时，采用了两级链传动+手肘处肌腱传动的方案。此外，日本椿本链条预计2024年推出世界上最小的超紧凑滚子链，应用场景为先进医疗设备及机器人。 链传动方案可用于人形机器人的降本。行星滚柱丝杠海外产品售价高，国产尚未规模化，仍需等待国内厂商量产降本。链条传动成本相对较低，在满足性能及技术要求的情况下控制成本效果显著。 风险提示： 人工智能及大模型发展不及预期风险；核心零部件降本不达预期风险；人形机器人商业化应用不理想风险；政策支持落地力度不达预期风险。 1当前人形机器人传动执行方案比较 1.1高精度的传动控制使得机械传动被广泛应用 传递动力主要有三种基本方式：机械传动、电力传动和流体动力传动（含气压传动及液压传动）。一般需要根据每种传动方式的基本特点来正确地选择适合的传动方式。 电力传动是利用电力设备并调节电参数来传递动力和进行控制的。其主要优点是能量传递方便，信号传递迅速，标准化程度高，易于实现自动化等。其缺点是运动平稳性差，易受外界负载的影响，惯性大，起动及换向慢，成本较高，受温度、湿度、振动、腐蚀等环境因素影响较大。为了改善其传动性能，有些场合往往与机械（机电传动）、气压或液压传动结合使用。 气压传动是用压缩空气作为工作介质进行能量传递和控制的。其优点是结构简单，成本低，易于实现无级调速，阻力损失小，防火防爆，对工作环境适应性好。其缺点是由于空气易压缩，负载对传动特性的影响较大，工作压力低，只适用于小功率传动。 液压传动是以液体作为工作介质进行能量转换、传递和控制的。其优点是功率/质量比及力/质量比大，控制灵活，响应速度快，能实现无级调速，控制方便容易实现自动化，液压元件易于通用化、标准化，使用寿命长等。其缺点是作为工作介质的液体泄漏导致污染，液体的可压缩性、温度影响及管路弹性变形等导致难以实现严格的传动比、传动效率较低，液压元件制造精度高价格贵，且在封闭系统内工作故障难以处理。 机械传动是通过齿轮、齿条、带、链等机件传递动力和进行控制的，能够转变原动机输出的动力及运动形式以满足工作机的需求，实际运用中常见多种基本传动机构组合使用以构成机械传动系统。其优点是传动准确可靠、传动效率高，实现回转运动的结构简单，同时可以传递较大扭矩，制造容易、操作简单、维护方便等。其缺点是一般不能进行无级调速，远距离传动较困难，结构复杂成本高等。因此，机械传动主要用于中低速、传动比要求精确的工作场景中。 图表1：机械传动同电气传动、流体动力传动性能对比 根据传动原理的差异，可将机械传动分为摩擦传动、啮合传动、推压传动三类。其中，摩擦传动包括带传动、绳传动等；啮合传动包括齿轮/齿轮机构传动（圆柱齿、锥齿、行星齿等）、蜗杆传动、螺旋传动、链传动、同步带传动等；推压传动包括凸轮/棘轮/槽轮机构、连杆机构等。 1.2链传动相较于其他传动有其特定优势区间 根据应用场景的不同需求，才能选择出最为适合的机械传动形式。最主要需要考虑的是执行系统中驱动力的情况、传导到各关节点之后需要实现的运动形式/方向/速度、运转工况等核心方面。其他还需考量的有工作传递的功率大小（齿轮传动＞带/链传动＞蜗杆传动），传动效率，结构布置与外廓尺寸（传动尺寸紧凑：齿轮传动、蜗杆传动，传动距离较远：带/链传动），传动部件运转环境（工作环境恶劣一般用链传动），输出运动的精度，位置结构和尺寸等。 各主要传动形式的特点及应用场景选择如下表。 图表2：常用机械传动的形式、特点及应用 通过对比各类机械传动的特点，我们能够注意到，链传动应用在传动速度低、负载/扭矩大、传动效率要求高、输入输出中心距较远、工作环境恶劣等场景下表现优异，而在安装空间较小、需求传动平稳性高（链传动瞬时传动比不固定）、需要输出直线运动等场景则不甚合适。 1.3人形机器人应用场景天然需求灵活的运动性能 人形机器人的运动性能作为最直观的产品表现，是消费者首要关注的部分。人形机器人未来的具体应用场景虽尚未明晰，但能够讲人类从枯燥、肮脏或危险的环境中解放出来的通用型机器人，被许多人视为机器人领域的最终目标。从装配线上的机械臂，到空中漫游的送货无人机，专用机器人在过去几十年间彻底改变了各行各业，为人们的生活带来了巨大便利，然而多功能的通用型机器人依旧不见踪迹。基于此，下游应用场景对于人形机器人产品的设想中，天然包含了“能够做到像人类一样灵活运动”的潜在需求。事实上，人形机器人的发展也正向着追求更灵活、更敏捷的运动性能努力，用以替代特定生产线特定环节的工业机器人普遍是四轴SCARA或是六轴机器人，即有4个、6个自由度，特斯拉展示的Optimus工程样机身体上有28个关节自由度，手部还有11个自由度，而真实的人体光手部就有27个自由度，全身自由度超过200个，目前的人形机器人在灵活度上还望尘莫及。对于运动敏捷方面，我们看到例如波士顿动力（Boston Dynamics）的Atlas由液压驱动，能够跑酷、360°后空翻等极限运动，身手敏捷大幅向人类靠近。 图表3：Atlas灵活敏捷的运动能力展示 人形机器人所需要的运动性能应当是力大身轻、能耗小、反应快，其运动核心集中在下半身。波士顿动力研发的Atlas展现出来的运动能力令人叹为观止，甚至可以说树立了人形机器人的业界标杆。类似于人类身体中大脑控制肌肉，对于复杂的人形机器人系统来说，就是将复杂的控制算法通过执行器来体现，其中“大脑”是控制算法，而“肌肉”则是执行器，想要达到优秀的运动能力二者缺一不可。我们这里仅讨论执行器相关，一个强大的执行器应当满足以下几个标准：（1）具备高的输出自重比，即输出同样的力，执行器的重量越轻越好；（2）具备低的输出代价，即输出同样的力，执行器需要的能量消耗越少越好；（3）具备高的力响应速度，即执行器能够快速的根据需求输出力，响应延迟越低越好。一般来讲，考虑到人的下肢力量是远大于上肢力量的。健康的人都能毫不费力地站立，通过下肢支撑起整个身体的重量，但大多数普通人不经过训练是很难倒立的，主要原因就是因为人类的上肢力量比下肢弱很多，所以人形机器人的运动核心通常也集中在下半身。 对于人形机器人的下肢传动执行，主要有两大类实现方法，一种是以液压执行器为核心的液压驱动，一种是以电机为核心的电驱动。根据UCLA的近期发表的论文《Design of a Highly Dynamic Humanoid Robot》（Zhu, Taoyuanmin），在研究开发UCLA的人形机器人ARTEMIS的过程中，将人形机器人下肢设计实现的方案做了大致分类，具体如下： 图表4：人形机器人下肢执行方案对比 采用液压驱动能够使得人形机器人的运动性能强劲，但由于其成本居高不下，难以商业化。液压驱动方面目前主要是波士顿动力，其效果及影响力均走在前列，其他诸如Moog和IIT共同研发的液压执行器系统等。波士顿动力Atlas选用了功率大的液压驱动，能够以极低的损耗输出相当大的力，执行器重量较低，且单一动力源可以拓展接多个液压执行器，本身就是中低速执行机构也符合人形机器人的输出速度。波士顿动力通过在液压驱动方面积累的大量专利，制造出一个非常紧凑的液压驱动装置，重5kg、功率5kW，里面有电动泵储液罐、电池、过滤器、电子设备和一个冷却系统，凭借28个液压驱动器完成各种爆发力强的杂技动作。以旧版Atlas为例，其输出最大的关节是腿部的膝关节和髋关节，分别达到了 890Nm 和 840Nm ，转速大约是115rpm。但是，即便液压驱动拥有前述诸多优点，也存在无法回避的缺点：（1）液压系统能量效率不高；（2）系统零件数量多，且对于超高集成度的液压执行器，常规机加工切削已无法满足要求，需要使用3D打印；（3）实现液压力的高响应比较复杂，液压的伺服控制需要独立的电机伺服泵和力传感器.这些因素导致液压方案制造成本居高不下，难以走出实验室、走向商业化。 图表5：Atlas的液压驱动装置 在液压方案短期内无法克服规模化问题的情况下，后续厂商如特斯拉、小米、优必选等大多转向了稳定性、性价比更高的电机驱动方案。在电机驱动方案中，伺服驱动器将位置、速度、扭矩告诉伺服电机，伺服电机将接收到的电压信号转换为扭矩及转速，减速器可以增加扭矩，优化低速运动的平稳性。虽然扭矩密度远低于液压驱动，但电机驱动可以通过搭配高减速比的减速器来加以补足，其现有技术已能满足机器人的多数运动需求，同时拥有能量转化效率、易维护、低成本、零件规整等优势。这一驱动方式通过位置、速度、力矩来实现对机器人的闭环控制，使精度更高。在机器人系统中，伺服电机能做到“说停就停、说走就走”，让执行系统能够“绝对服从”控制系统的命令。 1.4行业内对传动部件选择各异，尚未有链传动确定方案 由于产品应用定义不同、作用关节位置不同，执行器在物理指标、执行任务强度和功率等方面均不相同。为了探索最优的执行器方案，入局机器人的厂家多选择定制执行器的路线。 特斯拉（Optimus） 图表6：Optimus通过硬件仿真之后简化成的六种执行器图表7：Optimus膝关节使用的连杆传动机构 特斯拉Optimus共有28个运动关节，针对每个关节都有最优的执行器方案，但考虑到规模化生产的成本控制，又对全部关节做了拟合优化，最终得到了不同规格的3种旋转执行器和线性执行器。旋转执行器（永磁电机+谐波减速器）主要分布于肩髋等需要大角度旋转的关节，线性执行器（无框电机+行星滚柱丝杠）分布于膝肘等摆动角度不大的单自由度关节和腕踝两个双自由度但是体积紧凑的关节。这样的设计安排或许同Optimus实用化的设计理念相吻合，我们认为，特斯拉希望得到的是能够规模化量产、成本可控、结构可靠、低耗能的机