人形机器人产业系列报告（三）：人形机器人关节：从Optimus选型看关节的发展

中泰证券研究所专业｜领先｜深度｜诚信 ｜证券研究报告｜ 人形机器人关节：从Optimus选型看关节的发展 ——人形机器人产业系列报告（三） 2024.02.25 冯胜 中泰中游制造负责人&先进产业研究首席执业证书编号：S0740519050004 齐向阳 中泰先进产业研究组分析师 执业证书编号：S07405231000011 核心观点 关于人形机器人关节方案选型问题，业内存在诸多选型方案和争议。本篇报告从产品原理与需求现状出发，剖析了不同关节方案的选型依据及优劣势；并以特斯拉Optimus的选型为切入口，对人形机器人的产业化路径进行了推演和预判。 在不同关节位置，如何选择旋转or线性驱动器？ 人形机器人的关节设计需权衡平衡性、动态运动控制、高负载等多方面因素。 ①旋转驱动器：通常应用于高扭矩关节处，例如腕部、肩部、腰部、髋部关节转动幅度较大，对关节方案提出了较高的扭矩要求，多使用旋转驱动器。 ②直线驱动器：通常应用于旋转角度不大、高负载的位置，例如人形机器人双腿&双臂位置，采用直线驱动器可以起到较好的支撑和承重效果。 旋转驱动器的选型原理与各方案比较？ 旋转驱动器有望以“电机+减速器”方案为主。人形机器人实际工作场景中对输出扭矩密度要求较高，只靠电机难以满足，减速器成为必选项；从驱动器分类来看，关节方案主要分为刚性、弹性和准直驱方案。 ①谐波减速器需求量最大，带动力传感器需求：谐波减速器减速密度高，Optimus中14个自由度均搭载 谐波减速器，国内人形机器人也广泛使用谐波减速器；在谐波方案中，由于力矩透明度较低，需搭载力 /力矩传感器共同使用； ②行星&类RV减速器或迎发展机会：出于经济性考虑，国内部分主机厂（优必选、傅利叶、智元等）在大负载关节使用行星减速器；出于性能考虑，类RV减速器或将应用至高性能人形机器人（Optimus等）的大负载关节。2 核心观点 线性驱动器的选型原理与各方案比较？ 人形机器人直线驱动器需要具备良好的刚性表现和较高负载能力、精密的线性运动控制、柔顺连续的直线运动性能。通常来看，人形机器人双足、双臂采用连杆结构，连杆末端采用“电机+丝杠”结构，无需搭配减速器。 ①滚柱丝杠在人形机器人中的应用优势？ 滚柱丝杠具备高负载、高精度的特点，能实现连续、柔顺的直线运动，能够实现人形机器人线性关节位置的精确控制，其应用优势较为显著。 ②滚珠丝杠代替滚柱丝杠的几率几何？ 滚珠丝杠产品成熟度较高、精度高，在小臂、小腿等负载较小的位置上替代滚柱丝杠的可行性高，且能 大幅降低成本，契合人形机器人逐渐步入量产阶段的降本诉求。 ③T型丝杠取代滚柱&滚珠丝杠的应用几何？ 相较于自锁性能，直线驱动器更需要丝杠具备运动可逆的性能。在少数需要自锁功能的场景下，直线驱动器使用滚柱&滚珠丝杠，加装具备自锁功能的电机或设备的方案优势更为显著。从功能性来看，滚柱&滚珠丝杠更适合应用于人形机器人。 建议关注：【主机厂】特斯拉、优必选；【关节总成】三花智控、拓普集团；【减速器】绿的谐波、中大力德、双环传动；【滚柱&滚珠丝杠】恒立液压、贝斯特、长盛轴承；【球墨铸铁】恒工精密。 风险提示：人形机器人发展不及预期、市场竞争加剧的风险、零部件高成本带来需求不足的风险、研报使用的信息更新不及时的风险等。 目录 CONTENTS 1 2 3 人形机器人关节选择旋转&直线驱动器的依据旋转驱动器原理及不同选型方案比较 4 5 线性驱动器原理及发展路径讨论推荐旋转&线性驱动器相关标的相关标的盈利预测与估值 1.1Optimus-Gen2力/力矩传感器方案进一步丰富 2022年10月1日，在特斯拉AIDay上发布Optimus；2023年12月14日Tesla发布了Optimus-Gen2。 主体自由度：Optimus包括28个自由度，包括14个旋转自由度、14个线性自由度；OptimusGen2在 脖颈处增加2个自由度，全身具备30个自由度。 灵巧手自由度：Optimus灵巧手具有6个主动自由度、5个被动自由度；Optimus-Gen2增加至11个主动自由度，并在每个手指（指尖处）增加触控式传感器。 图表1：Optimus1自由度拆解图表2：Optimus-Gen2概念图 来源：Tesla2022AIDay，中泰证券研究所来源：Tesla，中泰证券研究所 1.2从Optimus看人形机器人关节选型 人形机器人的关节设计需权衡平衡性、动态运动控制、高负载等多方面因素，通常混合使用旋转执行器和线性执行器，以Optimus为例：①旋转执行器，包括腕部、肩部、腰部、髋部4个位置，共计有14个旋转自由度；②线性执行器，包括腕部、肘部、踝部、髋部、膝部5个位置，共计有14个线性自由度。 旋转驱动器主要应用于高扭矩关节处。腕部、肩部、腰部、髋部关节转动幅度较大，并对关节方案提出了较高的扭矩要求，旋转执行器通过“电机+减速器”方案能够同时满足转动幅度、扭矩两方面的需求，同时结合力矩传感器实现对末端的运动控制。 图表3：Optimus自由度拆分 肩部3×2 腰部1×2髋部2×2 髋部1×2膝部1×2 肘部1×2踝部2×2 腕部1×2 腕部2×2 来源：Tesla2022AIDay，中泰证券研究所6 1.3人形机器人下肢线性传动方案 直线驱动器用于对运动旋转角度不大、高负载的场景，多用于四肢。直线驱动器多采取“电机+丝杠”，将旋转运动变为关节末端的直线运动，能够起到较好的支撑和承重效果，能够较好适配应用场景的负载需求。 在双腿&双臂位置，直线驱动器通过电机与关节分离的方式，将双腿质心向上移动、双臂质心向内移动，一方面提升提高整机质心，另一方面减轻四肢的运动惯量，从而提升整机的稳定性、提升整机的运控表现。 图表4：人形机器人腿部拥有6个自由度图表5：LOLA采用线性传动提高膝部和踝部关节位置 髋部×3 膝部×1 踝部×2 来源：《HumanoidRobotLOLA—ResearchPlatformforHigh-SpeedWalking》，中泰证券研究所来源：《HumanoidRobotLOLA—ResearchPlatformforHigh-SpeedWalking》，中泰证券研究所 电机×2 电机 7 1.4Optimus关节选型思路 图表6：Optimus关节选型思路 直线驱动器： 人形机器人要求直线驱动器具备良好的刚性表现和较高负载能力、精密的线性运动控制、柔顺连续的直线运动性能。 人形机器人双足、双臂采用连杆结构，连杆末端采用“电机+丝杠”结构，无需搭配减速器。 综合来看，滚柱丝杠&滚珠丝杠是直线驱动器中丝杠的较好选择，滚珠丝杠性价比较高，未来有望在人形机器人小负载位置。 旋转驱动器： 选用“电机+减速器”方案，电机主要用于提供动力，减速器主要用于放大扭矩。 基于不同选型思路，旋转驱动器主要分为刚性、弹性和准直三种驱动器方案：①刚性驱动器方案优势是关节体积小、输出扭矩密度高，劣势是透明度低，需搭载力/力矩传感器；②弹性驱动器方案能提升关节的柔顺性，但控制复杂、精度较低； ③准直驱驱动器方案优势是透明度高，可采用电流环控制，柔顺性表现好，劣势是扭矩密度低。 来源：中泰证券研究所 目录 CONTENTS 1 2 3 人形机器人关节选择旋转&直线驱动器的依据旋转驱动器原理及不同选型方案比较 4 5 线性驱动器原理及发展路径讨论推荐旋转&线性驱动器相关标的相关标的盈利预测与估值 2.1旋转驱动器总成选型思路 问题①：旋转驱动器为什么不选取单电机方案？ 人形机器人旋转驱动器在实际应用中的扭矩要求较高，单电机方案无法满足需求。通过搭配减速器的方式可以放大力臂，从而大幅提升输出扭矩，满足实际场景需求。 问题②：不同类别减速器的选型理由是什么？ 电机扭矩密度难以显著提升，所以电机输出扭矩越大，体积越大。在大扭矩电机情况下，可以搭载低减速比减速器（行星等），此方案具备经济性优势；小扭矩电机情况下，搭载高减速比减速器（谐波等），此方案具备小体积优势。 问题③：旋转驱动器是否必须搭配力矩传感器？ 力矩透明度是决定是否加装力矩传感器的关键。高减速比减速器的力矩透明度低，需要加装力矩传感器进行测量；低减速比减速器力矩透明度较高，可以使用电流环控制，加装力矩传感器不是必选项。 问题④：不同旋转驱动器方案的优劣势对比？ 基于不同选型思路，旋转驱动器主要分为刚性、弹性和准直三种驱动器方案。刚性驱动器方案优势是关节体积小、输出扭矩密度高，劣势是透明度低，需搭载力/力矩传感器；弹性驱动器方案能提升关节的柔顺性，但控制复杂、精度较低；准直驱驱动器方案优势是透明度高，可采用电流环控制，柔顺性表现好，劣势是扭矩密度低。 2.2减速器能够显著提升关节输出扭矩 人形机器人旋转驱动器在实际应用中需要解决大扭矩问题，搭载减速器是必选项。在齿轮传动中，啮合处的齿面作用力大小相等、方向相反，通过改变齿轮的半径可以改变输出扭矩。人形机器人要 求关节体积小，且在实际应用中面临大扭矩场景，单纯依靠电机难以实现。通常来看，减速器能够显著提升扭矩输出值，适配相应高扭矩密度的应用场景。 目前提升扭矩密度主要通过两种方式：①提升电机输出扭矩密度，②提高减速器减速比。 图表7：齿轮传动通过半径改变扭矩大小图表8：机器人关节模组使用电机+减速器结构 P=f*R*ω扭矩=f*R 𝐹1 𝑟2 𝑟1 𝐹2 来源：中泰证券研究所来源：大象机器人，中泰证券研究所 2.3电机提升扭矩密度的难度较高 从电机角度来看，提升扭矩密度主要可以通过三种方式：①采用外转子结构；②扩大电机半径； ③通过绕线结构提升电机功率密度。 增大半径能显著提升扭矩，但此方案对人形机器人关节而言不现实。提升电机半径可以直接提高电机的输出扭矩数值，但是人形机器人对关节体积有要求（不能过大），所以难以通过大幅提升电机半径来提高扭矩。 图表9：增大电机半径可以增大输出扭矩图表10：三相绕线转子异步电动机的转子结构 力矩电机的输出扭矩与转子半径的平方、轴向长度成正比。 来源：《ProprioceptiveActuatorDesignintheMITCheetah:ImpactMitigationandHigh-BandwidthPhysicalInteractionforDynamicLeggedRobots》，中泰证券研究所 来源：华力电机官网，中泰证券研究所 12 2.3外转子方案是增大电机扭矩密度的较好选择 电机绕线方式能够在一定程度上影响电机扭矩密度。增加线圈匝数能提升功率密度，从而间接提升电机扭矩密度。但是目前由于技术原因，在人形关节紧凑的空间中，电机绕线瓶颈难以突破。 相同体积下，外转子电机比内转子电机的输出扭矩更高。内转子电机线圈固定在外壳，主轴为转子，通常极数少、转速快，转动惯量更小，扭矩小。外转子电机的线圈在内部，相对而言极数更多、转速更慢，转动惯量更大，相同电流下输出的扭矩更大。无框力矩电机的扭矩密度较高，是人形机器人关节电机的较优选择。 图表11：内转子与外转子无刷直流电机图表12：无框力矩电机产品图 来源：锦峰科技官网，中泰证券研究所来源：步科股份官网，中泰证券研究所 2.4力矩透明度是决定是否加装力矩传感器的关键 大力矩输出密度和动态物理交互能力是足式机器人关节驱动器设计的关键因素，目前驱动器方案主要分为刚性驱动器方案、弹性驱动器方案和准直驱驱动器方案。不同方案由于存在力矩透明度差异，所以存在是否采用力/力矩传感器的区别。 谐波减速器减速比高，存在非线性摩擦力矩，力矩透明度低。仅依靠电流环进行关节末端的力反馈难以进行建模，需要额外添加力矩传感器。 行星减速器减速比低，刚性强，非线性摩擦力可忽略不计，关节输出扭矩和电流之间呈较好的线 性关系，易于建模，可用电流环控