機(jī)械設(shè)備行業(yè)深度研究：論文跟蹤三大增量：傳動(dòng)方式+行星減速機(jī)

行業(yè)報(bào)告|行業(yè)深度研究機(jī)械設(shè)備2023年06月30日SACS10519050003后的信息披露和免責(zé)申明行業(yè)評(píng)級(jí)：強(qiáng)于大市(維持評(píng)級(jí))上次評(píng)級(jí)：強(qiáng)于大市1Robot機(jī)+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(yīng)用；3)髖部設(shè)計(jì)不同于常規(guī)機(jī)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(yīng)用，結(jié)構(gòu)件及T型槽普遍使用五軸機(jī)床加工。。?1)基石標(biāo)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(biāo)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(jī)：雙環(huán)傳動(dòng)(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(zé)申明21請(qǐng)務(wù)必閱讀正文之后的信息披露和免責(zé)申明執(zhí)行機(jī)構(gòu)，也就是電機(jī)+減速機(jī)等的設(shè)計(jì)3資料來源：UCLAZhu.Taoyuanmin《DesignofaHighlyDynamicHumanoidRobot》，天風(fēng)證券研究所4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)布至今開始得到越來越多的市場(chǎng)關(guān)注，但當(dāng)前位置，我們認(rèn)為無論是特斯拉機(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。論文中的重要邊際：?近期，UCLA(加州大學(xué)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(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，并非代表其是最終形態(tài))。資料來源：UCLAZhu.Taoyuanmin《DesignofaHighlyDynamicHumanoidRobot》，天風(fēng)證券研究所5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。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(shí)都會(huì)發(fā)生的沖擊載荷。?①SEA，全名serieselasticacuators，串聯(lián)彈性致動(dòng)器，在齒輪箱和載荷之間引入一個(gè)彈性元件(彈簧)，通過測(cè)量彈性元件中的偏轉(zhuǎn)，可以作為結(jié)果來評(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(本體驅(qū)動(dòng)器))，這是一種比較傳統(tǒng)的方式，就是利用機(jī)器人電機(jī)自身的電流來測(cè)量及控制力矩，從而進(jìn)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(gòu)設(shè)計(jì)請(qǐng)務(wù)必閱讀正文之后的信息披露和免責(zé)申明執(zhí)行機(jī)構(gòu)，也就是電機(jī)+減速機(jī)等的設(shè)計(jì)6資料來源：UCLAZhu.Taoyuanmin《DesignofaHighlyDynamicHumanoidRobot》，天風(fēng)證券研究所7執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(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r成正比，并與電機(jī)堆棧長(zhǎng)度ls成線性比例?？?，氣隙半徑適配于低的減速機(jī)的減速比，對(duì)于電機(jī)峰值扭矩沒有太大差別，因而在維持核心電機(jī)指標(biāo)峰值扭矩原文中：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的與此同時(shí)，具有較大氣隙半徑電機(jī)的另一個(gè)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(shè)計(jì)使得執(zhí)行圖：電機(jī)扭矩與氣隙半徑(r)與堆棧長(zhǎng)度ls成正相關(guān)資料來源：UCLAZhu.Taoyuanmin《DesignofaHighlyDynamicHumanoidRobot》，天風(fēng)證券研究所8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)可以通過電機(jī)來實(shí)現(xiàn)承受和傳遞沖擊力，同時(shí)不破壞減速機(jī)。我們認(rèn)為，大氣隙半徑+低減速比更適合于機(jī)器人下肢。注：左圖使用減速機(jī)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(fēng)證券研究所92.3執(zhí)行機(jī)構(gòu)——熱管理設(shè)計(jì)：液體冷卻的需求有望提升載。為了解決這個(gè)問題，機(jī)器人需要廣泛的冷卻系統(tǒng)來不間斷地運(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。圖：冷卻方法圖示露和免責(zé)申明103機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)資料來源：UCLAZhu.Taoyuanmin《DesignofaHighlyDynamicHumanoidRobot》，天風(fēng)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(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)、髖關(guān)節(jié)滾轉(zhuǎn)(roll，圖示轉(zhuǎn)盤位置)、髖關(guān)節(jié)俯仰(pitch)、膝關(guān)節(jié)俯仰、踝關(guān)節(jié)俯仰和踝關(guān)節(jié)滾轉(zhuǎn)(見下圖)。現(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)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?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，注：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。?論文強(qiáng)調(diào)，為了簡(jiǎn)單起見，采用了平行四邊形連桿機(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。如下圖所示，采用設(shè)計(jì)的連桿力為15kN來確定連桿的尺寸。在不影響膝關(guān)節(jié)峰值扭矩的情況下可以實(shí)現(xiàn)大約140度的運(yùn)動(dòng)范圍。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，但它的質(zhì)量更大。滾子軸承在平面內(nèi)限制了運(yùn)動(dòng)同時(shí)避免了屈曲的發(fā)生。圖：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))資料來源：UCLAZhu.Taoyuanmin《DesignofaHighlyDynamicHumanoidRobot》，天風(fēng)證券研究所12資料來源：UCLAZhu.Taoyuanmin《DesignofaHighlyDynamicHumanoidRobot》，天風(fēng)證券研究所133.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)——軀干設(shè)計(jì)：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(jié)構(gòu)強(qiáng)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(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?，F(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。軀干的設(shè)計(jì)目標(biāo)是容納所有的電子和電池，同時(shí)保持靈活性。資料來源：UCLAZhu.Taoyuanmin《DesignofaHighlyDynamicHumanoidRobot》，天風(fēng)證券研究所14臂部設(shè)計(jì)主要作用是維持機(jī)器人整體的平衡。?論文將手臂設(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，該論文對(duì)于上肢關(guān)節(jié)間的傳動(dòng)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(gè)臂的所有四個(gè)驅(qū)動(dòng)器都是同一類型的。肩關(guān)節(jié)有三個(gè)相互交叉的軸，呈俯仰-滾動(dòng)-俯仰結(jié)構(gòu)，這與肩關(guān)節(jié)的屈/伸、外展/內(nèi)收和肩關(guān)節(jié)的內(nèi)/外旋有關(guān)。兩個(gè)節(jié)距關(guān)節(jié)的輸出軸在單支持配置，而滾動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出在雙支撐夾持配置。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。露和免責(zé)申明154+電子資料來源：UCLAZhu.Taoyuanmin《DesignofaHighlyDynamicHumanoidRobot》，天風(fēng)證券研究所16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相機(jī)、慣性傳感器。論文選擇立體視覺相機(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。資料來源：UCLAZhu.Taoyuanmin《DesignofaHighlyDynamicHumanoidRobot》，天風(fēng)證券研究所174.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)——IMU(慣性導(dǎo)航)：能夠平衡和穩(wěn)定行走的關(guān)鍵傳感器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。?三軸磁強(qiáng)計(jì)常被用于標(biāo)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(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，開始使用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)已經(jīng)完全基于陀螺并且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。資料來源：UCLAZhu.Taoyuanmin《DesignofaHighlyDynamicHumanoidRobot》，天風(fēng)證券研究所184.3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。并非全六軸力和扭矩傳感器，定制的腳傳感器只能測(cè)量?jī)蓚€(gè)垂直的地面反作用力，位于腳跟和腳趾的腳。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)可以用來進(jìn)一步提高狀態(tài)估計(jì)器的性能，或者為未來的研究提供幫助。5.催化時(shí)點(diǎn)：政策端支持力度不斷加碼，未來兩個(gè)月內(nèi)有望迎來密集催化時(shí)間節(jié)點(diǎn)政策深落地，政策端支持力度不斷加碼。表：人形機(jī)器人的催化時(shí)點(diǎn)催化事件催化時(shí)點(diǎn)特斯拉Dojo芯片器學(xué)習(xí)工作負(fù)載進(jìn)行了優(yōu)化。傅利葉機(jī)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(jī)器人商業(yè)化的又一波IDayDay上，人形機(jī)器人Optimus正式亮相。AIDay形機(jī)器人Optimus有望呈現(xiàn)出更完善的開發(fā)2023AIDay預(yù)期定檔于2023年8-9月險(xiǎn)提示人形機(jī)器人商業(yè)化進(jìn)展不及預(yù)期的風(fēng)險(xiǎn)?人形機(jī)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(jìn)展不及預(yù)期的風(fēng)險(xiǎn)。上游零部件技術(shù)路徑變更的風(fēng)險(xiǎn)?人形機(jī)器人尚未推出較為成熟且大規(guī)模量產(chǎn)的產(chǎn)品，技術(shù)路徑存在較大不確定性，若未來技術(shù)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(jìn)展不及預(yù)期的風(fēng)險(xiǎn)?目前人形機(jī)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(yù)期的風(fēng)險(xiǎn)。分析師聲明本報(bào)告署名分析師在此聲明：我們具有中國證券業(yè)協(xié)會(huì)授予的證券投資咨詢執(zhí)業(yè)資格或相當(dāng)?shù)膶I(yè)勝任能力，本報(bào)告所表述的所有觀點(diǎn)均準(zhǔn)確地反映了我們對(duì)標(biāo)的證券和發(fā)行人的個(gè)人看法。我們所得報(bào)酬的任何部分不曾與，不與，也將不會(huì)與本報(bào)告中的具體投資建議或觀點(diǎn)有直接或間接聯(lián)系。一般聲明除非另有規(guī)定，本報(bào)告中的所有材料版權(quán)均屬天風(fēng)證券股份有限公司(已獲中國證監(jiān)會(huì)許可的證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格)及其附屬機(jī)構(gòu)(以下統(tǒng)稱“天風(fēng)證券”)。未經(jīng)天風(fēng)證券事先書面授權(quán)，不得以任何方式修改、發(fā)送或者復(fù)制本報(bào)告及其所包含的材料、內(nèi)容。所有本報(bào)告中使用的商標(biāo)、服務(wù)標(biāo)識(shí)及標(biāo)記均為天風(fēng)證券的商標(biāo)、服務(wù)標(biāo)識(shí)及標(biāo)記。本報(bào)告是機(jī)密的，僅供我們的客戶使用，天風(fēng)證券不因收件人收到本報(bào)告而視其為天風(fēng)證券的客戶。本報(bào)告中的信息均來源于我們認(rèn)為可靠的已公開資料，但天風(fēng)證券對(duì)這些信息的準(zhǔn)確性及完整性不作任何