前文鏈接：從論文前瞻人形機(jī)器人可能的設(shè)計(jì)方案和投資機(jī)會
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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boom成本距離真正量產(chǎn)目標(biāo)售價仍有較大距離，降本與功能實(shí)現(xiàn)的重要性顯而易見。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（三花智控+鳴志電器+綠的諧波+江蘇雷利/鼎智科技），另一方面，我們需關(guān)注邊際技術(shù)變化帶來的新興投資機(jī)遇。
首先，我們簡單回顧下當(dāng)前特斯拉機(jī)器人的零部件選型及價值量分布（圖表1）。當(dāng)前，零部件當(dāng)中占比最高的為直線驅(qū)動、電機(jī)以及力矩傳感器。
從加工難度來說，首先，大腿+小腿所要用到的行星滾柱絲杠（目前單臺機(jī)器人使用數(shù)量為8個，性能顯著優(yōu)于滾珠絲杠，見圖表2對比）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)品方案的過程中，無論是設(shè)計(jì)/加工難度，還是設(shè)備采購難度，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)，量測關(guān)節(jié)處的扭矩變化，其目前國內(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+汽車假人測試+打磨機(jī)器人等場景，屬于小眾市場產(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。
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Dennis W.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：UCLA論文，天風(fēng)機(jī)械研究所（stiffness為剛性，high reduction FT sensor即為高效減速機(jī)+力矩傳感方案，torque density為力矩密度，越高越好，impact mitigation為對外部沖擊的減少能力，越高越好）
資料來源：UCLA論文，天風(fēng)機(jī)械研究所
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r 2g成正比，并與電機(jī)堆棧長度ls成線性比例。按照論文表述來看，氣隙半徑適配于低的減速機(jī)的減速比，對于電機(jī)峰值扭矩沒有太大差別，因而在維持核心電機(jī)指標(biāo)峰值扭矩的同時，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的齒輪減速機(jī)相比，將具有更高的效率。這說明：將氣隙半徑放大，我們可以使用要求更低的單級行星減速機(jī)。
與此同時，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。
資料來源：UCLA論文，天風(fēng)機(jī)械研究所
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電機(jī)而不破壞減速機(jī)。低減速比的行星減速機(jī)單價顯著低于諧波、RV等，但更適用對于速度要求低的場景，因而大氣隙半徑+低減速比更適合于機(jī)器人下肢。
3）熱管理：由于過度焦耳加熱，執(zhí)行機(jī)構(gòu)不能長時間維持峰值負(fù)載。為了解決這個問題，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。
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)樵谡撐囊圆糠郑獠繘_擊力對于高性能減速機(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）、髖關(guān)節(jié)滾轉(zhuǎn)（roll，圖示轉(zhuǎn)盤位置，控制腿部前后擺動）、髖關(guān)節(jié)俯仰（pitch，控制腿部左右擺動）、膝關(guān)節(jié)俯仰、踝關(guān)節(jié)俯仰和踝關(guān)節(jié)滾轉(zhuǎn)（見圖表7）?，F(xiàn)在考慮的是將腳部的滾動自由度省略，原因是其在機(jī)器人快走或者奔跑時基本上未被用到，這樣可以減少機(jī)器人在奔跑時腿部與該關(guān)節(jié)的撞擊以及地面沖擊力。但這樣可能會喪失一定的平衡性。
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Parker LORD Microstrain基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的IMU 3DM-GX5是因?yàn)槠涑叽绾蛢r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MicroStrain 3DM-CV7戰(zhàn)術(shù)級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。
力控：多維力矩/力傳感是目前最優(yōu)解，電子皮膚或?yàn)橛|覺終極方案。目前機(jī)器人力控方案大致有3類，分別為電流環(huán)力控、多維力矩/力傳感器力控、被動力控（彈性體），其中多維力矩/力傳感器力控是當(dāng)前力控的最佳方案，其硬件包括關(guān)節(jié)部位的單軸力矩傳感器和機(jī)器人執(zhí)行器末端的6軸力傳感器。同時，機(jī)器人若要模擬人體的觸覺，以及實(shí)現(xiàn)人體皮膚對溫度、濕度等外界物理量的感知，則電子皮膚可能是最佳路徑之一。電子皮膚需要集成各類傳感器和集成電路，并使用柔性的材料制作，壁壘較高，目前尚未在機(jī)器人領(lǐng)域大量應(yīng)用。但從泛用性與仿生性角度，電子皮膚或是機(jī)器人觸覺的終極方案。
附圖
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