前文鏈接：從論文前瞻人形機器人可能的設計方案和投資機會
(資料圖片)
人形機器人是AI在硬件層面落地的非常重要的方向，特斯拉在21年8月發布至今開始得到越來越多的市場關注，但當前位置，我們認為無論是特斯拉機器人還是其他的人形機器人結構設計及零部件選型并未達到定型狀態，原因在于當前機器人硬+軟boom成本距離真正量產目標售價仍有較大距離，降本與功能實現的重要性顯而易見。所以，當前階段，我們認為一方面，本次進入特斯拉機器人B樣階段的供應商為機器人基礎標的（三花智控+鳴志電器+綠的諧波+江蘇雷利/鼎智科技），另一方面，我們需關注邊際技術變化帶來的新興投資機遇。
首先，我們簡單回顧下當前特斯拉機器人的零部件選型及價值量分布（圖表1）。當前，零部件當中占比最高的為直線驅動、電機以及力矩傳感器。
從加工難度來說，首先，大腿+小腿所要用到的行星滾柱絲杠（目前單臺機器人使用數量為8個，性能顯著優于滾珠絲杠，見圖表2對比）難度超預期，根據最近部分廠商反饋，在向T交付該產品方案的過程中，無論是設計/加工難度，還是設備采購難度，都可能大幅高于滾珠絲杠。T在全球范圍內積極尋找該零部件供應商。
其次，關節扭矩傳感器也是重點零部件，其連接減速機與關節，量測關節處的扭矩變化，其目前國內能夠做的公司數量非常有限，主要原因系此前該零部件主要用于協作機器人+汽車假人測試+打磨機器人等場景，屬于小眾市場產品，所以目前T在該環節的降本訴求預計也較為迫切。
近期，UCLA（加州大學洛杉磯分校）Zhu，Taoyuanmin發布其博士論文，其師從Dennis W.Hong，后者為加州大學洛杉磯分校機械和航空航天工程教授、RoMeLa機器人實驗室主任。由于RoMeLa在腿足機器人領域探索頗多，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）。
資料來源：UCLA論文，天風機械研究所（stiffness為剛性，high reduction FT sensor即為高效減速機+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，天風機械研究所
1）電機設計：重點在于提升電機的氣隙半徑，原因在于：電機扭矩τ與其氣隙半徑r 2g成正比，并與電機堆棧長度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的減速比，對于電機峰值扭矩沒有太大差別，因而在維持核心電機指標峰值扭矩的同時，可以適當程度配置低減速比的減速機。
原文闡述：執行機構設計分析的另一部分是確定期望的減速比。假設一個帶有傳統電機的執行器，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。由此產生的執行器將具有相同的峰值扭矩。然而，減速比為8:1的齒輪減速機與128:1的齒輪減速機相比，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。
與此同時，有大的氣隙半徑電機創造了更大的空白空間，徑向嵌套轉子、定子和齒輪箱的設計使得執行器包裝具有很高的空間效率。
資料來源：UCLA論文，天風機械研究所
2）減速機設計：在加大電機氣隙半徑的設計之下，減速機可以不必使用減速比高的高性能減速機。由于摩擦和反射慣性，在高減速比設計之下，傳統的執行器很容易因沖擊載荷而損壞。而低減速比的設計可以承受和傳遞沖擊力通過電機而不破壞減速機。低減速比的行星減速機單價顯著低于諧波、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器人下肢。
3）熱管理：由于過度焦耳加熱，執行機構不能長時間維持峰值負載。為了解決這個問題，機器人需要廣泛的冷卻系統來不間斷地運行。在執行器外殼上的內置冷卻劑通道允許它們使用集中冷卻系統進行液體冷卻。
1）下肢設計（即髖部、腿部、腳部）
下肢設計最為重要，原因為在論文引言部分，外部沖擊力對于高性能減速機+傳感器的沖擊更多表現為下肢。
本篇論文中，在下肢的創新上，主要包括：① 去除一個腳踝關節，下肢自由度從6自由度變為5自由度。下肢6自由度分布在：髖關節偏航（yaw，控制髖本身的運動）、髖關節滾轉（roll，圖示轉盤位置，控制腿部前后擺動）、髖關節俯仰（pitch，控制腿部左右擺動）、膝關節俯仰、踝關節俯仰和踝關節滾轉（見圖表7）。現在考慮的是將腳部的滾動自由度省略，原因是其在機器人快走或者奔跑時基本上未被用到，這樣可以減少機器人在奔跑時腿部與該關節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（慣性導航）：IMU是能夠平衡和穩定行走的關鍵傳感器。典型的IMU傳感器包括三軸加速度計和三軸陀螺儀。可選的，三軸磁強計也包括真北參考，通常稱為姿態和航向參考系統(AHRS)。最初選擇Parker LORD Microstrain基于微機電系統(MEMS)的IMU 3DM-GX5是因為其尺寸和價格。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定性。隨著基于MEMS的IMU的快速發展，我們切換到MicroStrain 3DM-CV7戰術級IMU，其性能正在接近Microstrain系列IMU內置擴展卡爾曼濾波器(EKF)，用于融合加速度和角速率數據，產生姿態和航向數據。在實踐中, 由于大量的軟硬鐵干擾，基于磁力計的航向參考被忽略。航向數據一直是純粹的陀螺為基礎的，將依賴于外部傳感器，如相機或全球導航衛星系統(GNSS)的航向補償。
力控：多維力矩/力傳感是目前最優解，電子皮膚或為觸覺終極方案。目前機器人力控方案大致有3類，分別為電流環力控、多維力矩/力傳感器力控、被動力控（彈性體），其中多維力矩/力傳感器力控是當前力控的最佳方案，其硬件包括關節部位的單軸力矩傳感器和機器人執行器末端的6軸力傳感器。同時，機器人若要模擬人體的觸覺，以及實現人體皮膚對溫度、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，目前尚未在機器人領域大量應用。但從泛用性與仿生性角度，電子皮膚或是機器人觸覺的終極方案。
附圖
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