机械设备行业深度研究：论文跟踪三大增量：传动方式+行星减速机

行业报告|行业深度研究机械设备2023年06月30日SACS10519050003后的信息披露和免责申明行业评级：强于大市(维持评级)上次评级：强于大市1Robot机+四连杆方案。➢1)液体冷却的需求有望提升；2)IMU在头部及足部的普遍应用；3)髋部设计不同于常规机器人，呈现髋偏航轴(yaw)与髋滚轴 (roll)的45°倾斜角；4)T型槽在躯干中的应用，结构件及T型槽普遍使用五轴机床加工。。➢1)基石标的：三花智控(与家电组联合覆盖)、绿的谐波、鸣志电器、江苏雷利(与电新组联合覆盖)、鼎智科技➢2)传感器标的：柯力传感(与中小市值组联合覆盖)、汉威科技➢2)行星减速机：双环传动(与汽车和中小市值组联合覆盖)、中大力德阅读正文之后的信息披露和免责申明21请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明执行机构，也就是电机+减速机等的设计3资料来源：UCLAZhu.Taoyuanmin《DesignofaHighlyDynamicHumanoidRobot》，天风证券研究所4人形机器人是AI在硬件层面落地的非常重要的方向，特斯拉在21年8月发布至今开始得到越来越多的市场关注，但当前位置，我们认为无论是特斯拉机器人还是其他的人形机器人结构设计及零部件选型并未达到定型状态，原因在于当前机器人硬+软成本距离真正量产目标售价仍有较大距离，降本与功能实现的重要性显而易见。论文中的重要边际：➢近期，UCLA(加州大学洛杉矶分校)TaoyuanminZhu发布其博士论文，其师从DennisW.Hong，后者为加州大学洛杉矶分校机械和航空航天工程教授、RoMeLa机器人实验室主任。由于RoMeLa在腿足机器人领域探索颇多，其最新论文成果有一定可借鉴意义(但必须说，并非代表其是最终形态)。资料来源：UCLAZhu.Taoyuanmin《DesignofaHighlyDynamicHumanoidRobot》，天风证券研究所5谐波+力矩传感成为重要人形机器人解决方案，优势明显。F/T传感器很脆弱，易受到冲击。此外，齿轮箱的高惯性和低效率使其无法吸收每次脚落地时都会发生的冲击载荷。➢①SEA，全名serieselasticacuators，串联弹性致动器，在齿轮箱和载荷之间引入一个弹性元件(弹簧)，通过测量弹性元件中的偏转，可以作为结果来评估力。这个方案潜力较大，弹簧对于外部冲击力有缓冲作用。➢②proprioceptiveacuators(本体驱动器))，这是一种比较传统的方式，就是利用机器人电机自身的电流来测量及控制力矩，从而进行操作判断，这种方式的问题在于灵敏度低，从下图来看，这种方式最不利于形成更高的力矩(torque)水平。reductionFTsensortorquedensityC2ActuatorDesign构设计请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明执行机构，也就是电机+减速机等的设计6资料来源：UCLAZhu.Taoyuanmin《DesignofaHighlyDynamicHumanoidRobot》，天风证券研究所7执行机构的设计重点在于提升电机的气隙半径，原因在于：电机扭矩τ与其气隙半径r成正比，并与电机堆栈长度ls成线性比例。看，气隙半径适配于低的减速机的减速比，对于电机峰值扭矩没有太大差别，因而在维持核心电机指标峰值扭矩原文中：执行机构设计分析的另一部分是确定期望的减速比。假设一个带有传统电机的执行器，齿轮减速为128:1。通过增加气隙半径4倍，所需的齿轮减速减少到8:1。由此产生的执行器将具有相同的峰值扭矩。然而，减速比为8:1的齿轮减速机与128:1的与此同时，具有较大气隙半径电机的另一个好处是，它在中间创造了更大的空隙，径向嵌套转子、定子和齿轮箱的设计使得执行图：电机扭矩与气隙半径(r)与堆栈长度ls成正相关资料来源：UCLAZhu.Taoyuanmin《DesignofaHighlyDynamicHumanoidRobot》，天风证券研究所8在加大电机气隙半径的设计之下，减速机可以不必使用减速比高的高性能减速机。由于摩擦和反射惯性，在高减速比设计之下，传统的执行器很容易因冲击载荷而损坏。而低减速比的设计可以通过电机来实现承受和传递冲击力，同时不破坏减速机。我们认为，大气隙半径+低减速比更适合于机器人下肢。注：左图使用减速机减速比为225:1，右图为低减速比，反向力之下，下图扭矩上升曲线好很多资料来源：UCLAZhu.Taoyuanmin《DesignofaHighlyDynamicHumanoidRobot》，天风证券研究所92.3执行机构——热管理设计：液体冷却的需求有望提升载。为了解决这个问题，机器人需要广泛的冷却系统来不间断地运行。在执行器外壳上的内置冷却剂通道允许它们使用集中冷却系统进行液体冷却。图：冷却方法图示露和免责申明103机器人机械结构设计资料来源：UCLAZhu.Taoyuanmin《DesignofaHighlyDynamicHumanoidRobot》，天风证券研究所11本篇论文中，在下肢的创新上，主要包括：➢1)去除一个脚踝关节，下肢自由度从6自由度变为5自由度。下肢6自由度分布在：髋关节偏航(yaw)、髋关节滚转(roll，图示转盘位置)、髋关节俯仰(pitch)、膝关节俯仰、踝关节俯仰和踝关节滚转(见下图)。现在考虑的是将脚部的滚动自由度省略，原因是其在机奔跑时基本上未被用到，这样可以减少机器人在奔跑时腿部与该关节的撞击以及地面冲击力。但这样可能会丧失一定的平衡➢2)另一种是简单地将髋部偏航轴(yaw)和髋部滚轴(roll)呈现yaw向前倾斜45度。通过这样做，行走时两个执行器之间的扭矩分配更加均匀。因此，两个执行器可以使用相同的执行器模块，而无需特别定制。这种设计的另一个好处是，偏航和滚动驱动器现在隐藏在骨盆结构的后面。这给股骨提供了更好的髋关节俯仰运动范围的间隙，这有利于在膝盖靠近胸部的运动，如下蹲运动。论文将其设计机器人ARTEMIS与直线设计机器人THORRD进行对比，当足部离地位移逐步减少时，腿部承受力的百分比都会减少，但ARTEMIS减少更快，注：Artemis机器人即为论文设计机器人，髋部偏航轴与滚轴呈现45%，ThorRd就是通常垂直设计的机器人在这种设计之下，论文引入了连杆结构+电机+行星减速机。➢论文设计不是将执行器(就是电机+减速)定位在关节上，而是使用连杆来移动执行器的近端并将运动向下传递到实际关节。膝关节执行器向上移动至与髋关节执行器同轴，而踝关节执行器重新定位至更靠近膝关节的位置。➢论文强调，为了简单起见，采用了平行四边形连杆机构，但牺牲了运动范围。➢这是因为当关节接近奇点时，连杆力急剧增加，限制了可用扭矩。如下图所示，采用设计的连杆力为15kN来确定连杆的尺寸。在不影响膝关节峰值扭矩的情况下可以实现大约140度的运动范围。同时，为了尽量减少传输损失，论文引入全补滚子轴承(IKONAG4901UU)用作杆端。与滑动轴承相比，滚子轴承具有更低的摩擦以及侧隙，但它的质量更大。滚子轴承在平面内限制了运动同时避免了屈曲的发生。图：膝盖关节与髋滚动关节之间的连杆设计(大腿内部结构)资料来源：UCLAZhu.Taoyuanmin《DesignofaHighlyDynamicHumanoidRobot》，天风证券研究所12资料来源：UCLAZhu.Taoyuanmin《DesignofaHighlyDynamicHumanoidRobot》，天风证券研究所133.2结构设计——躯干设计：核心在于轻量化及可调整性重要程度低于下肢，核心在于轻量化及可调整性，T型槽结构强于焊管。➢T型槽为一种固定方式(下图中的T-slottedaluminumframing所指小方块，尺寸为20mm*20mm)，不是用焊接完全焊牢，使用t型槽框架代替焊管结构的好处是，如果要在以后的时间点添加新的仪器，安装功能可以很容易地添加或修改。现成的支架，紧固件和硬件也使其易于设计，加工要求最低。手柄安装在躯干的顶部背部，便于运输。躯干的设计目标是容纳所有的电子和电池，同时保持灵活性。资料来源：UCLAZhu.Taoyuanmin《DesignofaHighlyDynamicHumanoidRobot》，天风证券研究所14臂部设计主要作用是维持机器人整体的平衡。➢论文将手臂设计为四个自由度，以尽量减少四肢的重量，一个3自由度的肩关节和一个1自由度的肘关节。执行器的大小要能够支撑身体的重量，并能够快速摆动以产生抵消的动量。但是，该论文对于上肢关节间的传动系统没有太多讨论 (例如丝杠、连杆等)。为了合并和减少部件数量，每个臂的所有四个驱动器都是同一类型的。肩关节有三个相互交叉的轴，呈俯仰-滚动-俯仰结构，这与肩关节的屈/伸、外展/内收和肩关节的内/外旋有关。两个节距关节的输出轴在单支持配置，而滚动执行机构的输出在双支撑夹持配置。弯头节距执行机构位于关节处，有轻微的偏移，以增加肘关节的屈曲运动范围，使末端执行器可以接触肩部。为了尽量减少设计的重量，采用碳纤维管作为臂的结构构件。露和免责申明154+电子资料来源：UCLAZhu.Taoyuanmin《DesignofaHighlyDynamicHumanoidRobot》，天风证券研究所16摄像头+IMU+传感器本质上都属于机器人的传感部分。广泛的传感器阵列用于测量和估计机器人的状态，联系信息以及相对于世界的全球位置。除了关节电流传感器和关节角度编码器外，主要使用的传感器还有立体视觉相机、惯性传感器。论文选择立体视觉相机而不是激光雷达，因为其相对实惠的价格和在室内和室外环境下的稳健性。来自Stereolabs的ZED2因其宽视场(FoV)，集成IMU和具有深度传感，位置跟踪和目标检测的完整SDK而被选中。ZED2安装在机器人的头部，具有平移和倾斜的2自由度颈部关节，用于定位相机。除了ZED2摄像头，两个英特尔RealSenseD435i分别安装在机器人的前后，提供机器人附近的高保真地面信息。资料来源：UCLAZhu.Taoyuanmin《DesignofaHighlyDynamicHumanoidRobot》，天风证券研究所174.2系统设计——IMU(惯性导航)：能够平衡和稳定行走的关键传感器IMU是能够平衡和稳定行走的关键传感器。典型的IMU传感器包括三轴加速度计和三轴陀螺仪。➢三轴磁强计常被用于标定真北方位，因此通常被称为姿态和航向参考系统(AHRS)。最初选择ParkerLORDMicrostrain基于微机电系统(MEMS)的IMU3DM-GX5是因为其尺寸和价格。与基于光纤陀螺仪(FOG)的IMU相比，MEMS传感器体积更小，成本更低，但通常具有更差的噪声和偏置稳定性。随着基于MEMS的IMU的快速发展，开始使用MicroStrain3DM-CV7战术级IMU，其性能正在接近Microstrain系列IMU内置扩展卡尔曼滤波器(EKF)，用于融合加速度和角速率数据，产生姿态和航向数据。在实践中,由于大量的软硬铁干扰，基于磁力计的航向参考被忽略。航向数据已经完全基于陀螺并且将依赖于外部传感器，如相机或全球导航卫星系统(GNSS)的航向补偿。资料来源：UCLAZhu.Taoyuanmin《DesignofaHighlyDynamicHumanoidRobot》，天风证券研究所184.3足部传感器基于6轴力矩传感器的升级。对于传统的仿人系统，6轴力扭矩(F/T)传感器用于地面反作用力和接触状态反馈。然而，它们往往是脆弱的，不能处理大的冲击或过载。因此，针对特定的任务设计了定制的足部传感器。目标是设计一个坚固的足部传感器，可以可靠地检测地面接触。并非全六轴力和扭矩传感器，定制的脚传感器只能测量两个垂直的地面反作用力，位于脚跟和脚趾的脚。6轴IMU作为一个额外的传感器也集成在脚传感器PCB上。陀螺仪和加速度计的数据可以用来进一步提高状态估计器的性能，或者为未来的研究提供帮助。5.催化时点：政策端支持力度不断加码，未来两个月内有望迎来密集催化时间节点政策深落地，政策端支持力度不断加码。表：人形机器人的催化时点催化事件催化时点特斯拉Dojo芯片器学习工作负载进行了优化。傅利叶机器人将于2023年7月在上海举办“傅利叶GR将首次与公众见面，有望掀起国产人形机器人商业化的又一波IDayDay上，人形机器人Optimus正式亮相。AIDay形机器人Optimus有望呈现出更完善的开发2023AIDay预期定档于2023年8-9月险提示人形机器人商业化进展不及预期的风险➢人形机器人目前仍处于早期发展阶段，未来的商业化前景仍存在较大不确定性，存在商业化进展不及预期的风险。上游零部件技术路径变更的风险➢人形机器人尚未推出较为成熟且大规模量产的产品，技术路径存在较大不确定性，若未来技术路径变更，则目前的零部件环节需求将大福减少。零部件国产化进展不及预期的风险➢目前人形机器人零部件环节尚未完全国产化落地，国内上游企业还未接到大规模批量订单，未来存在零部件国产化不及预期的风险。分析师声明本报告署名分析师在此声明：我们具有中国证券业协会授予的证券投资咨询执业资格或相当的专业胜任能力，本报告所表述的所有观点均准确地反映了我们对标的证券和发行人的个人看法。我们所得报酬的任何部分不曾与，不与，也将不会与本报告中的具体投资建议或观点有直接或间接联系。一般声明除非另有规定，本报告中的所有材料版权均属天风证券股份有限公司(已获中国证监会许可的证券投资咨询业务资格)及其附属机构(以下统称“天风证券”)。未经天风证券事先书面授权，不得以任何方式修改、发送或者复制本报告及其所包含的材料、内容。所有本报告中使用的商标、服务标识及标记均为天风证券的商标、服务标识及标记。本报告是机密的，仅供我们的客户使用，天风证券不因收件人收到本报告而视其为天风证券的客户。本报告中的信息均来源于我们认为可靠的已公开资料，但天风证券对这些信息的准确性及完整性不作任何