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  • 深圳市榕樹投資管理有限公司

    驅動器—人形機器人核心器件,中國企業機會幾何?

    文章來源:榕樹投資發布時間:2023-08-30

    前 言

     

    雙足人形機器人被譽為“制造業皇冠上的瑰寶”,它集成了多種人工智能子領域,如通用語言智能、邏輯推理智能、感知智能、運動控制智能和情感智能等,是具身智能(Embodied Intelligence)的直接體現。此外,雙足人形機器人也是機械制造精度、使用壽命、復雜度和成本要求極高的集合體。

     

    在許多應用場合,雙足人形機器人可協助或可替代人類工作,如家庭助手、災難救援、防爆和反恐等??茖W家和科技企業長期以來都在追求機器人的運動性能,以期達到或接近人類的水平。然而,無論是本田的ASIMO,還是波士頓動力的ATLAS,亦或是優必選的Walker,它們的運動性能都遠遠未能達到或超越人類或動物。

     

    2022年9月30日,特斯拉首席執行官馬斯克在特斯拉AI Day上展示了特斯拉的第一個人形機器人原型Optimus。在舞臺上,機器人以緩慢的速度揮手,展示了簡單的舞蹈動作。特斯拉還展示了一些機器人執行其他任務的視頻片段,如搬箱子、給花澆水。馬斯克表示,“機器人能做的事情比我們展示的要多得多。我們只是不希望它摔倒?!?/span>

     

    從阿童木、變形金剛、高達、機器貓、新世紀福音戰士、戰斗天使阿麗塔,到特斯拉機器人,實現夢想的道路上還有許多技術難關需要攻克。盡管如此,正如馬斯克所說,“這將是文明的根本轉變?!?/span>

     

    “我認為這個需求可能達到100億臺,這是一個瘋狂的數字?!瘪R斯克還強調,“機器人的需求將超過汽車,特斯拉的長期價值主要將體現在Optimus上。我對這個預測充滿信心?!?/span>


    今天,我們或許正站在人類最偉大發明的起點。

     

    人形機器人核心硬件——驅動器

     

    機器人關節驅動器(亦被稱為機電執行器)是雙足人形機器人的核心組件,并在此類機器人的生產成本中占據極高份額,約占總成本的50%。驅動器的動力來源可以劃分為液壓、氣動、電機驅動、記憶金屬、生物類(如心肌細胞)等類別。從當前主流的人形機器人來看,僅有波士頓動力公司選擇液壓驅動方式,而其他大部分的機器人都使用的是電機驅動的驅動器。電機驅動器主要由電機、減速器、編碼器、控制板和控制軟件等組件構成。

     

    在設計雙足人形機器人關節運動時,可以參照人類自身的運動方式。例如,其運動速度較快、機動性能優良、步幅和步頻多樣化、著地點分散、能夠承受一定程度的高速碰撞等運動特性。為了滿足這些運動需求,驅動器需要具備高能量密度、高響應性、高能量利用效率和抗沖擊性等特性。

     

    1971年,早稻田大學加藤一郎教授成功地開發了全球首款三維雙足機器人WAP-3,實現了行走的能力,為雙足人形機器人的研發開啟了序章。

     

    1983年,早稻田大學研究的WL-10R機器人開始采用剛性驅動器TSA (traditional stiffness actuator)作為關節動力源。自那時起,雙足人形機器人開始廣泛使用剛性驅動器。

     

    1995年,麻省理工學院的Pratt等人提出了彈性驅動器SEA (series elastic actuator)的概念,這標志著彈性驅動器研究的開始。美國宇航局的機器人Valkyrie和意大利技術研究院的機器人Walk-Man都使用了彈性驅動器。

     

    2016年,Wensing等人提出了準直驅驅動器PA (proprioceptive actuator)的概念,并將其應用在了四足機器人Cheetah和雙足機器人Hermes中?,F今,準直驅驅動器在四足機器人領域被廣泛應用。

     

    剛性驅動器

     

    剛性驅動器主要由電機、高傳動比減速器、編碼器、力矩傳感器和控制板等組成。

      

    在當前市場上,主流關節設計均采用諧波減速器。工程師們的主要工作集中在優化驅動器設計流程,構建電機和減速器參數的動力學模型。然而,基于元器件的工藝和原理限制,傳統的剛性驅動器在功率密度上難以達到與生物肌肉相媲美的水平。

     

    因此,盡管剛性驅動器仍然是市場主流的人形機器人關節方案,但對其中減速器的需求仍未被完全滿足。新型的,結合RV和諧波兩種減速器優點的減速器,將成為未來的發展方向。

     

    彈性驅動器

     

    機器人所使用的剛性驅動器,在行走、奔跑和跳躍等行為的執行能力上,明顯無法比肩人類與動物的水平。而人類與動物則是利用肌肉系統來完成這些動作。動物的骨骼肌肉系統,具備剛柔并濟的特性,能夠在運動過程中儲存并釋放能量,調節能量在時間和功率密度上的不對稱性,提升關節的瞬時爆發力,高效循環利用能量,實現著陸的緩沖效果。因此,科研人員研究多種自適應的彈性驅動器,以模擬肌肉系統的功能,使關節能夠表現出柔韌、安全和高效的能量效率特性。

     

    此外,針對單一驅動器無法滿足機器人在瞬間產生高輸出扭矩、能量效率和抗沖擊能力需求的問題,工程師提出了采用多模式彈性驅動器的概念。

     


     特斯拉在Optimus機器人項目中充分汲取了彈性驅動器研究的經驗,創新性地在人形機器人設計中采用了滾柱絲杠的線性關節驅動方案,在提升能源利用效率和減震性能方面獲得了顯著的成果。同時,這也使得滾柱絲杠這一機械結構得以進入公眾的視線之中。


    準直驅驅動器

     

    準直驅驅動器,亦稱本體驅動器,其含義為依賴驅動器電機的開環力控,無需額外的力或力矩傳感器,就能感知機器人腳部與外界交互的力。在理想狀態下,電機直驅驅動器是最佳選擇,但由于電機工藝和技術的限制,電機直驅驅動器的扭矩密度難以滿足機器人應用的需求。因此,采用了電機加低傳動比減速器的折衷方案,同時要求負載質量和轉動慣量盡可能小,以實現高帶寬力控和良好的抗沖擊能力。準直驅驅動器主要由高扭矩密度電機、低傳動比減速器、編碼器和控制板等組成。

     

     

    準直驅驅動器具有較高的功率密度,寬廣的力控帶寬,以及強大的抗沖擊能力。然而,由于其負載能力相對較弱、轉動慣量需要較小,目前主要應用于四足狗和八足蜘蛛等仿生機器人。在人形機器人領域的應用相對較少,特斯拉機器人并未采納相關設計方案。

     

    驅動器技術難點

     

    剛性驅動器最早被引入到雙足人形機器人的設計中,其相關的理論框架也趨于成熟,已在傳統雙足機器人、工業機器人、協作機器人及工業精密轉臺等多領域得以廣泛應用。然而,受制于電機及減速器的功率密度,在適宜工作區間內的最大輸出功率密度只能達到200至300瓦/千克,與動物肌肉的500瓦/千克相比,存在顯著差距,從而限制了其在雙足人形機器人上的應用。

     

    目前剛性驅動器最大的難點在于新型減速器的研發。

     

    彈性驅動器已經歷了漫長的發展歷程,積累了眾多成果。但是,由于彈性體的引入,導致系統為欠驅動系統,控制問題凸顯,特別是在機器人腿部使用時,實現整機運動控制存在較大難度。

     

    準直驅驅動器是近年來的新興技術,發展迅速,得到了多產品應用,如麻省理工學院的Cheetah、宇樹科技的Laikago以及云深處科技的絕影等。設計的初衷是提高驅動器的扭矩密度、瞬間響應性和抗沖擊能力,同時降低成本。然而,負載質量和轉動慣量的限制要求也限制了準直驅動器的應用范圍?;谏鲜鲈?,目前準直驅動器的應用以四足、六足、八足等為主,應用到雙足的難度較大。

     

    剛性驅動器的核心——減速器

     

    目前,在機器人應用中主要有兩種類型的減速器,一種是諧波減速器,另一種是RV減速器。

     

    諧波傳動起源于美蘇之間的爭霸時期,主要目的是滿足緊湊、輕便和體積小的傳動需求。這個概念最初由蘇聯的科學家提出。美國發明家馬瑟運用了金屬的撓性和彈性力學原理,設計出實用的諧波減速器。他在1955年提交了專利申請,1959年獲得批準,并在1960年的紐約展示了原型。下圖展示了諧波減速器的主要組成部分,包括剛性輪、柔性輪和波發生器三部分。

     

    諧波減速器的核心優勢在于其簡約的零部件數量,便捷的安裝程序和較低的生產成本。同時,它具備體積小、重量輕和高精度的優勢,相較于傳統齒輪裝置,體積只有三分之一,重量只有二分之一,卻能維持相等的轉矩容量和減速比,實現了緊湊型的輕量化設計。然而,諧波減速器的主要缺點在于其剛性不足,對沖擊的耐受力較弱,以及扭矩承載力不足。

     

    對于人形機器人來說,諧波減速器在上肢和手腕等部位有出色的適用性,但在髖部和腿部等部位,卻稍顯不足。

     

    而現在廣泛應用于工業機器人及協作機器人的RV減速器則最早出現于日本。RV減速器是在傳統擺線針輪、行星齒輪傳動裝置的基礎上發展起來的傳動機構。它由日本納博特斯克(Nabtesco)公司的前身——日本帝人制機公司于1985年完成研發。

     

    相較于諧波減速器,RV減速器的關鍵優勢在于其加工工藝和裝配工藝。它具有較高的疲勞強度、剛度和使用壽命,與諧波傳動不同,RV減速器的運動精度隨著使用時間的增長并不會顯著降低。然而,其缺點在于重量較大和外形尺寸較大,這在一定程度上限制了其在人形機器人上的應用。


     

     

    減速器的競爭格局

     

    減速器是機器人核心領域的核心,其中,歐洲及日本的企業,以其技術實力和規模效應占優。在減速器的材料選取、設計水平、質量管控、精度保證、功率密度、可靠性及使用壽命等關鍵性能維度,德國、日本的企業展現出領先優勢。全球減速器產業的領軍者,包括日本的納博特斯克和哈默納克,歐洲的SEW和弗蘭德,以及其他國際知名的減速器制造商,如德國的倫茨、布雷維尼、邦飛利,日本的住友以及德國的諾德等。

     

    RV減速器與諧波減速器由兩家日本企業占據著市場的主導地位。納博特斯克,作為RV減速器的巨頭,其市場影響力深厚。根據納博特斯克2021年的年度報告,其在全球市場的占有率高達60%。截至2021年年底,納博特斯克的RV減速器產能達到95萬臺,預計在2022年底將進一步擴產至106萬臺,大幅度超過了國內廠商,如中大力德、環動科技等合計的74萬臺總產能。在諧波減速器市場,哈默那科處于主導地位,僅在2022年3月,哈默那科的諧波減速器產能就已達到150萬臺(不包括車載部分),加上車載合計為222萬臺產能,而國內的綠的諧波和來福諧波等品牌的產能總和則為140萬臺。

     

    下圖是兩種常見減速器在中國市場的占有率,從中也可以看到日本兩大巨頭的領先優勢。

     

    2022年中國工業機器人用諧波減速器市場占比情況(單位:%)

    2022年中國工業機器人用RV減速器市場占比情況(單位:%)

     

    減速器的研發難度

     

    減速器作為精密機械裝置,其研發難度無外乎三點:設計、材料、機加工精度。

     

    設計,以諧波減速器的齒形設計為例。由于諧波減速器的傳動原理是兩個齒輪間的嚙合運動,且柔輪不斷發生形變,齒輪的高度、寬度、形狀等設計對其減速性能具有顯著影響。傳統的齒形設計為漸開線齒輪,而哈默那科首先設計出IH齒形,綠的諧波采用三次諧波理論,創新研發P型齒,從而提高了精度與剛度。

     

    材料:減速器對材料的一致性、載荷、精度、疲勞壽命都有嚴格要求,而普通金屬和合金難以滿足這些要求。因此,優秀的減速器研發一定是伴隨著金屬材料的進步。

     

    機加工精度:減速器主要由各種齒輪組成,對機加工和切割的要求較高,有些過程仍然依賴于員工的經驗積累。此外,機加工的一致性也非常重要,在規?;慨a的情況下,提高良品率、保持產品一致性具有很大難度。

     

    中國驅動器與減速器行業的未來

     

    不可否認,當前在RV減速器及諧波減速器領域,中國企業與日本企業仍存在顯著差距,這種差距主要體現在產品性能和產能規模方面。然而,我們也需認識到,在國家政策大力扶持下,中國企業已經取得顯著進步,并已經在國內市場開始搶占日本企業的份額,同時也已經在全球范圍內向著國際企業供貨。

     

    此處,借用我國某知名的減速器專家的觀點,我國減速器發展的優勢主要體現在四個方面。

     

    第一,高層領導重視、時刻關注,國家與企業研發投入巨大;第二,中國的人才儲備已經超過日本,日本現在懂RV減速器的專家只有3個,而我們國家有20多個;第三,自動化優勢,日本減速器企業自動化水平低,基本靠的是老師傅的工裝水平,而我國的自動化水平較高,未來發展潛力巨大;第四,成本優勢,以諧波減速器為例,日本同行的價格約為3000-4000元,而國產同水平減速器價格約為2000-2500元,性價比更高。

     

    我國的減速器企業基本都是從齒輪企業進化未來,在未來可預見的3-5年,中國的高精度減速器將在技術水平上達到日本同行的水平,那時,減速器將不再成為卡脖子產品。

     

    而驅動器則是減速器、電機、編碼器等共同組成的組件,對廠家的要求則更加綜合,需要能夠綜合電子、計算機、機械精加工等多種行業經驗。目前在人形機器人領域,身位領先的企業都是從汽車配套產業鏈而來,如三花智控、拓普集團等。

     

    以下為我國主要減速器生產企業的產品類型及銷售規模對比:

     


    寫在最后

     

    隨著工業自動化在各種領域的深化實踐,中國的機器人驅動器企業與減速器企業正在迎來最好的發展階段。而隨著特斯拉人形機器人持續地更新迭代,以及國內各大廠商在人形機器人領域的深度研發,機器人驅動器企業與減速器企業將迎來一個更為廣闊的發展空間,行業的增長天花板正在持續地提升。

     

    我們深信,那些愿意加大研發投入,不斷進行創新,銳意進取,并且具備優秀管理和人才的企業,將在這個長坡厚雪的競爭賽道中,獲得豐厚的收益。

     

    星辰大海,前途無量。



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