驅(qū)動(dòng)器—人形機(jī)器人核心器件，中國(guó)企業(yè)機(jī)會(huì)幾何？
文章來(lái)源：榕樹投資發(fā)布時(shí)間：2023-08-30
前 言
雙足人形機(jī)器人被譽(yù)為“制造業(yè)皇冠上的瑰寶”，它集成了多種人工智能子領(lǐng)域，如通用語(yǔ)言智能、邏輯推理智能、感知智能、運(yùn)動(dòng)控制智能和情感智能等，是具身智能（Embodied Intelligence）的直接體現(xiàn)。此外，雙足人形機(jī)器人也是機(jī)械制造精度、使用壽命、復(fù)雜度和成本要求極高的集合體。
在許多應(yīng)用場(chǎng)合，雙足人形機(jī)器人可協(xié)助或可替代人類工作，如家庭助手、災(zāi)難救援、防爆和反恐等?？茖W(xué)家和科技企業(yè)長(zhǎng)期以來(lái)都在追求機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能，以期達(dá)到或接近人類的水平。然而，無(wú)論是本田的ASIMO，還是波士頓動(dòng)力的ATLAS，亦或是優(yōu)必選的Walker，它們的運(yùn)動(dòng)性能都遠(yuǎn)遠(yuǎn)未能達(dá)到或超越人類或動(dòng)物。
2022年9月30日，特斯拉首席執(zhí)行官馬斯克在特斯拉AI Day上展示了特斯拉的第一個(gè)人形機(jī)器人原型Optimus。在舞臺(tái)上，機(jī)器人以緩慢的速度揮手，展示了簡(jiǎn)單的舞蹈動(dòng)作。特斯拉還展示了一些機(jī)器人執(zhí)行其他任務(wù)的視頻片段，如搬箱子、給花澆水。馬斯克表示，“機(jī)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(dá)、機(jī)器貓、新世紀(jì)福音戰(zhàn)士、戰(zhàn)斗天使阿麗塔，到特斯拉機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)夢(mèng)想的道路上還有許多技術(shù)難關(guān)需要攻克。盡管如此，正如馬斯克所說(shuō)，“這將是文明的根本轉(zhuǎn)變?！?/span>
“我認(rèn)為這個(gè)需求可能達(dá)到100億臺(tái)，這是一個(gè)瘋狂的數(shù)字。”馬斯克還強(qiáng)調(diào)，“機(jī)器人的需求將超過(guò)汽車，特斯拉的長(zhǎng)期價(jià)值主要將體現(xiàn)在Optimus上。我對(duì)這個(gè)預(yù)測(cè)充滿信心?！?/span>
今天，我們或許正站在人類最偉大發(fā)明的起點(diǎn)。
人形機(jī)器人核心硬件——驅(qū)動(dòng)器
機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器（亦被稱為機(jī)電執(zhí)行器）是雙足人形機(jī)器人的核心組件，并在此類機(jī)器人的生產(chǎn)成本中占據(jù)極高份額，約占總成本的50%。驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)力來(lái)源可以劃分為液壓、氣動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、記憶金屬、生物類（如心肌細(xì)胞）等類別。從當(dāng)前主流的人形機(jī)器人來(lái)看，僅有波士頓動(dòng)力公司選擇液壓驅(qū)動(dòng)方式，而其他大部分的機(jī)器人都使用的是電機(jī)驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器主要由電機(jī)、減速器、編碼器、控制板和控制軟件等組件構(gòu)成。
在設(shè)計(jì)雙足人形機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以參照人類自身的運(yùn)動(dòng)方式。例如，其運(yùn)動(dòng)速度較快、機(jī)動(dòng)性能優(yōu)良、步幅和步頻多樣化、著地點(diǎn)分散、能夠承受一定程度的高速碰撞等運(yùn)動(dòng)特性。為了滿足這些運(yùn)動(dòng)需求，驅(qū)動(dòng)器需要具備高能量密度、高響應(yīng)性、高能量利用效率和抗沖擊性等特性。
1971年，早稻田大學(xué)加藤一郎教授成功地開發(fā)了全球首款三維雙足機(jī)器人WAP-3，實(shí)現(xiàn)了行走的能力，為雙足人形機(jī)器人的研發(fā)開啟了序章。
1983年，早稻田大學(xué)研究的WL-10R機(jī)器人開始采用剛性驅(qū)動(dòng)器TSA (traditional stiffness actuator)作為關(guān)節(jié)動(dòng)力源。自那時(shí)起，雙足人形機(jī)器人開始廣泛使用剛性驅(qū)動(dòng)器。
1995年，麻省理工學(xué)院的Pratt等人提出了彈性驅(qū)動(dòng)器SEA (series elastic actuator)的概念，這標(biāo)志著彈性驅(qū)動(dòng)器研究的開始。美國(guó)宇航局的機(jī)器人Valkyrie和意大利技術(shù)研究院的機(jī)器人Walk-Man都使用了彈性驅(qū)動(dòng)器。
2016年，Wensing等人提出了準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)器PA (proprioceptive actuator)的概念，并將其應(yīng)用在了四足機(jī)器人Cheetah和雙足機(jī)器人Hermes中?，F(xiàn)今，準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)器在四足機(jī)器人領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。
剛性驅(qū)動(dòng)器
剛性驅(qū)動(dòng)器主要由電機(jī)、高傳動(dòng)比減速器、編碼器、力矩傳感器和控制板等組成。
在當(dāng)前市場(chǎng)上，主流關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)均采用諧波減速器。工程師們的主要工作集中在優(yōu)化驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)流程，構(gòu)建電機(jī)和減速器參數(shù)的動(dòng)力學(xué)模型。然而，基于元器件的工藝和原理限制，傳統(tǒng)的剛性驅(qū)動(dòng)器在功率密度上難以達(dá)到與生物肌肉相媲美的水平。
因此，盡管剛性驅(qū)動(dòng)器仍然是市場(chǎng)主流的人形機(jī)器人關(guān)節(jié)方案，但對(duì)其中減速器的需求仍未被完全滿足。新型的，結(jié)合RV和諧波兩種減速器優(yōu)點(diǎn)的減速器，將成為未來(lái)的發(fā)展方向。
彈性驅(qū)動(dòng)器
機(jī)器人所使用的剛性驅(qū)動(dòng)器，在行走、奔跑和跳躍等行為的執(zhí)行能力上，明顯無(wú)法比肩人類與動(dòng)物的水平。而人類與動(dòng)物則是利用肌肉系統(tǒng)來(lái)完成這些動(dòng)作。動(dòng)物的骨骼肌肉系統(tǒng)，具備剛?cè)岵?jì)的特性，能夠在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中儲(chǔ)存并釋放能量，調(diào)節(jié)能量在時(shí)間和功率密度上的不對(duì)稱性，提升關(guān)節(jié)的瞬時(shí)爆發(fā)力，高效循環(huán)利用能量，實(shí)現(xiàn)著陸的緩沖效果。因此，科研人員研究多種自適應(yīng)的彈性驅(qū)動(dòng)器，以模擬肌肉系統(tǒng)的功能，使關(guān)節(jié)能夠表現(xiàn)出柔韌、安全和高效的能量效率特性。
此外，針對(duì)單一驅(qū)動(dòng)器無(wú)法滿足機(jī)器人在瞬間產(chǎn)生高輸出扭矩、能量效率和抗沖擊能力需求的問(wèn)題，工程師提出了采用多模式彈性驅(qū)動(dòng)器的概念。
特斯拉在Optimus機(jī)器人項(xiàng)目中充分汲取了彈性驅(qū)動(dòng)器研究的經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)新性地在人形機(jī)器人設(shè)計(jì)中采用了滾柱絲杠的線性關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)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(shí)，這也使得滾柱絲杠這一機(jī)械結(jié)構(gòu)得以進(jìn)入公眾的視線之中。
準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)器
準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)器，亦稱本體驅(qū)動(dòng)器，其含義為依賴驅(qū)動(dòng)器電機(jī)的開環(huán)力控，無(wú)需額外的力或力矩傳感器，就能感知機(jī)器人腳部與外界交互的力。在理想狀態(tài)下，電機(jī)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)器是最佳選擇，但由于電機(jī)工藝和技術(shù)的限制，電機(jī)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)器的扭矩密度難以滿足機(jī)器人應(yīng)用的需求。因此，采用了電機(jī)加低傳動(dòng)比減速器的折衷方案，同時(shí)要求負(fù)載質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量盡可能小，以實(shí)現(xiàn)高帶寬力控和良好的抗沖擊能力。準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)器主要由高扭矩密度電機(jī)、低傳動(dòng)比減速器、編碼器和控制板等組成。
準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)器具有較高的功率密度，寬廣的力控帶寬，以及強(qiáng)大的抗沖擊能力。然而，由于其負(fù)載能力相對(duì)較弱、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量需要較小，目前主要應(yīng)用于四足狗和八足蜘蛛等仿生機(jī)器人。在人形機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用相對(duì)較少，特斯拉機(jī)器人并未采納相關(guān)設(shè)計(jì)方案。
驅(qū)動(dòng)器技術(shù)難點(diǎn)
剛性驅(qū)動(dòng)器最早被引入到雙足人形機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，其相關(guān)的理論框架也趨于成熟，已在傳統(tǒng)雙足機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人及工業(yè)精密轉(zhuǎn)臺(tái)等多領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。然而，受制于電機(jī)及減速器的功率密度，在適宜工作區(qū)間內(nèi)的最大輸出功率密度只能達(dá)到200至300瓦/千克，與動(dòng)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(jī)器人上的應(yīng)用。
目前剛性驅(qū)動(dòng)器最大的難點(diǎn)在于新型減速器的研發(fā)。
彈性驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的發(fā)展歷程，積累了眾多成果。但是，由于彈性體的引入，導(dǎo)致系統(tǒng)為欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，控制問(wèn)題凸顯，特別是在機(jī)器人腿部使用時(shí)，實(shí)現(xiàn)整機(jī)運(yùn)動(dòng)控制存在較大難度。
準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)器是近年來(lái)的新興技術(shù)，發(fā)展迅速，得到了多產(chǎn)品應(yīng)用，如麻省理工學(xué)院的Cheetah、宇樹科技的Laikago以及云深處科技的絕影等。設(shè)計(jì)的初衷是提高驅(qū)動(dòng)器的扭矩密度、瞬間響應(yīng)性和抗沖擊能力，同時(shí)降低成本。然而，負(fù)載質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的限制要求也限制了準(zhǔn)直驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用范圍?；谏鲜鲈颍壳皽?zhǔn)直驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用以四足、六足、八足等為主，應(yīng)用到雙足的難度較大。
剛性驅(qū)動(dòng)器的核心——減速器
目前，在機(jī)器人應(yīng)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(dòng)起源于美蘇之間的爭(zhēng)霸時(shí)期，主要目的是滿足緊湊、輕便和體積小的傳動(dòng)需求。這個(gè)概念最初由蘇聯(lián)的科學(xué)家提出。美國(guó)發(fā)明家馬瑟運(yùn)用了金屬的撓性和彈性力學(xué)原理，設(shè)計(jì)出實(shí)用的諧波減速器。他在1955年提交了專利申請(qǐng)，1959年獲得批準(zhǔn)，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(fā)生器三部分。
諧波減速器的核心優(yōu)勢(shì)在于其簡(jiǎn)約的零部件數(shù)量，便捷的安裝程序和較低的生產(chǎn)成本。同時(shí)，它具備體積小、重量輕和高精度的優(yōu)勢(shì)，相較于傳統(tǒng)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(zhuǎn)矩容量和減速比，實(shí)現(xiàn)了緊湊型的輕量化設(shè)計(jì)。然而，諧波減速器的主要缺點(diǎn)在于其剛性不足，對(duì)沖擊的耐受力較弱，以及扭矩承載力不足。
對(duì)于人形機(jī)器人來(lái)說(shuō)，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(xiàn)在廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人及協(xié)作機(jī)器人的RV減速器則最早出現(xiàn)于日本。RV減速器是在傳統(tǒng)擺線針輪、行星齒輪傳動(dòng)裝置的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。它由日本納博特斯克（Nabtesco）公司的前身——日本帝人制機(jī)公司于1985年完成研發(fā)。
相較于諧波減速器，RV減速器的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于其加工工藝和裝配工藝。它具有較高的疲勞強(qiáng)度、剛度和使用壽命，與諧波傳動(dòng)不同，RV減速器的運(yùn)動(dòng)精度隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)并不會(huì)顯著降低。然而，其缺點(diǎn)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(jī)器人上的應(yīng)用。
減速器的競(jìng)爭(zhēng)格局
減速器是機(jī)器人核心領(lǐng)域的核心，其中，歐洲及日本的企業(yè)，以其技術(shù)實(shí)力和規(guī)模效應(yīng)占優(yōu)。在減速器的材料選取、設(shè)計(jì)水平、質(zhì)量管控、精度保證、功率密度、可靠性及使用壽命等關(guān)鍵性能維度，德國(guó)、日本的企業(yè)展現(xiàn)出領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。全球減速器產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)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(guó)際知名的減速器制造商，如德國(guó)的倫茨、布雷維尼、邦飛利，日本的住友以及德國(guó)的諾德等。
RV減速器與諧波減速器由兩家日本企業(yè)占據(jù)著市場(chǎng)的主導(dǎo)地位。納博特斯克，作為RV減速器的巨頭，其市場(chǎng)影響力深厚。根據(jù)納博特斯克2021年的年度報(bào)告，其在全球市場(chǎng)的占有率高達(dá)60%。截至2021年年底，納博特斯克的RV減速器產(chǎn)能達(dá)到95萬(wàn)臺(tái)，預(yù)計(jì)在2022年底將進(jìn)一步擴(kuò)產(chǎn)至106萬(wàn)臺(tái)，大幅度超過(guò)了國(guó)內(nèi)廠商，如中大力德、環(huán)動(dòng)科技等合計(jì)的74萬(wàn)臺(tái)總產(chǎn)能。在諧波減速器市場(chǎng)，哈默那科處于主導(dǎo)地位，僅在2022年3月，哈默那科的諧波減速器產(chǎn)能就已達(dá)到150萬(wàn)臺(tái)（不包括車載部分），加上車載合計(jì)為222萬(wàn)臺(tái)產(chǎn)能，而國(guó)內(nèi)的綠的諧波和來(lái)福諧波等品牌的產(chǎn)能總和則為140萬(wàn)臺(tái)。
下圖是兩種常見(jiàn)減速器在中國(guó)市場(chǎng)的占有率，從中也可以看到日本兩大巨頭的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。
2022年中國(guó)工業(yè)機(jī)器人用諧波減速器市場(chǎng)占比情況（單位：%）
2022年中國(guó)工業(yè)機(jī)器人用RV減速器市場(chǎng)占比情況（單位：%）
減速器的研發(fā)難度
減速器作為精密機(jī)械裝置，其研發(fā)難度無(wú)外乎三點(diǎn)：設(shè)計(jì)、材料、機(jī)加工精度。
設(shè)計(jì)，以諧波減速器的齒形設(shè)計(jì)為例。由于諧波減速器的傳動(dòng)原理是兩個(gè)齒輪間的嚙合運(yùn)動(dòng)，且柔輪不斷發(fā)生形變，齒輪的高度、寬度、形狀等設(shè)計(jì)對(duì)其減速性能具有顯著影響。傳統(tǒng)的齒形設(shè)計(jì)為漸開線齒輪，而哈默那科首先設(shè)計(jì)出IH齒形，綠的諧波采用三次諧波理論，創(chuàng)新研發(fā)P型齒，從而提高了精度與剛度。
材料：減速器對(duì)材料的一致性、載荷、精度、疲勞壽命都有嚴(yán)格要求，而普通金屬和合金難以滿足這些要求。因此，優(yōu)秀的減速器研發(fā)一定是伴隨著金屬材料的進(jìn)步。
機(jī)加工精度：減速器主要由各種齒輪組成，對(duì)機(jī)加工和切割的要求較高，有些過(guò)程仍然依賴于員工的經(jīng)驗(yàn)積累。此外，機(jī)加工的一致性也非常重要，在規(guī)模化量產(chǎn)的情況下，提高良品率、保持產(chǎn)品一致性具有很大難度。
中國(guó)驅(qū)動(dòng)器與減速器行業(yè)的未來(lái)
不可否認(rèn)，當(dāng)前在RV減速器及諧波減速器領(lǐng)域，中國(guó)企業(yè)與日本企業(yè)仍存在顯著差距，這種差距主要體現(xiàn)在產(chǎn)品性能和產(chǎn)能規(guī)模方面。然而，我們也需認(rèn)識(shí)到，在國(guó)家政策大力扶持下，中國(guó)企業(yè)已經(jīng)取得顯著進(jìn)步，并已經(jīng)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)開始搶占日本企業(yè)的份額，同時(shí)也已經(jīng)在全球范圍內(nèi)向著國(guó)際企業(yè)供貨。
此處，借用我國(guó)某知名的減速器專家的觀點(diǎn)，我國(guó)減速器發(fā)展的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在四個(gè)方面。
第一，高層領(lǐng)導(dǎo)重視、時(shí)刻關(guān)注，國(guó)家與企業(yè)研發(fā)投入巨大；第二，中國(guó)的人才儲(chǔ)備已經(jīng)超過(guò)日本，日本現(xiàn)在懂RV減速器的專家只有3個(gè)，而我們國(guó)家有20多個(gè)；第三，自動(dòng)化優(yōu)勢(shì)，日本減速器企業(yè)自動(dòng)化水平低，基本靠的是老師傅的工裝水平，而我國(guó)的自動(dòng)化水平較高，未來(lái)發(fā)展?jié)摿薮?；第四，成本?yōu)勢(shì)，以諧波減速器為例，日本同行的價(jià)格約為3000-4000元，而國(guó)產(chǎn)同水平減速器價(jià)格約為2000-2500元，性價(jià)比更高。
我國(guó)的減速器企業(yè)基本都是從齒輪企業(yè)進(jìn)化未來(lái)，在未來(lái)可預(yù)見(jiàn)的3-5年，中國(guó)的高精度減速器將在技術(shù)水平上達(dá)到日本同行的水平，那時(shí)，減速器將不再成為卡脖子產(chǎn)品。
而驅(qū)動(dòng)器則是減速器、電機(jī)、編碼器等共同組成的組件，對(duì)廠家的要求則更加綜合，需要能夠綜合電子、計(jì)算機(jī)、機(jī)械精加工等多種行業(yè)經(jīng)驗(yàn)。目前在人形機(jī)器人領(lǐng)域，身位領(lǐng)先的企業(yè)都是從汽車配套產(chǎn)業(yè)鏈而來(lái)，如三花智控、拓普集團(tuán)等。
以下為我國(guó)主要減速器生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品類型及銷售規(guī)模對(duì)比：
寫在最后
隨著工業(yè)自動(dòng)化在各種領(lǐng)域的深化實(shí)踐，中國(guó)的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器企業(yè)與減速器企業(yè)正在迎來(lái)最好的發(fā)展階段。而隨著特斯拉人形機(jī)器人持續(xù)地更新迭代，以及國(guó)內(nèi)各大廠商在人形機(jī)器人領(lǐng)域的深度研發(fā)，機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器企業(yè)與減速器企業(yè)將迎來(lái)一個(gè)更為廣闊的發(fā)展空間，行業(yè)的增長(zhǎng)天花板正在持續(xù)地提升。
我們深信，那些愿意加大研發(fā)投入，不斷進(jìn)行創(chuàng)新，銳意進(jìn)取，并且具備優(yōu)秀管理和人才的企業(yè)，將在這個(gè)長(zhǎng)坡厚雪的競(jìng)爭(zhēng)賽道中，獲得豐厚的收益。
星辰大海，前途無(wú)量。
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