驅(qū)動器—人形機器人核心器件，中國企業(yè)機會幾何？
文章來源：榕樹投資發(fā)布時間：2023-08-30
前 言
雙足人形機器人被譽為“制造業(yè)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(xiàn)。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(xié)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(yè)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(yōu)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(zhí)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(zhí)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(zhàn)士、戰(zhàn)斗天使阿麗塔，到特斯拉機器人，實現(xiàn)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(shù)字。”馬斯克還強調(diào)，“機器人的需求將超過汽車，特斯拉的長期價值主要將體現(xiàn)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(fā)明的起點。
人形機器人核心硬件——驅(qū)動器
機器人關節(jié)驅(qū)動器（亦被稱為機電執(zhí)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(chǎn)成本中占據(jù)極高份額，約占總成本的50%。驅(qū)動器的動力來源可以劃分為液壓、氣動、電機驅(qū)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(qū)動方式，而其他大部分的機器人都使用的是電機驅(qū)動的驅(qū)動器。電機驅(qū)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(jié)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(yōu)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(qū)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(fā)了全球首款三維雙足機器人WAP-3，實現(xiàn)了行走的能力，為雙足人形機器人的研發(fā)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(qū)動器TSA (traditional stiffness actuator)作為關節(jié)動力源。自那時起，雙足人形機器人開始廣泛使用剛性驅(qū)動器。
1995年，麻省理工學院的Pratt等人提出了彈性驅(qū)動器SEA (series elastic actuator)的概念，這標志著彈性驅(qū)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(qū)動器。
2016年，Wensing等人提出了準直驅(qū)驅(qū)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(xiàn)今，準直驅(qū)驅(qū)動器在四足機器人領域被廣泛應用。
剛性驅(qū)動器
剛性驅(qū)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(jié)設計均采用諧波減速器。工程師們的主要工作集中在優(yōu)化驅(qū)動器設計流程，構建電機和減速器參數(shù)的動力學模型。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(qū)動器仍然是市場主流的人形機器人關節(jié)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(yōu)點的減速器，將成為未來的發(fā)展方向。
彈性驅(qū)動器
機器人所使用的剛性驅(qū)動器，在行走、奔跑和跳躍等行為的執(zhí)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(tǒng)來完成這些動作。動物的骨骼肌肉系統(tǒng)，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(diào)節(jié)能量在時間和功率密度上的不對稱性，提升關節(jié)的瞬時爆發(fā)力，高效循環(huán)利用能量，實現(xiàn)著陸的緩沖效果。因此，科研人員研究多種自適應的彈性驅(qū)動器，以模擬肌肉系統(tǒng)的功能，使關節(jié)能夠表現(xiàn)出柔韌、安全和高效的能量效率特性。
此外，針對單一驅(qū)動器無法滿足機器人在瞬間產(chǎn)生高輸出扭矩、能量效率和抗沖擊能力需求的問題，工程師提出了采用多模式彈性驅(qū)動器的概念。
特斯拉在Optimus機器人項目中充分汲取了彈性驅(qū)動器研究的經(jīng)驗，創(chuàng)新性地在人形機器人設計中采用了滾柱絲杠的線性關節(jié)驅(qū)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(qū)驅(qū)動器
準直驅(qū)驅(qū)動器，亦稱本體驅(qū)動器，其含義為依賴驅(qū)動器電機的開環(huán)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(tài)下，電機直驅(qū)驅(qū)動器是最佳選擇，但由于電機工藝和技術的限制，電機直驅(qū)驅(qū)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(zhì)量和轉動慣量盡可能小，以實現(xiàn)高帶寬力控和良好的抗沖擊能力。準直驅(qū)驅(qū)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(qū)驅(qū)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(qū)動器技術難點
剛性驅(qū)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(tǒng)雙足機器人、工業(yè)機器人、協(xié)作機器人及工業(yè)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(qū)間內(nèi)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(qū)動器最大的難點在于新型減速器的研發(fā)。
彈性驅(qū)動器已經(jīng)歷了漫長的發(fā)展歷程，積累了眾多成果。但是，由于彈性體的引入，導致系統(tǒng)為欠驅(qū)動系統(tǒng)，控制問題凸顯，特別是在機器人腿部使用時，實現(xiàn)整機運動控制存在較大難度。
準直驅(qū)驅(qū)動器是近年來的新興技術，發(fā)展迅速，得到了多產(chǎn)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(qū)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(zhì)量和轉動慣量的限制要求也限制了準直驅(qū)動器的應用范圍?；谏鲜鲈?，目前準直驅(qū)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(qū)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(lián)的科學家提出。美國發(fā)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(fā)生器三部分。
諧波減速器的核心優(yōu)勢在于其簡約的零部件數(shù)量，便捷的安裝程序和較低的生產(chǎn)成本。同時，它具備體積小、重量輕和高精度的優(yōu)勢，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，卻能維持相等的轉矩容量和減速比，實現(xiàn)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(xiàn)在廣泛應用于工業(yè)機器人及協(xié)作機器人的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、行星齒輪傳動裝置的基礎上發(fā)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(fā)。
相較于諧波減速器，RV減速器的關鍵優(yōu)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(yè)，以其技術實力和規(guī)模效應占優(yōu)。在減速器的材料選取、設計水平、質(zhì)量管控、精度保證、功率密度、可靠性及使用壽命等關鍵性能維度，德國、日本的企業(yè)展現(xiàn)出領先優(yōu)勢。全球減速器產(chǎn)業(yè)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(yè)占據(jù)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(jù)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(chǎn)能達到95萬臺，預計在2022年底將進一步擴產(chǎn)至106萬臺，大幅度超過了國內(nèi)廠商，如中大力德、環(huán)動科技等合計的74萬臺總產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)能，而國內(nèi)的綠的諧波和來福諧波等品牌的產(chǎn)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(yōu)勢。
2022年中國工業(yè)機器人用諧波減速器市場占比情況（單位：%）
2022年中國工業(yè)機器人用RV減速器市場占比情況（單位：%）
減速器的研發(fā)難度
減速器作為精密機械裝置，其研發(fā)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(fā)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(tǒng)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(chuàng)新研發(fā)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(yōu)秀的減速器研發(fā)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(jīng)驗積累。此外，機加工的一致性也非常重要，在規(guī)?；慨a(chǎn)的情況下，提高良品率、保持產(chǎn)品一致性具有很大難度。
中國驅(qū)動器與減速器行業(yè)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(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，我們也需認識到，在國家政策大力扶持下，中國企業(yè)已經(jīng)取得顯著進步，并已經(jīng)在國內(nèi)市場開始搶占日本企業(yè)的份額，同時也已經(jīng)在全球范圍內(nèi)向著國際企業(yè)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(fā)展的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在四個方面。
第一，高層領導重視、時刻關注，國家與企業(yè)研發(fā)投入巨大；第二，中國的人才儲備已經(jīng)超過日本，日本現(xiàn)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(yōu)勢，日本減速器企業(yè)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(fā)展?jié)摿薮?；第四，成本?yōu)勢，以諧波減速器為例，日本同行的價格約為3000-4000元，而國產(chǎn)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(yè)基本都是從齒輪企業(yè)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(chǎn)品。
而驅(qū)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(yè)經(jīng)驗。目前在人形機器人領域，身位領先的企業(yè)都是從汽車配套產(chǎn)業(yè)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(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品類型及銷售規(guī)模對比：
寫在最后
隨著工業(yè)自動化在各種領域的深化實踐，中國的機器人驅(qū)動器企業(yè)與減速器企業(yè)正在迎來最好的發(fā)展階段。而隨著特斯拉人形機器人持續(xù)地更新迭代，以及國內(nèi)各大廠商在人形機器人領域的深度研發(fā)，機器人驅(qū)動器企業(yè)與減速器企業(yè)將迎來一個更為廣闊的發(fā)展空間，行業(yè)的增長天花板正在持續(xù)地提升。
我們深信，那些愿意加大研發(fā)投入，不斷進行創(chuàng)新，銳意進取，并且具備優(yōu)秀管理和人才的企業(yè)，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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