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机器人行业系列报告(九):准直驱执行器深度人形机器人执行器技术的前沿-240206(34页).pdf

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机器人行业系列报告(九):准直驱执行器深度人形机器人执行器技术的前沿-240206(34页).pdf

1、 敬请阅读末页的重要说明 证券研究报告|行业深度报告 2024 年 02 月 06 日 推荐推荐(维持)(维持)机器人系列报告机器人系列报告(九九)中游制造/机械 本篇报告本篇报告系统性地梳理了人形机器人关节技术中较为前沿的准直驱执行器技系统性地梳理了人形机器人关节技术中较为前沿的准直驱执行器技术。准直驱执行器术。准直驱执行器是不依赖力是不依赖力/力矩传感器,仅依靠电流环开环力控,就可以感力矩传感器,仅依靠电流环开环力控,就可以感知机器人和外界的交互力的一种执行器知机器人和外界的交互力的一种执行器。其低成本、高响应的特点有望在未来。其低成本、高响应的特点有望在未来人形机器人执行器方案中占有一席

2、之地。在人形机器人赛道的发展过程中,准人形机器人执行器方案中占有一席之地。在人形机器人赛道的发展过程中,准直驱执行器及其核心零部件具备极大的发展潜力,直驱执行器及其核心零部件具备极大的发展潜力,给予行业“推荐”评级给予行业“推荐”评级。准直驱执行器是不依赖力准直驱执行器是不依赖力/力矩传感器,仅依靠电流环开环力控,就可以感知力矩传感器,仅依靠电流环开环力控,就可以感知机器人和外界的交互力的一种执行器。机器人和外界的交互力的一种执行器。人形机器人执行器的研究已有 30 多年的历史。经历了刚性执行器、弹性执行器和准直驱执行器三大阶段。准直驱执行器由高扭矩密度电机、低传动比减速器和编码器等构成,主要

3、优势是结构简单、成本低、透明度高、惯性小、带宽高。准直驱执行器的核心部件包括电机、减速器、轴承、控制器和编码器。准直驱执行器的核心部件包括电机、减速器、轴承、控制器和编码器。1)电机:准直驱执行器所用电机需要非常大的扭矩密度与扭矩惯性比,常用无刷直流电机。2)减速器与轴承:在物理原理上,准直驱执行器使用低减速比减速器的原因是其透明度高,使电流环控制的实现成为可能,行星减速器和摆线针轮减速器是准直驱执行器常用减速器。3)控制器:控制器的核心硬件是控制芯片,常用芯片包括 MCU、FPGA、DSP 三种。4)编码器:双编码器方案解决了回零位问题,更适合准直驱执行器。准直驱技术取得了更低的成本、更快的

4、响应速度,舍弃了一定精度与更高扭矩。准直驱技术取得了更低的成本、更快的响应速度,舍弃了一定精度与更高扭矩。由于准直驱执行器减速器成本更低以及节约了大量力/力矩传感器成本,所以准直驱执行器比刚性、弹性执行器成本低。准直驱执行器采用电流环力控,力控精度低于刚性执行器,但高于弹性执行器,存在 2%-5%的误差。准直驱执行器使用小减速比减速器,扭矩放大作用小,因此舍弃了更高的扭矩。准直驱执行器低减速比、摩擦小、惯性小的特点有利于提高执行器的控制带宽,从而提升执行器的响应速度。准直驱技术的发展方向:更高的扭矩密度和更高的带宽。准直驱技术的发展方向:更高的扭矩密度和更高的带宽。1)材料:)材料:使用以铁钴

5、合金为代表的高饱和磁通密度合金材料可以提高电机扭矩密度。PEEK、连铸球铁等轻量化材料有助于提高执行器扭矩密度。2)设计:)设计:增加电机间隙半径,如外转子电机方案,可以增加扭矩密度。相比径向磁通电机,轴向磁通电机的扭矩密度大、扭矩体积比大。磁场调制型永磁电机扭矩密度大于普通电机。3)热管理:)热管理:准直驱执行器输出大扭矩时,会产生大量焦耳热,需要高效的散热系统。风冷散热系统成本低、可靠性高、工艺简单、安装方便,缺点是噪声大。液冷系统散热效率高、噪声小,缺点是质量大。4)提高带宽:)提高带宽:提高电流环响应的速度、采用计算速度更快的控制器、改进 PID、滑模控制等运动控制算法。准直驱技术案例

6、与相关公司:准直驱技术案例与相关公司:MIT Cheetah、宇树科技、智元、宇树科技、智元 Powerflow 准准直驱执行器、双环传动直驱执行器、双环传动/环动科技(汽车组)、三花智控(家电组)、银轮股环动科技(汽车组)、三花智控(家电组)、银轮股份(汽车组)、份(汽车组)、中大力德、禾川科技(通信组)、中大力德、禾川科技(通信组)、本末科技(未上市)。本末科技(未上市)。风险提示:风险提示:人形机器人商业化进展不及预期、关节执行器技术迭代风险、行业人形机器人商业化进展不及预期、关节执行器技术迭代风险、行业竞争加剧风险竞争加剧风险 行业规模行业规模 占比%股票家数(只)469 9.2 总市

7、值(十亿元)2753.5 4.2 流通市值(十亿元)2294.4 3.9 行业指数行业指数%1m 6m 12m 绝对表现-27.4-32.2-33.4 相对表现-23.5-11.8-10.7 资料来源:公司数据、招商证券 相关相关报告报告 1、机器人系列报告(五):人形机器人的前世今生2023-07-24 2、机器人系列报告(六):高精密直线传动部件,迎来产业化重要机遇2023-10-10 3、机器人系列报告(七):人形机器人旋转执行器技术全梳理2023-11-23 4、机器人系列报告(八):六维力传感器是高精密力控刚需,人形机器人催生新需求2024-01-16 胡小禹胡小禹 S1090522

8、050002 史晋星史晋星 S1090522010003 吴洋吴洋 S1090523080001 朱艺晴朱艺晴 研究助理 方嘉敏方嘉敏 研究助理 -40-30-20-10010Feb/23May/23Sep/23Jan/24(%)机械沪深300准直驱准直驱执行器执行器深度深度:人形机器人执行器技术的前沿人形机器人执行器技术的前沿 敬请阅读末页的重要说明 2 行业深度报告 正文正文目录目录 一、准直驱执行器:低成本、高带宽的关节技术.6 1、人形机器人执行器研究经历了刚性、弹性和准直驱三个阶段.6 2、准直驱执行器具备独特优势.7 二、准直驱技术的核心部件与发展方向.9 1、准直驱技术的核心部件

9、.9(1)电机:更大的扭矩密度与扭矩惯性.10(2)减速器与轴承.11(3)控制器.14(4)编码器.16 2、准直驱技术在机器人设计中做出了哪些取舍?.17(1)取得更低成本.17(2)舍弃一定精度.18(3)舍弃更高扭矩.18(4)取得更快的响应速度.19 3、准直驱技术的发展方向.19(1)材料:高饱和磁通密度材料和轻量化材料.20(2)设计:提高间隙半径、轴向磁通电机和磁场调制.21(3)热管理:风冷系统和液冷系统.22(4)提高带宽:电流环响应、芯片和算法.24 三、准直驱技术案例.25 1、MIT Cheetah.25 2、宇树科技 A1 机器人.26 3、智元 Powerflow

10、 准直驱执行器.27 四、相关公司.27 1、双环传动(环动科技).27 2、三花智控.28 3、银轮股份.28 4、中大力德.29 5、禾川科技.30 6、本末科技(未上市).30 dVNAMAmYnU9XpW7N8Q8OpNqQnPsOkPmMmOlOrRrO8OoOwPuOrMsPMYtPqR 敬请阅读末页的重要说明 3 行业深度报告 五、风险提示.32 图表图表目录目录 图 1:执行器类型和历史.6 图 2:MIT Cheetah 准直驱执行器.7 图 3:刚性执行器.7 图 4:弹性执行器.8 图 5:变刚度关节的总体结构.8 图 6:变刚度单元模块.8 图 7:Katz 的准直驱执

11、行器.10 图 8:Katz 的准直驱执行器爆炸图.10 图 9:电机参数与间隙半径的关系.10 图 10:电机的分类.11 图 11:无刷直流电机工作原理.11 图 12:Katz 准直驱执行器使用的电机部件.11 图 13:T-Motor U8.11 图 14:大减速比减速器反驱透明度低.12 图 15:小减速比减速器反驱透明度高.12 图 16:行星减速器.12 图 17:摆线针轮减速器.12 图 18:Misumi GEFHB0.5-40-5-8-W3 齿轮.13 图 19:Katz 准直驱执行器减速器置于电机定子内.13 图 20:深沟球轴承.13 图 21:滚柱轴承.13 图 22

12、:使用四点角接触轴承的紧凑型准直驱驱动器.14 图 23:HK0408 滚针轴承.14 图 24:薄截面公制轴承.14 图 25:现代电机驱动系统的基本构成.15 图 26:一种永磁同步电机控制系统的硬件电路.15 图 27:意法半导体 STM32F446ZE 型 MCU.16 图 28:AMS AS5047P 位置编码器正面.16 敬请阅读末页的重要说明 4 行业深度报告 图 29:AMS AS5047P 位置编码器背面.16 图 30:双编码器准直驱执行器方案.17 图 31:准直驱执行器中的 AMS AS5047P 位置编码器.17 图 32 电流环控制.18 图 33:减速器特性对比.

13、19 图 34:电机定子铁芯和转子铁芯.20 图 35:使用 PEEK 材料的电机横截面.20 图 36:PEEK 减速器齿轮.20 图 37:工作空间限制电机尺寸.21 图 38:外转子电机.21 图 39:径向磁通电机(左)和轴向磁通电机(右).22 图 40:常规永磁电机和磁场调制电机.22 图 41:定子绕组封装.23 图 42:带外壳翅片的电机温度分布.23 图 43:电机强迫风冷系统.23 图 44:电机液冷系统.24 图 45:电流环内部延迟.24 图 46:FPGA 基本结构.25 图 47:MIT Cheetah 髋关节、膝关节准直驱执行器.25 图 48:Emoteq HT

14、 系列高力矩无框无刷电机.25 图 49:Mini Cheetah 腿部设计.26 图 50:MIT Cheetah 3 腿部设计.26 图 51:宇树 A1 电机.27 图 52:宇树 A1 四足机器人腿部设计.27 图 53:智元 PowerFlow 关节电机.27 图 54:SHPR-C 高精密摆线行星减速机.28 图 55:高精密谐波减速机.28 图 56:机器人机电执行器研发项目进度安排.28 图 57:银轮股份新能源车相关产品.29 图 58:银轮股份机器人仿生热管理系统.29 图 59:中大力德精密行星减速器 ZDE(F)系列.30 图 60:中大力德 BX-RVE 系列摆线针轮

15、精密减速器.30 敬请阅读末页的重要说明 5 行业深度报告 图 61:禾川科技编码器产品.30 图 62:本末科技部分合作伙伴名录.31 图 63:定子分布式多层绕组.32 图 64:外转子表贴式结构.32 图 65:磁力线分布对比图(左图为传统充磁,右图为海尔贝克充磁).32 图 66:机械行业历史 PEBand.33 图 67:机械行业历史 PBBand.33 表 1:各类执行器特性对比.9 表 2:准直驱执行器特性和价格.18 表 3:各类执行器带宽参数对比.19 敬请阅读末页的重要说明 6 行业深度报告 一、准直驱执行器一、准直驱执行器:低成本、高带宽的关节技术低成本、高带宽的关节技术

16、 1、人形机器人执行器研究经历了刚性、弹性和准直驱三个人形机器人执行器研究经历了刚性、弹性和准直驱三个阶段阶段 人形机器人执行器的研究已有人形机器人执行器的研究已有 30 多年的历史。多年的历史。经历了经历了刚性执行器、弹性执行器刚性执行器、弹性执行器和和准直驱执行器准直驱执行器三大阶段三大阶段。第一阶段,1983 年,早稻田大学研究的 WL-10R 机器人使用刚性执行器刚性执行器(TSA,Traditional Stiffness Actuator)。自此,人形机器人开始广泛应用刚性执行器为关节动力源。第二阶段,1995 年,麻省理工学院(MIT)的 Pratt 等提出了弹性执行器(SEA,

17、Series Elastic Actuator)的概念,拉开了弹性执行器研究的序幕。弹性执行器又分为四种,分别是串联弹性串联弹性执行器执行器、并联弹性并联弹性执行器执行器、多模态弹性多模态弹性执行器执行器和离合离合弹性弹性执行器执行器。20 世纪末,德国宇航局率先开始研究可变刚度执行器可变刚度执行器(VSA,Variable Stiffness Actuator)。不同于其他弹性执行器,VSA 的刚度是可以人为调节的。目前,VSA 是弹性执行器方面的热点研究领域,已经发展出主动变主动变刚度刚度和被动变刚度被动变刚度两种类型。第三阶段,2016年,MIT的Wensing等提出了准直驱执行器准直驱

18、执行器(PA,Proprioceptive Actuator)的概念,并将其应用于四足机器人 Cheetah 和双足机器人 Hermes。近年来,准直驱驱动器成为机器人执行器领域的研究热点。图图 1:执行器类型和历史执行器类型和历史 资料来源:国内外双足人形机器人驱动器研究综述、招商证券 准直驱执行器是不依赖力准直驱执行器是不依赖力/力矩传感器,仅依靠电流环开环力控,就可以感知机力矩传感器,仅依靠电流环开环力控,就可以感知机器人和外界的交互力的一种执行器。器人和外界的交互力的一种执行器。准直驱执行器由高扭矩密度电机和低传动比减速器组成,传动比通常在 10:1 以下。使用高扭矩密度的电机的目的是

19、为了在使用低传动比减速器的情况下,尽可能保证执行器质量小而输出扭矩大。使用低传动比减速器的原因是其成本低、透明度高,可以搭配电流环力控,进而省去力/力矩传感器。不使用力/力矩传感器的好处是可以节约成本。敬请阅读末页的重要说明 7 行业深度报告 图图 2:MIT Cheetah 准直驱执行器准直驱执行器 资料来源:Proprioceptive Actuator Design in the MIT Cheetah:Impact Mitigation and High-Bandwidth Physical Interaction for Dynamic Legged Robots、招商证券 2、准直

20、驱执行器具备准直驱执行器具备独特优势独特优势 刚性执行器由电机、高传动比减速器、编码器、力矩传感器和控制板等组成,主刚性执行器由电机、高传动比减速器、编码器、力矩传感器和控制板等组成,主要优势是力量控制精准。要优势是力量控制精准。但是,刚性执行器运动速度普遍较低,爆发力不足,受外部冲击时零部件易受损。刚性执行器的控制方法以位置控制为主,虽然能使机器人精确跟踪期望轨迹,但也给使用者带来安全隐患。因此,刚性执行器适用于定义明确且不需要与人类直接物理交互的环境,如零件加工、机械装配等工业领域。这些应用需要较高的位置精度和重复精度。图图 3:刚性执行器刚性执行器 资料来源:国内外双足人形机器人驱动器研

21、究综述、招商证券 弹性执行器在刚性执行器的基础上增加了收缩单元或弹性单元,主要优势是顺应弹性执行器在刚性执行器的基础上增加了收缩单元或弹性单元,主要优势是顺应性强。性强。但是,弹性执行器也有许多缺点。1)带宽低。)带宽低。弹性部件对高频运动的响应性差,导致带宽低、动态性能差,无法应对快速变化的工况,并且需要更加复杂的控制系统。过低的带宽会限制驱动器方案的适用范围。2)控制难。)控制难。建立弹性执行器的精确模型非常困难,这使精细控制难以实施。3)弹性单元的制造成)弹性单元的制造成本高。本高。4)增加额外重量。)增加额外重量。敬请阅读末页的重要说明 8 行业深度报告 图图 4:弹性执行器弹性执行器

22、 资料来源:国内外双足人形机器人驱动器研究综述、招商证券 可变刚度执行器在刚性执行器的基础上增加了基于弹性元件的变刚度单元,相对可变刚度执行器在刚性执行器的基础上增加了基于弹性元件的变刚度单元,相对于其他弹性执行器的主要优势是能够适应更多的工作场景。于其他弹性执行器的主要优势是能够适应更多的工作场景。可变刚度执行器的缺点类似弹性执行器,主要是带宽低、控制系统复杂、反驱性差等。另外,一些特定的可变刚度执行器方案需要加装专门的调刚电机,这会进一步增加执行器的重量和成本。图图 5:变刚度关节的总体结构:变刚度关节的总体结构 图图 6:变刚度单元模块:变刚度单元模块 资料来源:面向柔顺关节的变刚度执行

23、器设计与性能研究、招商证券 资料来源:面向柔顺关节的变刚度执行器设计与性能研究、招商证券 准直驱执行器由高扭矩密度电机、低传动比减速器和编码器等构成,主要优势是准直驱执行器由高扭矩密度电机、低传动比减速器和编码器等构成,主要优势是结构简单、成本低、透明度高、惯性小、带宽高。结构简单、成本低、透明度高、惯性小、带宽高。1)结构简单、成本低。)结构简单、成本低。通过绕组电流解算电机扭矩,无需加装传感器。2)高透明度,反驱性能好,缓解冲)高透明度,反驱性能好,缓解冲击的能力强。击的能力强。准直驱执行器不存在大减速比谐波减速器静摩擦力大,反驱困难,并且反驱时电流和输出力矩的关系难以进行数学建模的问题。

24、3)惯性小。)惯性小。低传动比减速器带来低惯性。低惯性能提高透明度和控制带宽。低惯性还意味着低阻抗。这有利于减少人形机器人运动的阻力。4)带宽高。)带宽高。准直驱执行器也存在一些缺点:这种执行器在运行时会产生大量焦耳热大量焦耳热,原因是减速器传动比小,电机输出扭矩大、速度低。扭矩大则所需的电流也大,而大电流会产生大量焦耳热。敬请阅读末页的重要说明 9 行业深度报告 表表 1 1:各类执行器特性对比:各类执行器特性对比 特性特性 刚性执行器刚性执行器T TSASA 弹性执行器弹性执行器 准直驱执行器准直驱执行器 P PA A 串联弹性执行串联弹性执行器器 S SEAEA 并联弹性执行并联弹性执行

25、器器 P PEAEA 离合弹性执行离合弹性执行器器 C CEAEA 多模态弹性执多模态弹性执行器行器 M MEAEA 可变刚度执行可变刚度执行器器 VSAVSA 结构 电机+高传动比减速器+高刚性力矩传感器 电机+高传动比减速器+串联弹性体 电机+高传动比减速器+高刚性力矩传感器+并联弹性体 电机+高传动比减速器+弹性体+离合机构 电机+高传动比减速器+高刚性力矩传感器+串联弹性体+并联弹性体 电机+高传动比减速器+变刚度单元+力矩传感器 高扭矩密度电机+低传动比减速器 力矩测量方式 应变片原理或电流 编码器或应变片原理 应变片原理或电流 编码器或应变片原理 编码器或应变片原理 应变片原理 电

26、流 控制特点 简单、精度高 复杂、精度低 简单、精度高 复杂、精度一般 复杂、精度一般 复杂、精度一般 简单、精度一般 能量效率 低 一般 高 非常高 非常高 一般 高 安全性 差 好 差 一般 好 好 好 应用场景 精密系统,如精密机床、仪器仪表、传统双足机器人 安全性系统,协作机器人 非对称载荷或自支撑平衡系统 双足或四足机器人 兼顾功率、能量效率、安全特性的系统 安全性系统,协作机器人 四足机器人,小型双足机器人 资料来源:国内外双足人形机器人驱动器研究综述、面向柔顺关节的变刚度执行器设计与性能研究、招商证券 二、准直驱技术的核心部件与发展方向二、准直驱技术的核心部件与发展方向 1、准直

27、驱技术的核心部件、准直驱技术的核心部件 准直驱执行器的准直驱执行器的核心部件核心部件包括电机、减速器、轴承、控制器和编码器。包括电机、减速器、轴承、控制器和编码器。我们以麻省理工学院 Benjamin G.Katz 的论文A Low Cost Modular Actuator for Dynamic Robots中所设计的准直驱执行器为例。Katz 在 MIT Cheetah 机器人准直驱执行器的基础上,设计了一款改进的准直驱执行器,应用在四足机器人上。相比于 MIT Cheetah 2、3 的执行器,其改进的准直驱执行器的优点是成本更低、体积更小。图 8 展示了 Katz 准直驱执行器的构成

28、,该设计中包含前盖、输出轴承、行星架、输入引脚、行星滚针轴承、行星轮、齿圈、定子、转子、太阳轮、后盖、CAN 总线、控制器、直流电源和电子设备盖。简而言之,电机(定子、转子)、减速器(行星轮、太阳轮、行星架)、轴承(输出轴承、行星滚针轴承)、控制器和编码器(集成在控制器中)是准直驱执行器的核心部件。敬请阅读末页的重要说明 10 行业深度报告 图图 7:Katz 的准直驱执行器的准直驱执行器 图图 8:Katz 的准直驱执行器爆炸图的准直驱执行器爆炸图 资料来源:A Low Cost Modular Actuator for Dynamic Robots、招商证券 资料来源:A Low Cost

29、 Modular Actuator for Dynamic Robots、招商证券(1)电机)电机:更大的扭矩密度与扭矩惯性:更大的扭矩密度与扭矩惯性 准直驱执行器所用电机需要非常大的扭矩密度与扭矩惯性比。准直驱执行器所用电机需要非常大的扭矩密度与扭矩惯性比。1)扭矩密度大。)扭矩密度大。扭矩密度等于电机输出扭矩与电机质量之比。准直驱执行器为了节约成本而使用低减速比低的减速器,要与高减速比执行器输出同样的扭矩,电机输出扭矩就必须更大。若准直驱执行器要在大减速比执行器的应用场景下实现代替,则质量也应相仿。因此,准直驱执行器需要扭矩密度较大的电机。2)扭矩惯性比大。)扭矩惯性比大。扭矩与惯性之比就

30、是电机转子的加速度。足够大的加速度让机器人能完成需要高爆发力的、高度动态的动作。图图 9:电机参数与间隙半径的关系电机参数与间隙半径的关系 资料来源:Actuator Design for High Force Proprioceptive Control in Fast Legged Locomotion,招商证券 准直驱执行器常用无刷直流电机。准直驱执行器常用无刷直流电机。无刷直流电机采用永磁体来做转子,定子是线圈,通过控制通向线圈的电流,改变线圈磁场方向和大小,使转子旋转。相比有刷直流电机,无刷直流电机具有更高的扭矩密度、效率、可靠性,更低的噪音,更长的寿命(无电刷和换向器侵蚀)。并且,

31、无刷直流电机不存在限制换向器产生电离火花的问题、易于维护、电磁干扰小。无刷直流电机还可以搭配更高水平的电子控制技术。例如,磁场定向控制(FOC,也称为矢量控制),不仅可以控制无刷直流电机的速度和功率,还能以可控的有限转矩将其保持在期望的位置。敬请阅读末页的重要说明 11 行业深度报告 图图 10:电机的分类:电机的分类 图图 11:无刷直流电机工作原理:无刷直流电机工作原理 资料来源:电机通、招商证券 资料来源:锂市汇、招商证券 Katz 改进的准直驱执行器使用的是外转子无刷电机。改进的准直驱执行器使用的是外转子无刷电机。该电机在形状和性能上与T-Motor U8 几乎相同,但售价在 60-9

32、0 美元,不到 U8 成本的 1/3。峰值扭矩和扭矩常数与 U8 相同。Katz 选择这种电机的原因是其间隙直径大间隙直径大,达到 40.5 毫米,并有多达 21 对极对。这些特性使其扭矩密度较大。转子经过加工,以适应行星齿轮箱的太阳齿轮和用于位置测量的径向磁化圆柱形磁体的大小。定子的大通孔使整个行星减速器能够安装在定子的内部。这样的设计使整个执行器非常紧凑。转子和定子共占执行器总质量的一半左右,约 240 克。外转子设计使得转子上能够使用更多数量的永磁极。这意味着更大的扭矩和更平稳的操作。并且,外转子设计也使得间隙半径增加,扭矩密度提高。图图 12:Katz 准直驱执行器使用的电机部件准直驱

33、执行器使用的电机部件 图图 13:T-Motor U8 资料来源:A Low Cost Modular Actuator for Dynamic Robots、招商证券 资料来源:T-motor、招商证券(2)减速器与轴承减速器与轴承 在物理原理上,准直驱执行器使用低减速比减速器的原因是其透明度高,使电流在物理原理上,准直驱执行器使用低减速比减速器的原因是其透明度高,使电流环控制的实现成为可能。环控制的实现成为可能。减速比小使得传动摩擦和反射惯性都小,这提高了整个执行器的透明度。透明度为电机电流和执行器输出扭矩相匹配的程度,如果两者之间存在一个比较明确的定量关系,就表示透明度高。因此,只有在透

34、明度较高的执行器上,才有可能通过测量和调节电流来达到预期的扭矩,而不借助任何其他传感器。小减速比减速器的高透明度体现在无论正驱还是反驱时,电流都可以近似为扭矩的线性函数,即扭矩扭矩=电机常数电流电机常数电流。大减速比减速器向前驱动、达到一定速度并且负载不降低时,也具有该性质;否则,扭矩会成为电流的非线 敬请阅读末页的重要说明 12 行业深度报告 性函数,难以通过电流估算扭矩。因此,小减速比减速器更适合准直驱执行器。因此,小减速比减速器更适合准直驱执行器。图图 14:大大减速比减速器反驱透明度低减速比减速器反驱透明度低 图图 15:小减速比减速器反驱透明度高:小减速比减速器反驱透明度高 资料来源

35、:Design,Modeling,and Analysis of a Liquid Cooled Proprioceptive Actuator for Legged Robots、招商证券 资料来源:Design,Modeling,and Analysis of a Liquid Cooled Proprioceptive Actuator for Legged Robots、招商证券 行星减速器和摆线针轮减速器常用于准直驱执行器。行星减速器和摆线针轮减速器常用于准直驱执行器。行星减速器的主要结构包括行星轮、太阳轮和齿圈,单级减速比一般在 3-10,具有高刚性、高精度(单级可做到 1以内)、

36、高传动效率、高扭矩体积比等特点的特点。摆线针轮减速器需要定制化设计,因为摆线齿轮、偏心轴、箱体、针齿等零部件相互影响,改变任意一个零部件的结构或尺寸,都会影响减速器的整体性能。在实际应用中,多以重重量最轻、体积最小、承载能力最大量最轻、体积最小、承载能力最大等作为设计目标。图图 16:行星减速器:行星减速器 图图 17:摆线针轮减速器:摆线针轮减速器 资料来源:科峰智能、招商证券 资料来源:摆线针轮行星减速器优化设计和仿真分析、招商证券 Katz 的准直驱执行器采用减速比的准直驱执行器采用减速比 6:1 的行星减速器。的行星减速器。该减速器包括 3 个行星齿轮、1 个太阳齿轮和 1 个齿圈。行

37、星齿轮和太阳齿轮分别是 Misumi 的GEFHB0.5-40-5-8-W3 和 GEABN0.5-20-8-K-4,齿圈是 KHK Gears 的 KHK SI0.5-100。齿圈需要后加工至 55 毫米的外径,并压入执行器壳体的前半部分,太阳齿轮则压入转子。敬请阅读末页的重要说明 13 行业深度报告 图图 18:Misumi GEFHB0.5-40-5-8-W3 齿轮齿轮 图图 19:Katz 准直驱执行器减速器置于电机定子内准直驱执行器减速器置于电机定子内 资料来源:Misumi、招商证券 资料来源:A Low Cost Modular Actuator for Dynamic Robo

38、ts、招商证券 轴承被称为轴承被称为“机械的关节机械的关节”,主要作用是支承旋转轴、减小摩擦,通过承受径向荷,主要作用是支承旋转轴、减小摩擦,通过承受径向荷载和轴向荷载传动力和运动。载和轴向荷载传动力和运动。使用在准直驱执行器中的轴承有滚珠轴承、滚柱轴承、滚针轴承、薄截面公制轴承等。准直驱执行器的电机和减速器中都会使用轴承。大多数电机都使用滚珠轴承连接转子与定子,好处是将摩擦造成的能量损失降低至可忽略的水平。常用于行星减速器的轴承有标准角接触球轴承、标准深沟球轴承和标准四点接触球轴承。摆线针轮减速器中会使用滚珠轴承、滚柱轴承。图图 20:深沟球轴承:深沟球轴承 图图 21:滚柱轴承:滚柱轴承

39、资料来源:SKL 轴承、招商证券 资料来源:鸿元轴承、招商证券 行星减速器中,四点角接触轴承可以代替标准轴承,起到轻量化的作用。行星减速器中,四点角接触轴承可以代替标准轴承,起到轻量化的作用。由于标准角接触球轴承、标准深沟球轴承、标准四点接触球轴承的高度尺寸较大,因而使用标准轴承的行星减速器体积、重量较大,并且受输出端轴承内径限制,输出扭矩也较小,无法满足准直驱领域对减速器的尺寸、重量和扭矩要求。用四点角接触轴承代替上述标准轴承,并将其滚道直接设置在行星减速器的机架上,可以缩短减速器的轴向尺寸,减轻重量。敬请阅读末页的重要说明 14 行业深度报告 图图 22:使用四点角接触轴承的紧凑型准直驱驱

40、动器使用四点角接触轴承的紧凑型准直驱驱动器 资料来源:国内外双足人形机器人驱动器研究综述、招商证券 Katz 的准直驱执行器使用了滚针轴承和薄截面公制轴承。的准直驱执行器使用了滚针轴承和薄截面公制轴承。该执行器的每个行星齿轮配有一个 HK0408 滚针轴承。滚针轴承安装在硬化至 58HRC 的精密 4mm定位销上。对于输出轴承,该执行器采用的是薄截面公制轴承,原因是成本非常低,单价不到 10 美元。从设计的角度看,单交叉滚柱轴承可以支撑较大的径向、轴向和力矩载荷,适合用于输出端。但是,这种轴承价格昂贵,单价超过 100美元。使用这种轴承将会使执行器的零件总成本增加 50%以上。图图 23:HK

41、0408 滚针轴承滚针轴承 图图 24:薄截面公制轴承:薄截面公制轴承 资料来源:JTEKT、招商证券 资料来源:SilverThin、招商证券(3)控制器)控制器 现代电机现代电机驱动驱动系统主要由五部分组成,分别为计算机(上位机)、控制器、驱动系统主要由五部分组成,分别为计算机(上位机)、控制器、驱动器、负载和传感器。器、负载和传感器。由上位机控制控制器,控制器经过调节来控制驱动器,驱动器按控制指令控制电机带动负载工作,通过传感器采集电机工作信号返回到控制器,最后由控制器处理后再经过串口通信在上位机上显示工作情况。敬请阅读末页的重要说明 15 行业深度报告 图图 25:现代电机驱动系统的基

42、本构成现代电机驱动系统的基本构成 资料来源:永磁同步电机控制系统仿真及实验研究、招商证券 控制器是控制电机的电路或电子设备控制器是控制电机的电路或电子设备,功能,功能是获取输入设备是获取输入设备的的控制指令控制指令和电机的和电机的反馈信号,经过运算反馈信号,经过运算后后,发出,发出控制信号。控制信号。控制器的核心硬件是控制芯片。常用芯片有 3 种。1)微控制单元微控制单元 MCU。这种芯片拥有较多的 I/O 接口,通用性高、成本低,应用广泛。2)现场可编程逻辑门阵列现场可编程逻辑门阵列 FPGA。这是一种专用集成电路领域的半定制电路,缺点是通用性较差。3)数字信号处理器数字信号处理器 DSP。

43、这种芯片主要用于实时数据处理、图像处理、计算机加密解密、航空航天等高精尖领域,其运算频率高,可达 300MHZ 以上,但功耗大、成本高。控制芯片的核心功能是执行控制程序,如传统的 PID 程序和近年来出现的遗传算法、神经网络、模糊逻辑、专家系统等智能算法。先进算法的实现依赖于高性能的控制芯片。图图 26:一种永磁同步电机控制系统的硬件电路一种永磁同步电机控制系统的硬件电路 资料来源:永磁同步电机控制系统仿真及实验研究、招商证券 MIT模块化准直驱执行器的控制器是一块意法半导体模块化准直驱执行器的控制器是一块意法半导体STM32F446型型MCU芯片。芯片。STM32F446 芯片整合了增强的

44、ARMCortex-M4、256KB 或 512KB 片上闪存(均配备 128KB RAM)、高能效存储扩展接口以及各种通信接口。该芯片采用意法半导体独有的自适应实时加速器(ART Accelerator,Adaptive Real-Time Accelerator)技术、智能系统架构以及先进的 90nm 闪存技术,进一步提升了内置浮点单元和 DSP 指令的标准 ARM Cortex-M4 内核处理性能。因此,STM32F446 的 CPU 具有领先同类产品的 225 DMIPS 处理性能,在 180MHz频率下执行闪存内软件代码时,CoreMark的测试成绩高达 608 分。在 Katz 的

45、准直驱执行器上,该芯片完成发出电机控制信号、接收反馈、通信的任务,并负责运行 FOC 控制算法,也可以在需要时运行 PD 位置环算法。敬请阅读末页的重要说明 16 行业深度报告 图图 27:意法半导体意法半导体 STM32F446ZE 型型 MCU 资料来源:意法半导体、招商证券(4)编码器)编码器 编码器是编码旋转角度、线性位移及速度等运动参数的传感器。编码器将传感器编码器是编码旋转角度、线性位移及速度等运动参数的传感器。编码器将传感器元件输出的电信号转化为数字或模拟电信号的形式,然后将其传递至控制系统。元件输出的电信号转化为数字或模拟电信号的形式,然后将其传递至控制系统。目前的准直驱执行器

46、方案使用的是位置编码器。其作用是获取和传递电机转子的位置和转速信息。目前常用的转子位置传感器有 3 种。1)霍尔位置传感器)霍尔位置传感器安装简单、体积小、成本低,但输出位置信号分辨率低。2)旋转变压器)旋转变压器精度高、抗干扰,但输出信号为模拟量,需要专门的解码电路。3)光电编码器)光电编码器分为增量式和绝对式。增量式编码器在掉电后会造成数据丢失,且分辨率不高;绝对式式编码器直接输出数字量,精度高、抗干扰能力强,且具有掉电记忆功能等优点,应用广泛。图图 28:AMS AS5047P 位置编码器正面位置编码器正面 图图 29:AMS AS5047P 位置编码器背面位置编码器背面 资料来源:Gi

47、thub、招商证券 资料来源:Github、招商证券 双编码器方案解决了回零位问题,更适合准直驱执行器。双编码器方案解决了回零位问题,更适合准直驱执行器。单编方案下,当驱动器再次通电时,减速器的存在将导致执行机构旋转到最后一次断电位置附近。否则,执行机构的零位置将发生变化。为了解决上述问题,可以使用双编码器来获取绝对位置,使电机在任何位置通电时都能准确地获得驱动器的当前位置。敬请阅读末页的重要说明 17 行业深度报告 图图 30:双编码器准直驱执行器方案双编码器准直驱执行器方案 资料来源:一种高集成度高性能机器人关节单元、招商证券 MIT 模块化准直驱执行器使用直接集成在控制器印制电路板上的霍

48、尔效应数字模块化准直驱执行器使用直接集成在控制器印制电路板上的霍尔效应数字编码器。编码器。该编码器的具体型号为 AMS 公司 AS5047P 型,它属于磁式位置编码器。该编码器可以测量转子的角度、换向和位置。电机速度也可以结合多个样本的位置信息估计出来。图图 31:准直驱执行器中的准直驱执行器中的 AMS AS5047P 位置编码器位置编码器 资料来源:A Low Cost Modular Actuator for Dynamic Robots、招商证券 2、准直驱技术准直驱技术在机器人设计中做出了哪些取舍?在机器人设计中做出了哪些取舍?(1)取得更低取得更低成本成本 准直驱执行器比刚性、弹性

49、执行器成本低。准直驱执行器比刚性、弹性执行器成本低。1)减速器成本更低。)减速器成本更低。目前的刚性执行器和高性能弹性执行器通常使用谐波减速器,原因是其具有低齿隙、高精度的优点。但是,谐波减速器相较于行星减速器或摆线针轮减速器价格昂贵。弹性执行器中使用的弹性体也会增加成本。2)准直驱执行器)准直驱执行器节约节约了力了力/力矩传感器的成力矩传感器的成本。本。刚性、弹性执行器需要在输出端加装力矩传感器,部分设计方案中还需要再机器人四肢末端加装六维力传感器,成本非常昂贵。敬请阅读末页的重要说明 18 行业深度报告 表表 2:准直驱执行器特性和价格:准直驱执行器特性和价格 型号型号 T-Motor O

50、penQDD V1 MIT Mini Cheetah Steadywin Gyems Gyems X8 T-motor 宇树宇树 A1 峰值扭矩(Nm)4.8 16.36 17 15 21 35 18 33.5 售价(美元)120 247 300(BOM)359 359 448 579 999 资料来源:Design and Control of a Open-Source,Low Cost,3D Printed Dynamic Quadruped Robot、Stanford Doggo:An Open-Source,Quasi-Direct-Drive Quadruped、aaedmusa

51、,招商证券(2)舍弃一定精度)舍弃一定精度 准直驱执行器采用电流环力控准直驱执行器采用电流环力控,通过,通过 PID 控制器实现对电机电流的控制。控制器实现对电机电流的控制。由于电机电流和输出扭矩之间存在线性关系,控制电流就可以控制电机的输出扭矩。电流环的工作流程分为 4 步。1)上层控制系统输入目标电流指令。2)霍尔元件测得电机的三相电流,通过 Park 及 Clarke 变换得到电机的 d、q 轴电流后与给定指令做差求得误差。3)该误差值通过 PID 控制器计算出修正后的 d、q 轴电流。通过 Park 及 Clarke 逆变换得到 UVW 的三相电压目标值。4)三相电桥逆变生成的 UVW

52、 三相电压,然后驱动伺服电机。由于电流环力控不借助外部力/力矩传感器,仅通过电流推算力矩,而摩擦、惯性对力矩的影响难以精确量化。因此,电流环力控的精度低于有力/力矩传感器的力控。在具备低摩擦和低惯性的执行器上(也就是准直驱执行器),电流环力控才能带来精确控制。图图 32 电流环控制电流环控制 资料来源:PMSM 伺服系统电流环控制参数自整定策略研究,招商证券 准直驱执行器的力控精度低于刚性执行器,但高于弹性执行器。准直驱执行器的力控精度低于刚性执行器,但高于弹性执行器。1)在力的测量方面,电流环测算出的力和准直驱执行器实际输出力之间存在 2%-5%的误差的误差。如果用电流环测算刚性、弹性执行器

53、输出的力,误差分别可达 24%、28%。因此,大多数刚性、弹性执行器与力/力矩传感器搭配使用。2)在力的控制方面,准直驱执行器按指令要求输出力时,实际输出的力和指令要求之间存在 5-6%的的误差误差。使用谐波减速器的刚性执行器的误差可以低至 0.5%-2%。弹性执行器的误差则能达到 21.5%。(3)舍弃)舍弃更更高扭矩高扭矩 准直驱执行器使用小减速比减速器,扭矩放大作用小。准直驱执行器使用小减速比减速器,扭矩放大作用小。虽然大减速比的谐波减速器具有较大的扭矩放大作用,对电机扭矩的要求低,但成本高、反驱透明度低,需要与力/力矩传感器搭配才能实现精准力控,不适合准直驱执行器。目前的准直驱执行器常

54、用小减速比的行星减速器和摆线针轮减速器。1)行星减速器重量轻、成本低、反驱性好、负载能力大,并且每级的传动效率可高达 95-97%。高速转动时,行星减速器的震动小于摆线针轮减速器。2)摆线针轮减速器的优点是结构紧凑,适合安装于狭小空间,并且精度高于行星减速器。缺点主要是定制化制造较为复杂,并且可以接受的凸轮公差范围非常小。不过,目前有研究表明,敬请阅读末页的重要说明 19 行业深度报告 使用增材制造技术,能将摆线针轮减速器的成本降至行星减速器以下。图图 33:减速器特性对比减速器特性对比 资料来源:RAM,招商证券(4 4)取得更快的取得更快的响应速度响应速度 准直驱执行器低减速比、摩擦小、惯

55、性小的特点有利于提高执行器的控制带宽,准直驱执行器低减速比、摩擦小、惯性小的特点有利于提高执行器的控制带宽,从而提升执行器的响应速度。从而提升执行器的响应速度。带宽是衡量执行器动态响应能力的指标,单位是赫兹(Hz)。带宽为 100Hz 的执行器能够跟踪每秒 100 个周期的正弦波扭矩指令。准直驱执行器的带宽明显高于刚性、弹性执行器,这带来三点优势:1)快速响)快速响应。应。准直驱执行器可以更快地响应速度或位置的变化,实现快速精确的运动。2)高控制精度。高控制精度。高控制带宽的电机在负载发生变化时可以更精确地维持运行状态。3)高稳定性。)高稳定性。在变化快速的环境中,电机可以避免因响应过慢而产生

56、的不稳定行为。从影响因素来说,执行器及其控制的机器人肢体的质量、摩擦、惯性减小、透明度提高、传感精度和速度提高、控制器运算速度提高,都有利于提高执行器带宽。表表 3:各类执行器带宽:各类执行器带宽参数参数对比对比 指标指标 单位单位 直驱执行器直驱执行器 准直驱执行器准直驱执行器 刚性执行器刚性执行器 弹性执行器弹性执行器 电机厂商-T-motor T-motor T-motor Maxon 电机型号-U10 U10 U10 EC-max 16 带宽(0.5N)Hz 70 40 20 30 带宽(0.5N)Hz 250 90 40 60 静摩擦 Nm 0.048 0.054 0.061 0.3

57、6 减速比-/7:1 49:1 272:1 反射惯性 kg*m2 0.0001 0.0049 0.2401 0.00316 后坐 0 1.2 8.4 0.25 扭矩密度 Nm/kg 3.63 15.26 76.34 4.13 电机型号 T-motor U10 U10 U10 Maxon EC-max 16 资料来源:Design For 3D Agility And Virtual Compliance Using Proprioceptive Force Control In Dynamic Legged Robots、招商证券 3、准直驱技术的发展方向、准直驱技术的发展方向 准直驱准直驱技

58、术的发展方向有两点:技术的发展方向有两点:更高的扭矩密度和更高的扭矩密度和更高的更高的带宽。带宽。扭矩密度的提升 敬请阅读末页的重要说明 20 行业深度报告 让执行器能够更容易地推动足式机器人前进、完成快速动作,并提高效率。带宽的提升让执行器能够在毫秒级的时间范围内调整输出力矩,帮助机器人完成高度动态的动作,从而实现主动的顺应性。材料、设计、热管理和控制系统等方面的改进将不断实现扭矩密度和带宽的提高。(1)材料:)材料:高饱和磁通密度高饱和磁通密度材料材料和和轻量化轻量化材料材料 使用以铁钴合金为代表的高饱和磁通密度合金材料可以提高电机扭矩密度。使用以铁钴合金为代表的高饱和磁通密度合金材料可以

59、提高电机扭矩密度。铁钴合金中含有 15%-50%的钴元素,这使得该材料的饱和磁通密度(2.4T)得以大大提高,远高于普通硅钢片的饱和磁通密度(1.8T)和纯铁的饱和磁通密度(2.0T)。钴合金适用于电机的定子和转子铁心。然而,钴合金的价格非常高,一般仅在航空电机中使用。图图 34:电机定子铁芯和转子铁芯电机定子铁芯和转子铁芯 资料来源:鹏芃科艺、招商证券 聚醚醚酮(聚醚醚酮(PEEK)材料密度低、质量轻,可用于电机和减速器,有利于提高)材料密度低、质量轻,可用于电机和减速器,有利于提高执执行器行器扭矩密度。扭矩密度。作为一种热塑性塑料,PEEK 在熔融温度下不会分解。因此,PEEK非常适合熔融

60、加工,可以制成丰富的形状。1)在电机中,)在电机中,PEEK 可用于电机绝可用于电机绝缘层、电磁线绝缘层、电机电缆线的动力插头等。缘层、电磁线绝缘层、电机电缆线的动力插头等。PEEK 具有耐高温的特点,即使在 260长期使用,依然保持着优异的绝缘性和比较高的机械强度。2)在减)在减速器中,速器中,PEEK 可制成齿轮。可制成齿轮。由于其弹性高于金属,因而可以减小轮齿啮合冲击,改变共振频率,带来更优异的振动噪声性能,并且在长期旋转下比金属更不易损坏。同样的强度下,PEEK 材料的质量和转动惯量都小于金属,能够在频繁启停的工况下提高响应速度并减小加速度负荷。并且,热塑性聚合物齿轮能够通过挤出注塑制

61、备,这可以显著降低齿轮生产成本、提高大批量生产的效率。图图 35:使用:使用 PEEK 材料的电机横截面材料的电机横截面 图图 36:PEEK 减速器齿轮减速器齿轮 资料来源:Zeus、招商证券 资料来源:君华股份、招商证券 敬请阅读末页的重要说明 21 行业深度报告 连铸球铁力学性能好连铸球铁力学性能好、质量轻,适合减速器使用,有利于提高扭矩密度。质量轻,适合减速器使用,有利于提高扭矩密度。连铸球铁密度低于钢,能降低执行器质量,增加扭矩密度。并且,连铸球铁还具有韧性强、强度高的优势,适合在减速器中使用。1)连铸球铁可用于行星减速器的行)连铸球铁可用于行星减速器的行星架、输出轴、箱体。星架、输

62、出轴、箱体。球铁用于行星架,优势是韧性比铸钢更高。行星架是行星减速器中承受扭矩最大的零件,对整个装置的承载能力以及噪声和振动等有很大影响,使用的球墨铸铁必须具有足够的刚度和强度。输出轴是需要高强度材料的部件,因此适合使用连铸球铁。2)连铸球铁可用于摆线针轮减速器的摆线轮。)连铸球铁可用于摆线针轮减速器的摆线轮。摆线轮是摆线针轮减速器的核心零件,可采用轴承钢制造,其材料较贵、热处理等工艺要求高,限制了整机成本的降低。采用球墨铸铁代替钢制摆线轮,接触强度足够,并且更耐磨、传动效率更高、噪音更低、可减少摆线轮制造成本 25-30%、减少整机成本 5%左右。(2)设计)设计:提高间隙半径:提高间隙半径

63、、轴向磁通电机和、轴向磁通电机和磁场调制磁场调制 增加电机间隙半径可以增加扭矩密度,使用外转子电机方案可以增加扭矩体积比。增加电机间隙半径可以增加扭矩密度,使用外转子电机方案可以增加扭矩体积比。间隙半径是指电机转轴中心到定子转子间隙中点的距离。扭矩密度和间隙半径成正比。但是,电机的间隙半径受限于工作空间,并且它的增加会减小电机的加速度。目前,许多准直驱执行器使用外转子电机设计。这种设计具有更大的间隙半径。因此,在电机整体半径和轴向长度相同时,外转子电机能达到比内转子电机更大的扭矩,如果认为此时电机质量也相同,那么外转子电机的扭矩密度也更高。但是,外转子电机面临加速度较小的问题。因此,要同时满足

64、扭矩和加速度的要求,除了调整间隙半径外,还需要调整电机材料和结构设计等其他因素。图图 37:工作空间限制电机尺寸:工作空间限制电机尺寸 图图 38:外转子电机:外转子电机 资料来源:基于准直驱电机的足式机器人、招商证券 资料来源:高扭矩密度仿人机器人驱动单元研究、招商证券 相比径向磁通电机,轴向磁通电机的扭矩密度大、扭矩体积比大。相比径向磁通电机,轴向磁通电机的扭矩密度大、扭矩体积比大。实验表明,在额定扭矩等输出性能和材料都相同的情况下,径向磁通电机的质量比轴向磁通电机高出 36%,原因是径向磁通电机的定子铁芯、绕组和永磁体都更重。轴向磁通电机的有效磁表面积位于电机转子的表面,而不是外径,因此

65、在一定体积内通常能提供更大的扭矩。敬请阅读末页的重要说明 22 行业深度报告 图图 39:径向磁通电机(左)和轴向磁通电机(右)径向磁通电机(左)和轴向磁通电机(右)资料来源:IEEE,招商证券 磁场调制型永磁电机磁场调制型永磁电机扭矩密度大于普通电机。扭矩密度大于普通电机。这类电机的永磁体在内、外气隙中形成的磁场凭借导磁块串联为回路,形成不一样的调制比,使内外转子上的永磁体皆可参与转矩传递,提升了永磁体的利用率,因而具有较高的扭矩密度。将海尔贝克(Halbach)阵列充磁技术应用于磁场调制型永磁电机,可进一步提高扭矩密度。原理是按 Halbach 方式排布的永磁体可以使气隙磁密波形更接近理想

66、正弦波,同时增大气隙磁场强度。海尔贝克阵列磁场调制电机的转矩密度可达传统永磁电机的 1.5 倍以上。图图 40:常规永磁电机和磁场调制电机常规永磁电机和磁场调制电机 资料来源:IEEE,招商证券(3)热管理:)热管理:风冷系统和液冷系统风冷系统和液冷系统 准直驱执行器输出大扭矩时,会产生大量焦耳热,需要高效的散热系统。准直驱执行器输出大扭矩时,会产生大量焦耳热,需要高效的散热系统。焦耳热是通过电机绕组的电流产生的热量。由于没有减速器放大扭矩和降低速度,电机必须在大扭矩和低速度状态下运行,大扭矩又依赖于大电流,这会产生焦耳热。及时散热才能保障执行器在高扭矩下持续运转。一些准直驱执行器通过定子绕组

67、封装来改善热传递效率。定子绕组封装是指将具有高热导率的材料注入绕组和电机外壳之间,使绕组的热量更有效地传导出去。常用材料是热固性树脂,如环氧树脂。在此基础上,电机外部还可以加装液冷、风冷系统,进一步提高散热效率。敬请阅读末页的重要说明 23 行业深度报告 图图 41:定子绕组封装定子绕组封装 资料来源:Design,Modeling,and Analysis of a Liquid Cooled Proprioceptive Actuator for Legged Robots、招商证券 风冷散热系统成本低、可靠性高、工艺简单、安装方便,缺点是噪声大。风冷散热系统成本低、可靠性高、工艺简单、安

68、装方便,缺点是噪声大。风冷散热系统可以根据是否采用额外的增强空气流动的装置分为自然风冷和强迫风冷。自然风冷不需要额外的动力装置,仅仅通过机壳与周围空气的自然对流进行热交换。一些自然风冷方案在电机机壳表面设计散热筋、散热翅片结构以增加散热效率。强迫风冷通常利用风扇系统加强电机与外部空气的热交换,额外的风扇系统提高了电机的散热效率,但也在一定程度上增加了电机系统的电力消耗和噪声。图图 42:带外壳翅片的电机温度分布:带外壳翅片的电机温度分布 图图 43:电机强迫风冷系统:电机强迫风冷系统 资料来源:电机散热系统的研究现状与发展趋势、招商证券 资料来源:Softinway、招商证券 液冷系统散热效率

69、高、噪声小液冷系统散热效率高、噪声小,缺点是质量大,缺点是质量大。电机液冷一般采用水冷,原因是电机水冷系统相对油冷系统结构更简单,并且水易处理,无污染,费用较低,冷却效果较佳。目前的电机水冷系统一般是在电机外壳上加装水套进行冷却。液冷系统的问题在于需要存储大量液体,这不利于执行器的轻量化。因此,液冷系统的最佳规格需要在质量和冷却带来的扭矩提升之间权衡。如果系统过小,则散热效果不足,无法提升扭矩。如果冷却系统过大,带来了过多的新增质量,那么也起不到提升扭矩密度的效果。敬请阅读末页的重要说明 24 行业深度报告 图图 44:电机液冷系统电机液冷系统 资料来源:Design,Modeling,and

70、 Analysis of a Liquid Cooled Proprioceptive Actuator for Legged Robots、招商证券(4)提高带宽:电流环响应、芯片和算法)提高带宽:电流环响应、芯片和算法 对于使用电流环力控的准直驱执行器而言,电流环响应的快速性决定了整个系统对于使用电流环力控的准直驱执行器而言,电流环响应的快速性决定了整个系统的响应速度。的响应速度。电流环内部延迟主要包括反馈环节的电流采样延迟、PI 计算环节的计算延迟、空间矢量脉宽调制(SVPWM)算法的计算延迟以及逆变电路中功率器件的开关延迟等。提升电流环响应速度有两种主要方式。1)通过解决电流采样周期和

71、 SVPWM 占空比更新上存在的问题,提升响应速度。目前已经提出的方法有双次采样、分段式更新策略、SVPWM 调控增量预测等。2)改变传递函数,采用其他控制方式来取代传统的 PI 控制,降低系统延时。图图 45:电流环内部延迟电流环内部延迟 资料来源:高响应交流永磁伺服系统快速电流环带宽扩展方法,招商证券 由于带宽与控制系统的计算耗时相关,采用计算速度更快的控制器对于提升带宽由于带宽与控制系统的计算耗时相关,采用计算速度更快的控制器对于提升带宽有很大的帮助。有很大的帮助。当下主流的控制芯片可分为三大类,分别为微处理单元(MCU)、数字信号处理器(DSP)及现场可编程逻辑门阵列(FPGA)。相比

72、于 MCU 和DSP,FPGA 以硬件描述语言作为编程语言,由于直接由硬件实现逻辑,所以它并行执行,从而使运行速度大大提升,可提高关节算法的运行效率,也大量应用于复杂逻辑控制以及大量的数据运算和处理。敬请阅读末页的重要说明 25 行业深度报告 图图 46:FPGA 基本结构基本结构 资料来源:芯智讯,招商证券 改进的改进的PID、滑模控制等算法具有更快的响应速度。、滑模控制等算法具有更快的响应速度。PID最基本的电机控制算法,优点是简单、可靠性高。但是传统 PID 算法的响应速度较慢,目前的研究往往把PID 与其他控制算法相结合,以改善响应速度。例如,基于小波神经网络 PID 算法的电机能够更

73、迅速地响应突增扭矩的指令,更快收敛到给定值。除改进的 PID算法外,目前比较成熟的现代高级控制算法主要有模型预测控制、神经网络控制、模糊控制、滑模变结构控制。其中,滑模变结构控制算法具有高精度、高响应速度、高鲁棒性的特点,并且能很好地与其他控制算法相结合,在电机控制系统中得到了广泛应用。三、准直驱技术案例三、准直驱技术案例 1、MIT Cheetah 最早的准直驱执行器使用在最早的准直驱执行器使用在 MIT Cheetah 四足机器人的髋关节、膝关节上。四足机器人的髋关节、膝关节上。结构上,该执行器采用饱和扭矩密度为 9Nm/kg 的 Emoteq HT-5001 无框电机和5.8:1 减速比

74、的行星减速器。MIT Cheetah 的第二个版本用自制的高扭矩密度电机取代了 HT-5001,饱和扭矩密度达到 27Nm/kg。MIT Cheetah 的每条腿使用 2个上述执行器。为了最大限度地减少惯性,每条腿的 2 个执行器和齿轮系同轴安装于髋部,共同组成一个髋部模组。该模组的总质量为 3.65kg,其中电机占 2kg,钢制齿轮系占 0.42kg,框架占 1.23kg。图图 47:MIT Cheetah 髋关节、膝关节准直驱执行器髋关节、膝关节准直驱执行器 图图 48:Emoteq HT 系列高力矩无框无刷电机系列高力矩无框无刷电机 资料来源:Actuator Design for Hi

75、gh Force Proprioceptive Control in Fast Legged Locomotion、招商证券 资料来源:Allied Motion、招商证券 敬请阅读末页的重要说明 26 行业深度报告 MIT Cheetah 3、Mini Cheetah 四足机器人在髋关节、膝关节、侧摆关节上都四足机器人在髋关节、膝关节、侧摆关节上都使用准直驱执行器。使用准直驱执行器。1)MIT Cheetah 3 执行器具备 230Nm 的最大扭矩。结构上,该执行器使用 1 个自制的高力矩密度电机、1 个单级 7.67:1 行星减速器。与Cheetah 2(5.8:1)相比,传动比更高,目的

76、是提高机器人的承载能力和低速效率。2)Mini Cheetah 执行器峰值扭矩 17Nm,持续扭矩 6.9Nm,重 440g。峰值扭矩密度 38.64Nm/kg,持续扭矩密度 15.68Nm/kg。结构上,该执行器使用了 1 个间隙半径为 40.5mm 的 iFlight ex-8 电机和 1 个单级 6:1 行星减速器。Mini Cheetah 的 4 条腿总共使用了 12 台上述执行器,每条腿有 3 个自由度,分别是髋关节、膝关节和侧摆。每个执行器的硬件成本为 300 美元,12 台执行器一共 3600 美元。其中,iFlight ex-8 电机的成本为 66 美元(不含静子箱体和轴承)。

77、图图 49:Mini Cheetah 腿部设计腿部设计 图图 50:MIT Cheetah 3 腿部设计腿部设计 资料来源:Mini Cheetah:A Platform for Pushing the Limits of Dynamic Quadruped Control、招商证券 资料来源:MIT Cheetah 3:Design and Control of a Robust,Dynamic Quadruped Robot、招商证券 2、宇树科技宇树科技 A1 机器人机器人 宇树宇树 A1 四四足机器人搭载准直驱执行器,应用于髋关节、大腿关节和膝关节。足机器人搭载准直驱执行器,应用于髋关

78、节、大腿关节和膝关节。1)性能上,执行器峰值扭矩为33.5Nm,重量仅为 605g,输出密度达到55.37Nm/kg,爆发力强。执行器采用 FOC 控制,扭矩脉动小,噪音低,运行更加顺畅。电机自带温度监测传感器,可有效防止电机因温度异常被损坏。电磁线采用浸漆技术,让电机得到更好的散热。A1 四足机器人重量约 12kg,持续奔跑速度可达 3.3m/s,关节最大转速为 21rad/s,能实现瞬间提速。2)结构上,每个执行器搭载 1 个定制高扭矩密度电机、1 个单级 9:1 行星齿轮减速器和 15bit 分辨率的编码器。执行器还采用了超大工业级交叉滚子轴承,优点是精度高、寿命长、抗轴向冲击能力强。为

79、了保持机器人腿的低惯性,髋关节和膝关节执行器同轴都安装于髋关节处。敬请阅读末页的重要说明 27 行业深度报告 图图 51:宇树:宇树 A1 电机电机 图图 52:宇树:宇树 A1 四足机器人腿部设计四足机器人腿部设计 资料来源:宇树官网、招商证券 资料来源:Adaptive Force-based Control for Legged Robots、招商证券 3、智元智元 Powerflow 准直驱执行器准直驱执行器 智元远征智元远征 A1 两足机器人搭载两足机器人搭载 Powerflow 关节执行器,应用于腿部关节。关节执行器,应用于腿部关节。1)性)性能上能上,Powerflow 峰值扭矩

80、超过 350Nm,重量仅 1.6kg,扭矩密度非常高,超过218.75Nm/kg。同时,该执行器还具备体积小、耐冲击、功率密度高、能量利用效率高、响应带宽高的特点。2)结构上)结构上,该执行器采用低齿槽转矩设计,部件包括径向磁通外转子无刷电机、10 速比以内的高力矩透明度行星减速器、共轭同轴双编码器、一体液冷循环散热系统、矢量控制驱动器。其中,液冷系统起到了提高功率密度和峰值转矩运行时间的作用。对于该款执行器,智元未来还会推出搭载轴向磁通电机的版本。图图 53:智元:智元 PowerFlow 关节电机关节电机 资料来源:临港科技城公众号、招商证券 四、相关公司四、相关公司 1、双环传动(环动科

81、技)、双环传动(环动科技)双环传动控股子公司环动科技从事机器人关节高精密减速机的研制及产业化,产双环传动控股子公司环动科技从事机器人关节高精密减速机的研制及产业化,产品主要分为摆线行星减速机和谐波减速机两大类。品主要分为摆线行星减速机和谐波减速机两大类。公司自主开发了共计 50 多个品种减速机,已实现 3Kg-1000Kg 工业机器人用减速机的全面覆盖,并成功批量应用于国内各机器人头部企业,各项性能指标均达到国际先进水平。在机器人高精密摆线行星减速机国产市场,环动科技市场占有率连续多年位居第一。未来,为满足下游机器人厂商对关键核心部件国产化的诉求,环动科技将持续加大在重负载机器人减速机的关键技

82、术攻关与产业化推进方面的研发投入。敬请阅读末页的重要说明 28 行业深度报告 图图 54:SHPR-C 高精密摆线行星减速机高精密摆线行星减速机 图图 55:高精密谐波减速机:高精密谐波减速机 资料来源:环动科技官网、招商证券 资料来源:环动科技官网、招商证券 2、三花智控、三花智控 三花智控是全球最大的制冷控制元器件和全球领先的汽车热管理系统控制部件三花智控是全球最大的制冷控制元器件和全球领先的汽车热管理系统控制部件制造商制造商,正在积极布局机器人业务,正在积极布局机器人业务。目前,公司正推动 GDR 项目并拟在瑞士交易所上市,拟募资 2 亿元金用于建设机器人机电执行器研发项目。机电执行器是

83、仿生机器人的核心部件,主要由伺服电机、减速机构和编码器组成。该项目总投资 2.018 亿元,致力于设计出在功率密度和响应速度上都可以满足仿生机器人应用的产品,为仿生机器人整体提供性价比高的伺服机电执行器。预计 2024 年Q4,该项目达到产业化要求。图图 56:机器人机电执行器研发项目进度安排:机器人机电执行器研发项目进度安排 资料来源:三花智控公告、招商证券 三花智控三花智控与绿的合作研发谐波减速器,并与绿的合作研发谐波减速器,并参股参股智元机器人。智元机器人。2023 年 4 月,三花智控和绿的谐波签署战略合作框架协议,双方同意在三花墨西哥工业园共同出资设立一家注册资本不低于 1000 万

84、美元合资企业,主营谐波减速器相关产品的研发、生产制造及销售。通过与绿的谐波合作,能够提高三花机电执行器的技术壁垒,增强产品竞争力。2023 年 12 月 14 日,国内人形机器人研发商智元机器人完成了 A3 轮融资,投资方为三花控股集团等 13 家机构,融资总金额超 6亿元。目前,三花控股集团持有上海智元新创技术有限公司 0.48%的股份。2023年 8 月,智元推出了具身智能机器人远征 A1。该机器人腿部关节采用了准直驱方案。3、银轮股份、银轮股份 银轮股份主要经营热交换器和汽车空调等热管理产品,连续多年为特斯拉供货。银轮股份主要经营热交换器和汽车空调等热管理产品,连续多年为特斯拉供货。敬请

85、阅读末页的重要说明 29 行业深度报告 自 2020 年起,公司向特斯拉供应汽车换热模块。公司在墨西哥新莱昂州建有工厂。特斯拉也计划在该州建厂,预计于 2025 年或 2026 年投产。墨西哥工厂由银轮控股子公司 Yinlun TDI,LLC 管理,目前为特斯拉的美国奥斯汀工厂供应加热和冷却部件。奥斯汀工厂生产 Model Y 和 Cybertruck。Yinlun TDI,LLC 的 CEO预计,一旦特斯拉的墨西哥工厂投运,银轮也将为其供货。银轮还计划在墨西哥开设更多工厂,使其在墨西哥的员工人数翻倍。2023 年 12 月,银轮股份收到美国某电动汽车制造商的定点通知书,获得该客户空调箱项目的

86、授权,由墨西哥工厂供货。该项目生命周期 5 年,预计将于 2024 年 9 月开始批量供货,预计生命周期内销售额约 4176 万美元。图图 57:银轮股份新能源车相关产品:银轮股份新能源车相关产品 资料来源:银轮股份官网、招商证券 银轮股份公布新专利,未来或将切入机器人热管理市场。银轮股份公布新专利,未来或将切入机器人热管理市场。2023 年 11 月,银轮新专利“仿生热管理方法”公布。该散热系统主要针对机器人电池和与驱动电机关联的 IGBT 模块(绝缘栅双极晶体管)设计,包括热管换热器、压缩机、冷凝器、负压蒸发装置和储液室。IGBT 模块和电池分别通过对应的热管换热器散热,热管换热器通过管路

87、依次连通压缩机和冷凝器。负压蒸发装置设置于热管换热器的出液端,使工质气化并排至外部空间,完成换热。该方法解决了机器人散热噪声较大且功耗过大的问题。图图 58:银轮股份机器人仿生热管理系统:银轮股份机器人仿生热管理系统 资料来源:国家知识产权局、招商证券 4、中大力德中大力德 中大力德从事减速电机、减速器等机器人零部件的生产和销售,产品包括精密行中大力德从事减速电机、减速器等机器人零部件的生产和销售,产品包括精密行星减速器,在研精密摆线针轮减速器。星减速器,在研精密摆线针轮减速器。公司是从事机械传动与控制应用领域关键零部件的研发、生产、销售和服务的高新技术企业,成立以来深耕自动化传动与驱动装置的

88、研发和制造,为各类机械设备提供安全、高效、精密的动力传动与控 敬请阅读末页的重要说明 30 行业深度报告 制应用解决方案。根据中大力德 2022 年年报,精密行星减速器是公司的主要产品之一,另外,公司主要研发项目中还包含精密行星伺服减速一体机、RVD 系列精密摆线针轮减速器和精密摆线针轮伺服减速一体机。图图 59:中大力德精密行星减速器:中大力德精密行星减速器 ZDE(F)系列系列 图图 60:中大力德中大力德 BX-RVE 系列摆线针轮精密减速器系列摆线针轮精密减速器 资料来源:中大力德官网、招商证券 资料来源:中大力德官网、招商证券 5、禾川科技禾川科技 禾川科技是国内领先的机器人编码器制

89、造厂商。禾川科技是国内领先的机器人编码器制造厂商。禾川科技是一家技术驱动的工业自动化控制核心部件及整体解决方案提供商,主要从事工业自动化产品的研发、生产、销售及应用集成。根据公司 2022 年年报,公司主要产品中包含磁编码器与光编码器,磁编码器最高可达 21 位,光编码器最高可达 23 位、精度可达20 角秒,采用差分串行输出信号,能够有效防止外部干扰,可以提供性能与价格的完美结合。公司的伺服系统搭载自主研发的编码器,在转矩精度、速度波动率、速度环带宽、控制周期等性能参数方面整体上已接近国外主流品牌同类可比产品水准。公司在高速高精度编码器技术领域已获得 10 项发明专利、11 项实用新型专利和

90、 2 项软件著作权。公司在研项目包含 25 位光编码器开发,开发完成后,该产品将广泛应用于激光、CNC、锂电、光伏、机器人等领域。图图 61:禾川科技禾川科技编码器产品编码器产品 资料来源:公司公告、招商证券 6、本末科技(未上市)本末科技(未上市)本末科技最早孵化于本末科技最早孵化于 XbotPark 机器人基地(机器人基地(松山湖松山湖),2020 年成立后致力于年成立后致力于提供无减速器的直驱精准动力方案。提供无减速器的直驱精准动力方案。公司目前已有 M06、M07、M09、M11、M15、G15 系列产品,产品具备结构紧凑、安装方便、运行稳定、小体积、大扭 敬请阅读末页的重要说明 31

91、 行业深度报告 矩等优点。本末通过对极槽数、槽型、气隙、永磁材料等相关优化,确保电机有更大的转矩输出、更小的转矩波动,实现低转速大扭知的直接驱动。该电机适配的驱动器使用磁场定向控制(FOC)算法,配合电机内置的高精度传感器,达到对电机的精确控制及更好的静音效果。驱动器具备完整可靠的电机 OBD 监控机制和保护功能,确保电机运行安全可靠。公司目前的客户以扫地机器人为主,包括科沃斯、追觅、美的、高仙机器人等,还包括人形机器人公司,如智元机器人。图图 62:本末科技部分合作伙伴名录本末科技部分合作伙伴名录 资料来源:本末科技电机产品手册、招商证券 本末科技本末科技采用“海尔贝克阵列采用“海尔贝克阵列

92、+磁场调制技术”组合技重新定义直驱电机效能。磁场调制技术”组合技重新定义直驱电机效能。本末科技的方案中采用外转子结构,定子部分采用 24 槽分布式绕组结构以及多次分层绕线的工艺,从而有效地解决了定子高槽满率和绕组端部距离过长的问题。同时,转子部分采用外转子表贴式结构,实现了 3.8:1 的磁场减速比,相较于传统永磁电机显著提高了电机的转矩密度。为了进一步提升电机的转矩密度,本末科技采用了海尔贝克(Halbach)阵列充磁技术方案,将外转子永磁电机中的永磁体从普通径向充磁改为海尔贝克充磁方式,气隙侧的磁通密度大幅增加,并减小了转子轭部磁通,与传统径向充磁方式相比,聚磁效果得到显著提升。本末科技技

93、术预研团队不仅在电机结构设计上取得了重大突破,同时采用先进的 FOC矢量控制方式、并通过不断优化算法提升性能。在技术验证和样品测试上,海尔贝克阵列磁场调制电机展现出卓越性能,其转矩密度相比传统永磁电机提升了1.5 倍以上。敬请阅读末页的重要说明 32 行业深度报告 图图 63:定子分布式多层绕组:定子分布式多层绕组 图图 64:外转子表贴式结构:外转子表贴式结构 资料来源:机器人大讲堂、招商证券 资料来源:机器人大讲堂、招商证券 图图 65:磁力线分布对比图:磁力线分布对比图(左图为传统(左图为传统充磁充磁,右图为,右图为海尔贝克充磁海尔贝克充磁)资料来源:机器人大讲堂、招商证券 五、风险提示

94、五、风险提示 1.人形机器人商业化进展不及预期人形机器人商业化进展不及预期。无论哪一种执行器方案,市场规模的增长都将依赖于人形机器人的商业化。如果人形机器人产业化不及预期,则会严重影响准直驱方案的应用与相关零部件的销售增速。2.关节执行器技术迭代风险关节执行器技术迭代风险。人形机器人目前相关执行器的技术路线仍没有完全确定,仍在不断迭代当中,准直驱技术即有可能迭代其他执行器技术,也有可能被其他技术迭代。3.行业竞争加剧行业竞争加剧风险风险。当人形机器人产业爆发时,必然会吸引大量的竞争者进入,行业竞争有加剧的风险。敬请阅读末页的重要说明 33 行业深度报告 图图 66:机械机械行业历史行业历史 P

95、EBand 图图 67:机械机械行业历史行业历史 PBBand 资料来源:公司数据、招商证券 资料来源:公司数据、招商证券 参考报告:参考报告:1、机器人系列报告(五):人形机器人的前世今生2023-07-24 2、机器人系列报告(六):高精密直线传动部件,迎来产业化重要机遇2023-10-10 3、机器人系列报告(七):人形机器人旋转执行器技术全梳理2023-11-23 4、机器人系列报告(八):六维力传感器是高精密力控刚需,人形机器人催生新需求2024-01-16 15x25x30 x40 x55x050010001500200025003000Feb/22Aug/22Feb/23Aug/

96、231.3x1.9x2.5x3.1x3.8x020040060080010001200140016001800Feb/22Aug/22Feb/23Aug/23 敬请阅读末页的重要说明 34 行业深度报告 分析师分析师承诺承诺 负责本研究报告的每一位证券分析师,在此申明,本报告清晰、准确地反映了分析师本人的研究观点。本人薪酬的任何部分过去不曾与、现在不与,未来也将不会与本报告中的具体推荐或观点直接或间接相关。评级评级说明说明 报告中所涉及的投资评级采用相对评级体系,基于报告发布日后 6-12 个月内公司股价(或行业指数)相对同期当地市场基准指数的市场表现预期。其中,A 股市场以沪深 300 指数

97、为基准;香港市场以恒生指数为基准;美国市场以标普 500 指数为基准。具体标准如下:股票评级股票评级 强烈推荐:预期公司股价涨幅超越基准指数 20%以上 增持:预期公司股价涨幅超越基准指数 5-20%之间 中性:预期公司股价变动幅度相对基准指数介于 5%之间 减持:预期公司股价表现弱于基准指数 5%以上 行业评级行业评级 推荐:行业基本面向好,预期行业指数超越基准指数 中性:行业基本面稳定,预期行业指数跟随基准指数 回避:行业基本面转弱,预期行业指数弱于基准指数 重要重要声明声明 本报告由招商证券股份有限公司(以下简称“本公司”)编制。本公司具有中国证监会许可的证券投资咨询业务资格。本报告基于

98、合法取得的信息,但本公司对这些信息的准确性和完整性不作任何保证。本报告所包含的分析基于各种假设,不同假设可能导致分析结果出现重大不同。报告中的内容和意见仅供参考,并不构成对所述证券买卖的出价,在任何情况下,本报告中的信息或所表述的意见并不构成对任何人的投资建议。除法律或规则规定必须承担的责任外,本公司及其雇员不对使用本报告及其内容所引发的任何直接或间接损失负任何责任。本公司或关联机构可能会持有报告中所提到的公司所发行的证券头寸并进行交易,还可能为这些公司提供或争取提供投资银行业务服务。客户应当考虑到本公司可能存在可能影响本报告客观性的利益冲突。本报告版权归本公司所有。本公司保留所有权利。未经本公司事先书面许可,任何机构和个人均不得以任何形式翻版、复制、引用或转载,否则,本公司将保留随时追究其法律责任的权利。

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