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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boom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。
所以，当前阶段，我们认为一方面，本次进入特斯拉机器人B样阶段的供应商为机器人基础标的（三花+鸣志+绿的+雷利/鼎智），另一方面，我们需关注边际技术变化带来的新兴投资机遇。
1. 现有的特斯拉人形机器人价值量分布及关键零部件回顾
首先，我们简单回顾下当前特斯拉机器人的零部件选型及价值量分布（图表1）。当前，零部件当中占比最高的为直线驱动、电机以及力矩传感器。
从加工难度来说，首先，大腿+小腿所要用到的行星滚柱丝杠（目前单台机器人使用数量为8个，性能显著优于滚珠丝杠，见图表2对比）难度超预期，根据最近部分厂商反馈，在向T交付该产品方案的过程中，无论是设计/加工难度，还是设备采购难度，都可能大幅高于滚珠丝杠。T在全球范围内积极寻找该零部件供应商。
其次，关节扭矩传感器也是重点零部件，其连接减速机与关节，量测关节处的扭矩变化，其目前国内能够做的公司数量非常有限，主要原因系此前该零部件主要用于协作机器人+汽车假人测试+打磨机器人等场景，属于小众市场产品，所以目前T在该环节的降本诉求预计也较为迫切。
图表1：tesla bot价值量拆分估算表
图表2：行星滚柱丝杠与滚珠丝杠的对比
2. 重要论文中显示的重要边际有哪些？
近期，UCLA（加州大学洛杉矶分校）Zhu，Taoyuanmin发布其博士论文，其师从Dennis W.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）。
PART1：Introduction
1）谐波+力矩传感成为重要人形机器人解决方案，优势明显：谐波+力矩传感器测量及控制力矩灵敏度高+准确性强。然而，具有高齿轮减速比的机器人更适合缓慢且相对静止的运动。这是由于谐波驱动器和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。
2）因此，除了谐波+力矩传感，科研领域也在开发更多的方案，SEA有潜力，下肢中滚珠丝杠在某些情况下是首选。
① SEA，全名series elastic acuators，串联弹性执行机构，在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。
② proprioceptive acuators（本体执行机构），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，从图表3来看，这种方式最不利于形成更高的力矩（torque）水平。
③ 方案为液压传动，这种方式的问题在于液压泵、阀门和软管的这一整套系统的复杂性难以克服。
④ 在机器人下肢开发中，在某些情况下，线性执行器是首选，因为它们提供了卓越的封装选项，并且滚珠丝杠既高效又易于使用。
图表3：行星滚柱丝杠与滚珠丝杠的对比
资料来源：UCLA论文，（stiffness为刚性，high reduction FT sensor即为高效减速机+力矩传感方案，torque density为力矩密度，越高越好，impact mitigation为对外部冲击的减少能力，越高越好）
图表4：不同传动方式对比（其中high power BLDC为高性能无刷直流电机）
资料来源：UCLA论文
PART2：Actuator Design（执行机构，也就是电机+减速机等的设计）
1）电机设计：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 2g成正比，并与电机堆栈长度ls成线性比例。按照论文表述来看，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的同时，可以适当程度配置低减速比的减速机。
原文阐述：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的齿轮减速机相比，将具有更高的效率。这说明：将气隙半径放大，我们可以使用要求更低的单级行星减速机。
与此同时，有大的气隙半径电机创造了更大的空白空间，径向嵌套转子、定子和齿轮箱的设计使得执行器包装具有很高的空间效率。
图表5：电机扭矩与气隙半径（r 2g）与堆栈长度ls成正相关
资料来源：UCLA论文
2）减速机设计：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承受和传递冲击力通过电机而不破坏减速机。低减速比的行星减速机单价显著低于谐波、RV等，但更适用对于速度要求低的场景，因而大气隙半径+低减速比更适合于机器人下肢。
图表6：高减速比vs低减速比减速机使用之下伴随电流提升扭矩的变化（上图使用减速机减速比为225:1，下图为低减速比，反向力之下，下图扭矩上升曲线好很多）
资料来源：UCLA论文
3）热管理：由于过度焦耳加热，执行机构不能长时间维持峰值负载。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。
PART3：Mechanical Design（机器人机械结构设计）
1）下肢设计（即髋部、腿部、脚部）
下肢设计最为重要，原因为在论文引言部分，外部冲击力对于高性能减速机+传感器的冲击更多表现为下肢。
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，控制髋本身的运动）、髋关节滚转（roll，图示转盘位置，控制腿部前后摆动）、髋关节俯仰（pitch，控制腿部左右摆动）、膝关节俯仰、踝关节俯仰和踝关节滚转（见图表7）。
现在考虑的是将脚部的滚动自由度省略，原因是其在机器人快走或者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性。
图表7：下肢自由度分布图
资料来源：UCLA论文
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THOR RD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，说明其腿部力承受更少，更有益于提升性能、延长寿命。
图表8：髋部倾角设计与直角设计的性能对比（artemis机器人即为论文设计机器人，髋部偏航轴与滚轴呈现45%，thor rd就是通常垂直设计的机器人）
资料来源：UCLA论文
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。
连杆传动不是一种新鲜的传动方式，常用的旋转变直线的传动方式包括：带传动、链条传动、齿轮齿条传动、连杆传动、丝杠传动、曲柄机构等，其与丝杠一样并非新兴概念。但连杆在人形机器人当中可能会用到的原因是比皮带及链条等结构简单。
论文强调，为了简单起见，采用了平行四杆机构，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。如图3.8所示，采用设计的连杆力为15kN来确定连杆的尺寸。大约140度的运动范围可以在不影响膝关节峰值扭矩的情况下实现。
同时，为了尽量减少传输损失，论文引入全补滚子轴承(IKO NAG4901UU)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，以稍重的重量为代价。滚子轴承也有约束运动在平面内，使屈曲不太可能发生。
图表9：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：UCLA论文
2）躯干设计：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（见图表10中的T-slotted aluminum framing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，便于运输及安装。控制主机、热管理（液冷及风扇）、电池、电子模块等均安装在躯干内，且具备可调整性。t型
图表10：躯干示意图
资料来源：UCLA论文
3）臂部设计：重要性同样低于下肢，其主要作用是为了实现平衡。论文将手臂将设计为四个自由度，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，本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）。
为了巩固和减少零件数量，每个臂的所有四个执行机构都是相同类型的。肩关节在俯仰-滚滚-俯仰结构中有三个相交的轴，这与肩关节的屈伸、外展/内收和肩关节的内旋/外旋有关。两个节距接头的输出轴均为单支撑配置，而辊子执行机构的输出轴为双支撑夹持配置。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。
图表10：上肢自由度分布图
资料来源：UCLA论文
PART4：System Design（偏算法+电子）
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
1）摄像机：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ZED 2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。
ZED 2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ZED 2摄像头，两个英特尔RealSense D435i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（形成效果如图表11所示）。
图表11：机器人视野
资料来源：UCLA论文
2）IMU（惯性导航）：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。可选的，三轴磁强计也包括真北参考，通常称为姿态和航向参考系统(AHRS)。最初选择Parker LORD Microstrain基于微机电系统(MEMS)的IMU 3DM-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，我们切换到MicroStrain 3DM-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。航向数据一直是纯粹的陀螺为基础的，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。
IMU目前尚没有机器人的参考价值量，但IMU逐步用于全球部分中高端车辆，其单车价值量平均来看1800元左右，国内厂商为华依科技、导远等。
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。而不是完整的6轴力和扭矩传感，定制的脚传感器只能测量两个垂直的地面反作用力，位于脚后跟和脚趾。
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。
3. 近期产业显示的重要边际有哪些？
3.1. 行星滚柱丝杠加工难度大，腿部不排除部分尝试论文中提到的方式，如上文所述增量为连杆+行星减速机。
行星滚柱丝杠目前是被应用于特斯拉下肢（大腿、小腿）的传统结构，其优势在于功能非常强大（详情见本文图表2），但其劣势也是显而易见的，即加工难度大（显著大于滚珠丝杠），对于机床、磨床等要求极高，采购设备尚具备一定难度。因而，其他传动方式也有望开始进入人形机器人研究视野。
图表12：行星滚柱丝杠示意图
图表13：行星滚柱丝杠示意图
资料来源：各机器人结构解读
3.2. 传感器意义提升、国产化迫切性作用大。
力控：多维力矩/力传感是目前最优解，电子皮肤或为触觉终极方案。目前机器人力控方案大致有3类，分别为电流环力控、多维力矩/力传感器力控、被动力控（弹性体），其中多维力矩/力传感器力控是当前力控的最佳方案，其硬件包括关节部位的单轴力矩传感器和机器人执行器末端的6轴力传感器。
同时，机器人若要模拟人体的触觉，以及实现人体皮肤对温度、湿度等外界物理量的感知，则电子皮肤可能是最佳路径之一。电子皮肤需要集成各类传感器和集成电路，并使用柔性的材料制作，壁垒较高，目前尚未在机器人领域大量应用。但从泛用性与仿生性角度，电子皮肤或是机器人触觉的终极方案。
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