华泰 | 机械:人形机器人再探讨——驱动器的演进
（以下内容从华泰证券《华泰 | 机械:人形机器人再探讨——驱动器的演进》研报附件原文摘录）
机器人关节驱动器按动力来源可以分为液压、气动、电驱等。特斯拉采用的是最早推出，也是相对成熟的刚性驱动器方案。如果电机和减速器性能没有大幅提升的情况下，在双足机器人领域刚性驱动器将会逐步被取代。近几年新兴的准直驱驱动器技术发展迅速，未来有望替代传统的刚性驱动器。 核心观点 特斯拉采用成熟的刚性驱动器方案，未来准直驱方案渗透率有望提高 机器人关节驱动器按动力来源可以分为液压、气动、电驱等。液压虽然功率高，但可靠性和精度低，噪音大，成本高；气动柔顺性好，安全性高，但精度差，时滞高。电驱因其精度、安静、高效方面的优势逐渐成为主流，其经过30多年的发展，经历了从刚性驱动器、弹性驱动器到准直驱驱动器的过程。特斯拉采用的是最早推出，也是相对成熟的刚性驱动器方案。如果电机和减速器性能没有大幅提升的情况下，在双足机器人领域刚性驱动器将会逐步被取代。近几年新兴的准直驱驱动器技术发展迅速，未来有望替代传统的刚性驱动器。 刚性驱动器：最早推出相对成熟，整体设计较难创新 1983年，早稻田大学研究出刚性驱动器（TSA），自此TSA在双足仿人机器人上广泛应用。结构上，TSA是常规无刷电机驱动高传动比减速器，有些在电机端增加刹车，在减速器和输出端增加高刚性力矩传感器。力矩测量上，TSA是基于电流或应变片式力矩传感器。控制上，TSA控制简单，精度高。功率和效率方面，TSA无功率可调，效率较低，安全性较差。TSA整体设计方面已经较难有创新，在合适工作区间内的最大输出功率密度只能到200-300W/kg，远没有达到动物肌肉的500W/kg，同时也解决不了机器人受外部冲击时零部件强度问题，目前的研究集中在优化设计上。 弹性驱动器：技术路线多样，多数结构和控制复杂 动物利用刚柔并济的肌肉骨骼系统在运动过程中储存和释放能量，调节能量在时间和功率密度上的不匹配，提高关节爆发力，同时能够实现落地缓冲。1995年，MIT推出弹性驱动器来模拟肌肉系统功能，使关节表现出柔顺、安全和高能量效率特性，目前已演化出SEA、PEA、CEA和MEA多种结构。弹性驱动器多在刚性执行器的基础上串联或并联弹性体。力矩测量上与刚性传感器较为类似。控制上，多数弹性驱动器方案结构与控制复杂，精度一般。综合来看，由于弹性体引入，系统为欠驱动，给控制带来了难度，尤其在机器人腿部使用，机器人整机的运动控制比较难实现。 准直驱驱动器：新兴技术，编码器和电机功率密度为其主攻方向 受限于工艺和技术，电机直驱的扭矩密度不能满足机器人应用的需求，因此，2016年Wensing等推出准直驱驱动器（PA），采用电机加低传动比减速器（如行星减速器）的方案，实现高带宽力控和良好的抗冲击能力。2023年UCLA也采用了类似的方案设计了不同于特斯拉的新型人形机器人结构。结构上，PA主要由高扭矩密度电机、低传动比减速器、编码器和控制板等组成。力矩测量上，PA应用电流环检测。控制和效率上，PA精度高，效率高。安全性上，PA由于具有反驱特性，安全性好。PA未来的主攻方向是编码器技术的创新和电机功率密度的提高。 风险提示：TSA技术超预期突破，PA技术突破不及预期，特斯拉机器人技术路线变更。 相关研报 研报：《人形机器人再探讨：驱动器的演进》2023年6月24日 倪正洋 S0570522100004 | BTM566 黄菁伦 S0570522100003 你可能还感兴趣 华泰 | 机械深度研究：人形机器人迭代下供应链的新机遇 点击“阅读原文”，看华泰高端装备系列研究 关注我们 华泰证券研究所国内站（研究Portal） https://inst.htsc.com/research 访问权限：国内机构客户 华泰证券研究所海外站 https://intl.inst.htsc.com/mainland 访问权限：美国及香港金控机构客户 添加权限请联系您的华泰对口客户经理 免责声明 ▲向上滑动阅览 本公众号不是华泰证券股份有限公司（以下简称“华泰证券”）研究报告的发布平台，本公众号仅供华泰证券中国内地研究服务客户参考使用。其他任何读者在订阅本公众号前，请自行评估接收相关推送内容的适当性，且若使用本公众号所载内容，务必寻求专业投资顾问的指导及解读。华泰证券不因任何订阅本公众号的行为而将订阅者视为华泰证券的客户。 本公众号转发、摘编华泰证券向其客户已发布研究报告的部分内容及观点，完整的投资意见分析应以报告发布当日的完整研究报告内容为准。订阅者仅使用本公众号内容，可能会因缺乏对完整报告的了解或缺乏相关的解读而产生理解上的歧义。如需了解完整内容，请具体参见华泰证券所发布的完整报告。 本公众号内容基于华泰证券认为可靠的信息编制，但华泰证券对该等信息的准确性、完整性及时效性不作任何保证，也不对证券价格的涨跌或市场走势作确定性判断。本公众号所载的意见、评估及预测仅反映发布当日的观点和判断。在不同时期，华泰证券可能会发出与本公众号所载意见、评估及预测不一致的研究报告。 在任何情况下，本公众号中的信息或所表述的意见均不构成对任何人的投资建议。订阅者不应单独依靠本订阅号中的内容而取代自身独立的判断，应自主做出投资决策并自行承担投资风险。订阅者若使用本资料，有可能会因缺乏解读服务而对内容产生理解上的歧义，进而造成投资损失。对依据或者使用本公众号内容所造成的一切后果，华泰证券及作者均不承担任何法律责任。 本公众号版权仅为华泰证券所有，未经华泰证券书面许可，任何机构或个人不得以翻版、复制、发表、引用或再次分发他人等任何形式侵犯本公众号发布的所有内容的版权。如因侵权行为给华泰证券造成任何直接或间接的损失，华泰证券保留追究一切法律责任的权利。华泰证券具有中国证监会核准的“证券投资咨询”业务资格，经营许可证编号为：91320000704041011J。
机器人关节驱动器按动力来源可以分为液压、气动、电驱等。特斯拉采用的是最早推出，也是相对成熟的刚性驱动器方案。如果电机和减速器性能没有大幅提升的情况下，在双足机器人领域刚性驱动器将会逐步被取代。近几年新兴的准直驱驱动器技术发展迅速，未来有望替代传统的刚性驱动器。 核心观点 特斯拉采用成熟的刚性驱动器方案，未来准直驱方案渗透率有望提高 机器人关节驱动器按动力来源可以分为液压、气动、电驱等。液压虽然功率高，但可靠性和精度低，噪音大，成本高；气动柔顺性好，安全性高，但精度差，时滞高。电驱因其精度、安静、高效方面的优势逐渐成为主流，其经过30多年的发展，经历了从刚性驱动器、弹性驱动器到准直驱驱动器的过程。特斯拉采用的是最早推出，也是相对成熟的刚性驱动器方案。如果电机和减速器性能没有大幅提升的情况下，在双足机器人领域刚性驱动器将会逐步被取代。近几年新兴的准直驱驱动器技术发展迅速，未来有望替代传统的刚性驱动器。 刚性驱动器：最早推出相对成熟，整体设计较难创新 1983年，早稻田大学研究出刚性驱动器（TSA），自此TSA在双足仿人机器人上广泛应用。结构上，TSA是常规无刷电机驱动高传动比减速器，有些在电机端增加刹车，在减速器和输出端增加高刚性力矩传感器。力矩测量上，TSA是基于电流或应变片式力矩传感器。控制上，TSA控制简单，精度高。功率和效率方面，TSA无功率可调，效率较低，安全性较差。TSA整体设计方面已经较难有创新，在合适工作区间内的最大输出功率密度只能到200-300W/kg，远没有达到动物肌肉的500W/kg，同时也解决不了机器人受外部冲击时零部件强度问题，目前的研究集中在优化设计上。 弹性驱动器：技术路线多样，多数结构和控制复杂 动物利用刚柔并济的肌肉骨骼系统在运动过程中储存和释放能量，调节能量在时间和功率密度上的不匹配，提高关节爆发力，同时能够实现落地缓冲。1995年，MIT推出弹性驱动器来模拟肌肉系统功能，使关节表现出柔顺、安全和高能量效率特性，目前已演化出SEA、PEA、CEA和MEA多种结构。弹性驱动器多在刚性执行器的基础上串联或并联弹性体。力矩测量上与刚性传感器较为类似。控制上，多数弹性驱动器方案结构与控制复杂，精度一般。综合来看，由于弹性体引入，系统为欠驱动，给控制带来了难度，尤其在机器人腿部使用，机器人整机的运动控制比较难实现。 准直驱驱动器：新兴技术，编码器和电机功率密度为其主攻方向 受限于工艺和技术，电机直驱的扭矩密度不能满足机器人应用的需求，因此，2016年Wensing等推出准直驱驱动器（PA），采用电机加低传动比减速器（如行星减速器）的方案，实现高带宽力控和良好的抗冲击能力。2023年UCLA也采用了类似的方案设计了不同于特斯拉的新型人形机器人结构。结构上，PA主要由高扭矩密度电机、低传动比减速器、编码器和控制板等组成。力矩测量上，PA应用电流环检测。控制和效率上，PA精度高，效率高。安全性上，PA由于具有反驱特性，安全性好。PA未来的主攻方向是编码器技术的创新和电机功率密度的提高。 风险提示：TSA技术超预期突破，PA技术突破不及预期，特斯拉机器人技术路线变更。 相关研报 研报：《人形机器人再探讨：驱动器的演进》2023年6月24日 倪正洋 S0570522100004 | BTM566 黄菁伦 S0570522100003 你可能还感兴趣 华泰 | 机械深度研究：人形机器人迭代下供应链的新机遇 点击“阅读原文”，看华泰高端装备系列研究 关注我们 华泰证券研究所国内站（研究Portal） https://inst.htsc.com/research 访问权限：国内机构客户 华泰证券研究所海外站 https://intl.inst.htsc.com/mainland 访问权限：美国及香港金控机构客户 添加权限请联系您的华泰对口客户经理 免责声明 ▲向上滑动阅览 本公众号不是华泰证券股份有限公司（以下简称“华泰证券”）研究报告的发布平台，本公众号仅供华泰证券中国内地研究服务客户参考使用。其他任何读者在订阅本公众号前，请自行评估接收相关推送内容的适当性，且若使用本公众号所载内容，务必寻求专业投资顾问的指导及解读。华泰证券不因任何订阅本公众号的行为而将订阅者视为华泰证券的客户。 本公众号转发、摘编华泰证券向其客户已发布研究报告的部分内容及观点，完整的投资意见分析应以报告发布当日的完整研究报告内容为准。订阅者仅使用本公众号内容，可能会因缺乏对完整报告的了解或缺乏相关的解读而产生理解上的歧义。如需了解完整内容，请具体参见华泰证券所发布的完整报告。 本公众号内容基于华泰证券认为可靠的信息编制，但华泰证券对该等信息的准确性、完整性及时效性不作任何保证，也不对证券价格的涨跌或市场走势作确定性判断。本公众号所载的意见、评估及预测仅反映发布当日的观点和判断。在不同时期，华泰证券可能会发出与本公众号所载意见、评估及预测不一致的研究报告。 在任何情况下，本公众号中的信息或所表述的意见均不构成对任何人的投资建议。订阅者不应单独依靠本订阅号中的内容而取代自身独立的判断，应自主做出投资决策并自行承担投资风险。订阅者若使用本资料，有可能会因缺乏解读服务而对内容产生理解上的歧义，进而造成投资损失。对依据或者使用本公众号内容所造成的一切后果，华泰证券及作者均不承担任何法律责任。 本公众号版权仅为华泰证券所有，未经华泰证券书面许可，任何机构或个人不得以翻版、复制、发表、引用或再次分发他人等任何形式侵犯本公众号发布的所有内容的版权。如因侵权行为给华泰证券造成任何直接或间接的损失，华泰证券保留追究一切法律责任的权利。华泰证券具有中国证监会核准的“证券投资咨询”业务资格，经营许可证编号为：91320000704041011J。
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