机械设备行业深度报告：对比Atlas看人形机器人商业化可能性，关注精密减速器赛道正式版.ppt

行业深度压驱动器的十分之一。德国力士乐电液驱动器驱动力可达200-250吨，体积相似的电驱只能达29吨。更大的力密度带来人形机器人更优质的运动性能。液压驱动力密度更大，响应速度更快，爆发力和控制力更好，运动更加平稳。波士顿动力副总裁AeronSaunders表示Atlas用电驱可以跳3英尺（约0.9米），用液驱可以跳6英尺（约1.8米）。Atlas采用液压驱动方案，其响应速度很大程度上取决于电液伺服阀的频率响应指标。Atlas采用MOOG公司的航空伺服阀作为主控制阀，频响接近1000Hz，即Atlas可在接近1ms的时间内对运动指令做出响应。伺服电机的频率响应功能反映在速度环周期和瞬态响应曲线这两个指标上，核心指标为伺服电机的频带宽度，目前日本安川的高性能伺服电机频带宽度可达到1kHz，即电机响应时间达1ms，与液压驱动非常接近。图9：MOOGE024伺服阀资料来源：HyQRobot，浙商证券研究所液压驱动器更大的惯量使得人形机器人运动更加平稳。液压驱动的惯量比电驱要大，能够承受跑步、跳跃等运动过程中的瞬时大负载，伺服电机自身惯量较小，受到外部大惯量输入时容易对电机工作造成反作用，影响工作平稳性。电驱由于易于维护、低成本、零件规整更加有利于商业化。以Bigdog为例拆解液压系统：波士顿动力机器狗采用水冷二冲程内燃发动机作为动力源，通过发动机驱动液压泵，提供约11.19kW的功率。高压液压油通过过滤器、歧管、蓄能器和其他管路被输送到腿部执行器。热交换器用于冷却液压油，散热器用来冷却发动机以便持续运行，液驱系统还包括检测油压、油温和流量等传感器。目前人形机器人电驱方案主要采用伺服电机、伺服驱动器和编码器共用构成伺服系统。伺服系统用于准确控制输出的机械位移转角、位移速度和加速度等，满足机器人各部位各种运动方式的需求，且电机驱动的成本要低得多。图10：电驱方案下运动控制示意图资料来源：公开资料整理，浙商证券研究所8/25请务必阅读正文之后的免责条款部分行业深度图11：波士顿动力机器狗液压驱动结构示意图资料来源：BostonDynamics，浙商证券研究所由于力的限制，目前电机普遍通过增大转矩和转速来满足更高功率需求，加入稀土元素减少惯量以提升响应性能。功率=转矩×速度=力×半径×角速度。可以通过增加电动机的半径来增加转矩，或提升转速来满足功率的需求。根据盖世汽车研究院，目前18,000rpm的电机已逐渐量产，未来将进一步朝20,000rpm以上发展。新南威尔士大学研发的高速电机每分钟超10万转，峰值功率密度可达7kW/Kg。加入稀土元素，可4倍提高材料磁饱和强度，减小转子惯量，提升电机响应性能。电驱在工业机器人和军事领域逐步取代液驱。工业机器人领域，FANUC电驱超重负载机器人，负载为1700kg，重复精度+/-0.27mm。军事领域，俄罗斯苏-57战斗机使用电驱系统代替液压系统，用电缆代替液压管道，避免使用易燃有毒液体；提升战斗机生存性，电缆易于备份，防止一处损坏导致全驱动系统崩溃。我们认为未来3~5年内，随着电驱系统功率密度和响应速度的不断提升，特斯拉使用电驱在性能上可以媲美液压驱动。功率密度方面，特斯拉目前国产电机供应商为台湾富田电机，其低惯量交流感应伺服电机系列产品额定转速为1000-3000rpm，功率为37-190kW。随着直流空心杯电机（因为无铁芯转子，体积和质量较普通电机减少1/3-1/2）和高速电机的发展，更高转速和更小体积的电机预计将被引入人形机器人产业链，Atlas液压动力单元HPU的功率密度为5kW/5Kg。新南威尔士高速电机研究员表示高速电机（7kW/Kg）推广到特斯拉电动车需要6-12个月，预估如果特斯拉想采用高速和高精度微特电机，3年内可以适配到人形机器人产业链。响应速度方面，目前特斯拉电动车Model3两个电机的扭矩切换相应时间只需要10ms，目前市场上已经存在响应速度（1ms）接近液压驱动的安川伺服电机。同时随着转子材料的进化，电机的响应性能将进一步提升。平稳性方面，伺服电机增强平稳性的核心解决方法是通过减速器减小外部输入，实现对原动机的减速增矩。9/25请务必阅读正文之后的免责条款部分行业深度1.3电驱方案确定性强，精密减速器成为人形机器人核心零部件减速器连接动力源和执行机构，具有匹配转速和传递转矩的重要作用。设备由于不适宜用原动机直接驱动，减速器可将传动设备在高速运转时的动力，通过齿轮比传动（输入轴上的小齿轮啮合输出轴上的大齿轮）或是