核心要点
1、为什么研究这篇论文？
论文作者的导师Dennis Hong是 UCLA机器人实验室RoMela的创办者 ，其研究重点是 机器人运动和操纵、自动驾驶汽车和类人机器人 。Dennis Hong及其实验室在美国乃至全球机器人领域表现卓越，其团队屡获国际机器人挑战赛冠军，而 根据其推特内容，我们推测Dennis Hong对特斯拉机器人和自动驾驶业务有一定的指导意义。
因此分析这篇论文，1）对未来特斯拉可能的方案变化有一定前瞻意义（目前方案B样，未完全定型）；2）dennis的这篇文章为我们研究机器人工业化量产、降本，以及对国内小米、华为、腾讯等机器人业务更早期的提供一定思路。
2、论文中与投资相关的核心要点？
1）传统人形机器人执行器设计采用的谐波减速器方案只能实现相对缓慢和静止的运动。 执行器设计一般是高齿轮减速机（谐波减速器）+力矩传感器被广泛运用， 但具有高减速比的机器人（采用谐波减速器+力矩传感器的模式）只能实现非常缓慢且相对静止的运动 ，这是因为
一方面， 谐波传动+ F/T 传感器非常脆弱并且极易受到冲击 ；
另一方面， 齿轮的高反射惯性和低效率使其无法吸收脚接触地面时发生的冲击载荷 。
业界提出的其他方案有串联弹性执行器（在齿轮箱和载荷之间放置了一个弹性元件）、本体驱动器（高扭矩电机+高效低减速比齿轮箱）、液压驱动。
2）而作者提出了气隙电机（air gap motor）+行星减速器（planetary gearbox），优点在于不容易因冲击负载而损坏，更适合下半身关节。 低减速比设计（行星减速器）可以承受冲击力并将其传递回电机，而不会损坏齿轮系，拥有大气隙半径电机的好处是它在中间创造了大的空白空间，这是将齿轮箱安装在内部的完美位置，径向嵌套的转子、定子和齿轮箱设计使执行器封装的空间效率很高。
作者研究的目标是从准静态、缓慢移动的人形设计转变为更具动态性的机器人平台，更接近我们人类的行走和跑步方式。
3、上述论文对产业链及投资的影响
1）如何理解这个方案的优势？ 最主要的优势是可避免因冲击负载而损坏，其次是成本优势 （行星减速器批量价格200元/个，目前谐波价格1000+/个，未来真正批量后有望下降到500元/个）。若按照200VS.1000来算，价差在3200元/台机器人；若按照200VS.500来算，价差在1200元/台机器人。
2）如何理解产业选择的可能性和产业化进展？ 这个方案最大的受益方不是零部件，而是下游机器人企业 ，因为行星减速器工业化难度不大，容易上量。目前，国内有部分选择这个方案，但基于我们对这个板块投资主线的理解，真正关心的仍是特斯拉的选择（当下是B样阶段，还没有选择）， 看未来切换的可能性，也会方案的精进提供一种可能性。
4、投资：对机器人0-1的投资阶段（本质是资本密集型的行业），主线是特斯拉供应链（算法、工业化、应用场景的闭环决定了只可能是他第一个出大单品，后期关注其V12的发布）。
对抗0-1阶段股价巨大波动的方式就是供应链的价值量&确定性，继续看好确定性高的TIER1供应链【拓普集团】（2-3w/台机器人，其中壁垒最高的行星滚柱丝杠自研）、【三花智控】（2-3w/台机器人）、【鸣志电器】（1.2w/台机器人）。
同时，特斯拉机器人处于B样阶段，技术工艺尚未完全定型，行星减速器或存在机会（优势在于不容易因冲击负载而损坏+成本更低） 建议重点关注【双环传动】（本来就在T链，有供应链粘性）、【中大力德】。
下面是《高动态仿人机器人的设计》（Design of a Highly Dynamic Humanoid Robot）重要内容摘录和整理：
一、研究背景
1、足式机器人执行器设计
1）高齿轮减速机+力矩传感器的执行器 （High gear reduction + force torque sensor actuators）
继传统机械臂之后，提高执行机构转矩密度的明显途径是采用更高的 齿轮减速比 ，像 谐波传动 这样的应变波齿轮由于其紧凑性和无齿隙的独特优势而被广泛使用。随着越来越复杂的控制算法的实施，力和扭矩的可控性对执行器变得至关重要。同样，直接的方法是将扭矩传感器集成到执行器中，并将力扭矩传感器（F/T 传感器）放在机器人每个肢体的末端。
这种方法被广泛应用，比如 ASIMO、HRP 、HUBO、JAXON、SCHAFT。但是，具有高减速比的机器人只能实现非常缓慢且相对静止的运动，这是因为谐波传动+ F/T 传感器非常脆弱并且极易受到冲击。此外，齿轮箱的高反射惯性和低效率使其无法吸收脚接触地面时发生的冲击载荷。
2）串联弹性执行器
为了减少对齿轮箱的冲击载荷，研发者从生物肌肉中汲取灵感，在齿轮箱和载荷之间放置了一个弹性元件，即串联弹性驱动器，通过测量弹性元件的挠度，可以计算出力的大小。
3）本体驱动器
使用高扭矩电机+高效低减速比齿轮箱以产生合理的扭矩密度，由于反射惯性低，驱动器可以承受更高的冲击并允许高度动态的行为，这种设计方法被 MIT 的 腿式机器人中推广。
知乎通俗解释为：减速比小，不依靠外界传感器，可以用电流环做力矩控制的执行器，具有高扭矩密度输出、相对高速、高力矩控制带宽的特点。
4）液压驱动
液压驱动是人形机器人的另一种有效方法，由麻省理工学院腿部实验室和后来的波士顿动力公司推广液压执行器具有执行器上极高的力密度以及通过液压直接控制力的独特优势。然而，增加了液压泵、阀门和软管的系统复杂性，使其难以扩大规模。
图：四种驱动器对比
2、热管理
热管理系统是腿式平台的重要组成部分，为了提供高扭矩密度，通常将电机推到超出标称工作条件的位置，最常见的散热方式是 强制风冷 。一种不太常见的冷却方法是使用 蒸发冷却 ，其方式与我们人类的方式大致相同。机器人设计有骨骼微观结构，冷却剂可以流过并缓慢蒸发 。与液体冷却系统相比，它被发现具有更高的效率。另一种冷却方法称为 浸入式冷却 ，让不导电的工作流体与绕组直接接触。这种设计可以实施为湿式定子设计，其中套筒或模制冷却剂通道用于引导冷却剂，同时保持电机的其余部分干燥。
3、人形设计
对于以运动为重点的仿人机器人设计，下半身成为主要的焦点。
为了模拟人类 髋关节球形关节 ，通常设计具有 三个相交旋转关节 的仿人机器人髋关节，一个典型的配置是髋关节偏航作为近端第一关节，这种设计的好处是能够将臀部偏航马达打包到机器人的骨盆部分。
膝关节几乎总是具有给定类人机器人的最高功率要求 ，因为膝关节在站立时总是必须对抗重力。为了提高能源效率，已经探索了包含平行弹簧元件的设计。虽然大多数机器人膝关节使用单旋转关节，但已经探索了反映人类滚动接触膝关节的设计，以获得更好的膝关节运动范围。
对于踝关节，通常使用二自由度万向节来控制脚的俯仰和滚动。 踝关节为脚提供必要的运动范围，以适应不平坦的地形，并施加必要的力矩以保持平衡。
虽然已经探索了不同的驱动和非驱动脚趾设计以获得更自然的步行步态，但大多数现有的人形机器人使用通常为矩形的刚性扁平足。
对于骨盆和躯干关节 ，它的范围从无躯干驱动到完整的三个自由度。当没有躯干驱动时，髋关节用于控制身体方向。这是以身体运动总是必须与腿部运动相结合为代价的，包括躯干偏航自由度是一种常见的做法，因为它极大地扩展了手臂的工作空间，使操作任务更容易 。当髋俯仰关节没有足够的运动范围让机器人蹲下时，通常会进行躯干俯仰驱动，如果从地面拾取物体是机器人所需的动作，这一点尤其重要。当需要通过横向移动上半身来保持机器人平衡时，躯干侧倾会有所帮助。它还可以帮助摆动脚获得更大的离地间隙。
虽然可以在各个关节位置直接安装旋转执行器，但由于各种原因，人形机器人设计通常会将执行器从关节处移开。通常，当三个接头设计为相交时，不可能在没有干扰问题的情况下封装所有执行器。驱动器也经常向近端移向髋部，从而减少腿部惯性。这有利于提高步行速度和能量效率。
将执行器紧密封装在一起的一种方法是将电机转子和定子与减速箱分开，同步带用于将旋转从电机转子传递到齿轮箱，齿轮箱可以紧靠相邻的执行器包装，从而大大提高运动范围。
用于将旋转执行器输出连接到旋转接头的常见传输类型是连杆、皮带、链条和电缆。当目标运动范围小于 180 度时，通常使用平行四连杆机构 。当关节角度接近奇点时，联动力迅速增加，反冲也随之增加，使其无法实现。当需要超过 180 度的运动范围时，通常会使用皮带。由于皮带的刚度相对较低，所以在齿轮减速后使用皮带并不常见，而是使用链条来代替，因为它具有更高的刚度。电缆驱动执行器被用作齿轮箱的高效轻型替代品，但代价是电缆布线和张紧困难 。
在某些情况下，线性致动器是首选，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。 要将线性驱动器行程转换为关节旋转，可以使用四杆或六杆机构。需要考虑不同角度下传动比的变化。如果不希望执行器和结构之间发生相对运动，则可以使用 滑块曲柄机构 。
二、执行器设计
执行器是实现动态运动的最关键部分。本体感受执行器经过全新设计，可提供对腿部运动至关重要的功率和扭矩密度。低反射惯性和高传输透明度使机器人能够利用本体感受力控制并在奔跑和跳跃时对冲击具有弹性。
在本章中，执行器设计从转子和定子的几何设计开始进行描述。根据所需的减速比，设计合适的齿轮系。为了实现模块化执行器设计，定制驱动器电子设备被设计为集成为执行器模块的一部分，并解释了低级嵌入式控制器。
1、转子和定子设计
对于大多数市售电机，重点放在高速时的高效率上。这适用于电动汽车甚至传统的拾放机械臂。然而，对于腿式机器人来说，电机大多运行在低速区域，往往需要超过平均扭矩4倍的峰值扭矩。在分析现成的电机时，定子磁饱和通常会限制电机的瞬时扭矩输出。因此，定制转子和定子需要针对其峰值扭矩能力进行设计和优化。
2、齿轮箱和组装（Gearbox and Packaging）
大多数传统的执行器设计都有一个大齿轮的齿轮箱，以增加执行器的扭矩密度。 但是，这会损害【传输透明度】，透明度描述了外部负载通过齿轮箱传输到电机的难易程度。与传统的机械臂不同，实际上更受欢迎的是将电机动力学与外部干扰解耦的高速齿轮减速。为了获得更好的透明度，需要最大限度地减少齿轮箱的非线性项，例如摩擦和反冲。这种设计的好处如图所示，其中比较了执行器的驱动扭矩和反向驱动扭矩。图a显示了减速比为 225:1 的Dynamixel MX-106 执行器的扭矩曲线。当执行器驱动外部负载时，扭矩遵循预期的线性曲线，在高扭矩时会产生一些摩擦损失。然而，当试图用外部负载反向驱动执行器时，合成扭矩会迅速增加，扭矩很快达到齿轮箱的极限，齿轮永久变形。
对比 MX-106 的结果（图a）， 图b自定义执行器显示了大型气隙电机（a large air gap motor）+行星减速器（planetary gearbox）， 曲线一直保持线性，直到在大电流下由于磁通饱和而下降，驱动和反向驱动扭矩之间的小间隙可以通过齿轮箱的摩擦损失来模拟。 有利的反向驱动行为是驱动器能够执行基于电流的本体感受扭矩感测的直接原因。图中未显示的另一个好处是，由于摩擦和反射惯性，传统的执行器很容易因冲击负载而损坏， 而低减速比设计可以承受冲击力并将其传递回电机，而不会损坏齿轮系。 拥有大气隙半径电机的另一个好处是它在中间创造了大的空白空间，这是将齿轮箱安装在内部的完美位置。径向嵌套的转子、定子和齿轮箱设计使执行器封装的空间效率很高。
3、驱动器设计
为了使执行器更加模块化，开发了定制电机驱动器和控制器板以更好地适应执行器的封装。当使用单独的现成电机驱动器时，电机绕组以及编码器和热敏电阻需要单独从电机连接到驱动器。电机绕组往往在系统中具有最高电流，这反过来又需要粗线规，因此增加了系统的重量。当电子设备与执行器集成时，执行器之间唯一的电缆是总线电压和通信电缆。这简化了系统架构并减轻了整个系统的重量。随着现代电子技术的进步，无刷直流电机的设计可以大大降低系统的复杂性。
4、嵌入式控制结构
电机驱动器的板载微控制器处理电流控制以及相应模式下的速度和位置环路。以 22 kHz 运行的磁场定向控制 (FOC) 算法处理与三相无刷直流电机相关的低电平电流控制。这确保了定子绕组电流和输出扭矩之间的线性和平滑映射，这是实现本体感受扭矩控制的关键部分。转子的强永磁体与定子铁芯之间的相互作用会产生齿槽转矩，从而降低执行器的本体转矩控制能力。齿槽转矩补偿器用于引入前馈转矩，从而抵消转矩波动。校准例程用于测量每个转子位置所需的前馈扭矩，然后将其存储在查找表中以供运行时使用
5、执行器冷却
使用本体驱动器的一个显着缺点是，由于焦耳热过多，驱动器无法长时间承受峰值负载。为了解决这个问题，机器人需要大量的冷却系统才能不间断运行。执行器外壳上的内置冷却剂通道允许使用集中冷却系统对其进行液体冷却。
6、执行器变体
对于像人形机器人这样的复杂系统，理想情况下每个执行器都将根据其自身的扭矩和功率要求进行定制。由于资源限制和更好的零件整合，总共设计了 5 种不同的执行器变体。
三、机械设计
1、下半身运动学和结构
传统的人形机器人设计有 6 个自由度 (DoF) 腿。它们是臀部偏航、臀部滚动、臀部俯仰、膝盖俯仰、脚踝俯仰和脚踝滚动，这类似于传统的 6-DoF 机械臂设计。三个髋关节自由度在一点相交，形成一个球形关节来定位腿部。膝盖用于腿部伸展和屈曲，改变腿部长度，并在行走和跑步时提供大部分力量。
然而，脚踝的俯仰和滚动在功能上与人类对应物不同。当我们走路时，脚踝间距在脚趾离地时提供重要的能量输入。这延长了我们腿的有效长度，并反过来提高了能源效率。相反，由于仿人机器人的刚性扁平足设计，一般不使用脚趾离地，因此降低了对脚踝扭矩的要求。此外，特别是在高速行走时，该系统非常类似于弹簧加载的倒立摆。这表明脚踝的俯仰和滚动在行走和跑步时大部分未被使用，因此类似于点脚假设。
另一个需要考虑的因素是踝关节驱动器在远端位置的额外重量。在速度下，将影响机器人动力学的移动质量和惯性最小化至关重要。较高的远端质量也会使冲击和触地更加猛烈。总而言之，决定让这条腿只包含 5 个自由度。省略了脚踝滚动自由度以最小化腿的远端质量。这样设计的好处是腿在摆动阶段可以加速得更快，有利于快走快跑和抗干扰。缺点是如果没有踝关节，由于缺少自由度，机器人将无法在单腿上保持平衡。对于设计用于高动态操作的机器人来说，这是一个值得权衡的问题。
身体主轴，这意味着臀部偏航将与纵轴对齐，而臀部滚动将与矢状轴对齐。臀部偏航和滚动的扭矩和功率要求非常不同，步行和跑步需要更高的臀部滚动扭矩。因此，为了优化设计，需要两个不同尺寸的执行器。一种解决方案是简单地将臀部偏航轴和臀部滚动轴向前倾斜 45 度。通过这样做，扭矩在行走时更均匀地分布在两个执行器之间。因此，相同的致动器模块可以用于两个致动器而无需特殊定制。这种设计的另一个好处是，臀部偏航和滚动致动器现在隐藏在骨盆结构的背面。这为髋关节运动范围提供了更好的股骨间隙，这有利于膝盖靠近胸部的运动，例如下蹲运动。
如前所述，减少远端质量是设计过程的关键部分。减少远端质量的一种常见方法是将致动器从关节重新定位到更近端的位置。皮带或链条可用于将旋转从执行器高效地传递到关节。然而，链条的传动比可变，而皮带则多不太僵硬导致过度偏转。应该注意的是，在减速器之前使用皮带可以在很大程度上解决刚度问题。但是这样的解决方案会增加整个系统的复杂性。
代替将致动器定位在关节处，联动装置用于向近端移动致动器并将运动向下传递到实际关节。膝盖执行器已向上移动，与臀部间距执行器同轴，而脚踝间距已移至更靠近膝盖的位置。
为了最大限度地减少传输损失，满装滚子轴承已被用作杆端。 与滑动轴承相比，滚子轴承的摩擦力和齿隙要小得多，但重量稍重。
设计高自由度机器人的常用方法是将执行器设计为模块。 模块化致动器设计的好处是同一个致动器可以重复用于多个关节。此外，单个执行器也可以独立于结构进行更换甚至升级。然而，这种设计的缺点是更多的材料会浪费在用于将执行器模块组装到机器人的执行器外壳和紧固件上，从而降低整个系统的扭矩密度。
2、躯干结构
躯干的设计目标是容纳所有电子设备和电池，同时保持对未来设计变更的灵活性。因此， T 型槽铝框架（20 毫米 x 20 毫米）已被用于形成躯干的主要结构。 电脑和电池都很好在使用 T 型槽导轨建造的防滚架内受到保护，以防机器人跌落在其躯干上。使用 T 形槽框架而不是焊接管结构的好处是，如果以后要添加新仪器，可以轻松添加或修改安装功能。现成的支架、紧固件和五金件也使设计变得容易，并且加工要求最低。手柄安装在躯干的顶部背面，便于运输，并为龙门吊索提供安装点。躯干的前部装有散热器和风扇，用于执行器的液体冷却设置。120 毫米风扇 从机器人的前侧吸入新鲜空气，并将空气向上推并通过计算机和电池。这也有助于冷却电池，因为热量会在躯干内积聚，从而导致过热问题。风扇速度可以选择由控制器控制，该控制器持续监控回路的冷却剂温度。
3、手臂设计
虽然类人机器人的上半身通常不是大多数运动研究的重点，但手臂摆动运动可以帮助机器人保持平衡，尤其是在高速奔跑时。与我们人类没有太大区别，摆动的手臂可以为另一侧摆动的腿提供反作用力。本质上，上层身体设计将侧重于为运动提供平衡，而较少强调上半身的操纵能力。此外，在机器人跌倒的情况下，上半身还可以作为机器人从地面起身的途径。
因此，手臂将设计为具有四个自由度以最大限度地减轻四肢的重量，一个 3 自由度的肩关节和一个 1 自由度的肘关节。 驱动器的尺寸能够在跌倒位置支撑身体的重量，并且能够足够快地摆动以产生反作用力。
为了整合和减少零件数量，每个臂的所有四个执行器都是同一类型。 肩关节在俯仰-滚动-俯仰配置中具有三个相交轴，这与肩部屈曲/伸展、外展/内收和肩部内/外旋转相关。两个俯仰接头都具有单支撑配置的输出轴，而侧倾执行器具有双支撑 U 形夹配置的输出。肘节距执行器位于关节处，略有偏移，以允许增加肘部屈曲运动范围，以便末端执行器可以接触肩部。
为了最大限度地减轻设计重量，采用碳纤维管作为手臂的结构件。 碳纤维管的一端已用环氧树脂粘合到结构上，而管的另一端在周边用紧固件固定。球形橡胶球用作末端执行器，因为手腕没有自由度。安装功能设计在手腕处，用于未来可能的手或末端执行器设计。
4、头部设计
对于机器人的头部设计，重点一直放在如何更好地支持定位所需的传感器上。 选择带有惯性测量单元的集成立体相机传感器是因为它的紧凑性和利用视觉同时定位和映射 的能力。
由于其简单性，采用了平移和倾斜二自由度颈部设计。为了更好地观察环境，颈部被推向了机器人的前方。当头部向下倾斜时，双脚附近的地面环境可以通过立体相机完全看到。
四、系统设计
1、传感器
大量传感器用于测量和估计机器人状态、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，主要使用的传感器是立体视觉相机、惯性测量单元（IMU）和脚部接触力传感器 。
1）相机
选择立体视觉相机 而不是 LiDAR 是因为其相对实惠的价格以及在室内和室外环境中的稳健性。ED 2安装在机器人的头部，具有平移和倾斜的2自由度的颈部关节，用于定位相机。除了ZED 2摄像机外，机器人前后还安装了两台Intel RealSense D435i，可提供机器人附近的高保真地面信息。
2） 惯性测量单元
IMU是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。可选地，还包括用于真北参考的三轴磁力计，通常称为姿态和航向参考系统(AHRS)。与基于光纤陀螺仪(FOG)的IMU相比，MEMS 传感器体积更小且成本更低，但通常具有更差的噪声和偏置稳定性能。
3） 脚部传感器
对于传统的人形系统，6轴力矩(F/T)传感器已用于地面反作用力和接触状态反馈。然而，它们通常很脆弱，无法承受大的冲击或过载。 作为附加传感器，集成的脚部传感器PCB上还包含一个6轴IMU。陀螺仪和加速度计数据可用于进一步增强状态估计器性能，或帮助未来对着陆感测的研究。
2、计算机
为了利用基于优化的现代控制算法，需要高性能但紧凑的计算机硬件。
根据过去的经验，英特尔下一代计算单元(NUC)是安装在机器人平台上的计算机硬件的首选。就其性能而言，英特尔 NUC通常是最紧凑的硬件，非常类似于没有屏幕、键盘和电池的笔记本电脑。
3、电子产品
1）电池
以前在实验室开发的机器人使用遥控汽车或无人机锂电池，因为它们具有出色的功率密度和可用性。使用此类电池的缺点是它们没有内置保护功能，需要专门的充电器来为电池充电和平衡。
为了机器人和操作员的安全，电池组设计的首要要求是具有针对过流、过压、欠压和过热情况的内置安全保护。集成电池充电状态监控和充电器充电控制可提供更轻松的用户体验。电池组被设计成易于更换且不会在机器人上充电，因为锂电池在充电时通常是最危险的。 串联使电压加倍，进而增加执行器的速度。典型的配置包括一个用于计算机的电池模块、一个用于上半身执行器的电池模块和一个或两个用于下半身执行器的模块。
2）无线紧急停止
紧急停止按钮是所有自主机器都应配备的关键安全装置。急停按钮用于使系统断电，确保操作员的安全。在移动机器人的情况下，急停通常需要远程控制，因为操作员不能始终在机器人附近。
无线急停系统由两个主要部分组成，位于机器人上的接收器和操作员手持的发射器。接收器电源输入直接连接到电池，主输出连接到所有执行器。空闲时，主输出通过高侧MOSFET开关与电源断开。当急停按钮复位时，主输出打开，执行器初始化。
由于执行器的反向驱动特性，如果在机器人站立时断电，它会在重力作用下倒塌并可能损坏机器人本身。同样，如果机器人关节以某个显著速度移动，则切断电源不会对关节施加制动。为此，在变送器上添加了一个辅助按钮，当按下该按钮时，所有执行器都会对所有绕组应用三相短路，有效地将执行器置于安全阻尼模式。能量通过绕组以热量的形式消散，损坏机器人本身的可能性要低得多。
自定义急停模块和电池的另一个好处是，只要插入电池，急停固件就可以读取电池状态。因此，急停发射器屏幕也会显示所有电池信息。当电池电量不足时，急停模块也会提醒操作员并最终切断电源以节省电池电量。
3） DC-DC 转换器
需要DC-DC转换器为电脑提供电源。转换器模块和散热器已用于将电池电压转换为稳定的计算机输入电压。
4） USB 转 RS-485 适配器
为了与执行器通信，需要一个适配器将RS-485串行数据与USB总线相互转换。从很早开始，人们就认识到USB和RS-485之间的转换可能成为通信瓶颈。
