由 Optimus 看人形機器人產業價值

 特斯拉人形機器人 Optimus 短短兩年半時間內共叠代3 次. 2023 年 12 月, 特斯拉發布第二代Optimus 人形機器人(Gen2), 相比上一代 (Gen1) 在感知與性能有較大改進, 包括頸部與手部靈活度增加, 重量減輕 10kg, 行走速度提高 30%, 手部增加力傳感器, 腳部仿生設計並增加力傳感器等.

Optimus 仿生性較強, 從目前公布的數據來看, Optimus整身採用 28 個執行器方案+11 自由度靈巧手方案+2 靈活度頸部+人體腳部設計, 選擇更加靈活的負載設計與 6 種類型的執行器, 用來模擬人類的關節以及肌腱狀態, 已經成為最像人類的人形機器人產品之一.

關節執行器 (Actuators) 即機器人一體化關節, 是影響機器人硬件成本和運動性能的關鍵部分. 關節執行器是驅動機器人執行機構 (手臂, 腿部等) 運動的組件, 安裝在機器人關節處(連桿機構的連接處), 通過將電機的旋轉運動轉化為驅動連桿機構運動, 又被稱為 (關節) 驅動器, (關節) 致動器, 關節模組.

特斯拉 Optimus 執行器採用的是剛性驅動器 (TSA) 方案. 全身共計 52 個關節 (自由度), 其中有部分自由度為被動自由度. 全身執行器 (驅動器) 可分為三大類: 旋轉關節 (14個), 直線關節 (14 個) 與空心杯/靈巧手關節 (12 個), 其中旋轉, 直線執行器向下又分為三種型號.

旋轉關節 (旋轉執行器) 按照不同的輸出力矩 (20Nm, 110Nm, 180Nm) 分為三類, 但均由定制的永磁電機 (無框力矩電機)+角接觸球軸承+諧波減速器+交叉滾子軸承+力矩傳感器+位置傳感器 (雙編)+驅動器+機械離合器+關節 CNC 件組成, 採取了非中空走線方式.

直線關節 (線性執行器或直線驅動器) 也按照不同的輸出力矩 (500N, 3900N, 8000N) 分為三類, 但均由永磁電機 (無框力矩電機)+球軸承+四點角接觸軸承+反向式行星滾柱絲杠+力傳感器+位置傳感器 (單編)+驅動器+關節 CNC 件組成.

靈巧手主要由 6 個空心杯關節 (空心杯驅動器/執行器) 驅動, 大拇指三個自由度, 相比其余手指多了一個內收外展的自由度, 由兩個執行器驅動, 其余手指均為兩個自由度, 分別由一個執行器驅動. 空心杯關節由空心杯電機+多級行星減速器+蝸輪蝸桿+位置傳感器 (雙編)+驅動器+金屬腱繩構成.

Optimus 主要配備了視覺傳感器和觸覺傳感器, 多維力傳感器. 視覺感知上, Optimus 主要採用純視覺方案 (3D 多目視覺), 使用 3個不同種類的 2D 攝像頭 (2 個高清 2D 攝像機, 一個廣角的魚眼攝像機, 均基於 Autopilot), 魚眼攝像頭可以拓展視野範圍, 高速攝像頭可以提供清晰的畫面和快速的傳輸. 

力覺感知上, 除了各執行器使用了力或力矩傳感器 (內部傳感器) 外, Gen2 在手部和腳底新增了觸覺傳感器, 在腳踝處與手腕處增加了多維力傳感器. Gen2 手指增加觸覺傳感器 (陣列傳感器), 手腕增加多維力傳感器以提升靈活手柔順控制以及複雜物體操作的能力.

力傳感器是測量物體因受力變形而產生的應變傳感器, 將力信號轉變為電信號輸出的電子元件, 可以檢測張力, 壓力, 重量, 扭矩, 應變和內應力等機械量. 六維力傳感器也稱為六維力矩傳感器, F/T 傳感器, 用於精確測量 X, Y, Z 三個方向的力信息和 Fx, Fy, Fz 三個維度的力矩信息.

視覺層面, Optimus 使用了 Autopilot 的視覺神經網絡 占用網絡模型 (OccupancyNetwork) 來感知與理解周圍物體, 獲取場景中物體的相關信息 (體積, 速度, 距離, 軌跡等), 以實現室內三維導航, 物體抓取, 視覺自標定, 顏色分揀等任務.

通過梳理特斯拉 Optimus 的執行器, 傳感器的硬件零部件方案, 定量分析人機細分零部件領域的價值量大小: 其中價值量占比較高的細分領域為行星滾柱絲杠 (40%), 關節力/力矩傳感器 (16%), 多維力/力矩傳感器 (15%), 無框力矩電機 (8%), 諧波減速器 (6%).