机器人行业专题研究报告-特斯拉Optimus亮
点及未来进步点并存
机器人行业专题研究报告-特斯拉Optimus亮点及未来进步点并存
1.特斯拉Optimus首次亮相，预计3-5年内实现量产
1.1.Optimus部分指标值得优化，但进步速度值得肯定
特斯拉Optimus首次亮相，预计3-5年内实现量产上市。2021年8月，特斯拉CEO马斯克于首届“人工智能日”公开展示特斯拉人形机器人概念机TeslaBot。2022年2月，特斯拉在提出概念后短短6个月内成功推出人形机器人原型机，并作为开发平台进行深度研发。2022年9月30日，特斯拉举行第二届“人工智能日”，并发布最新版本的Optimus人形机器人，其可实现直立行走、搬运、洒水等复杂动作。据马斯克预计，Optimus将于3-5年内实现量产上市，其最终数量将会达到百万级，而成本将降至2万美元左右。
相较于概念机，最新版本Optimus部分指标存在优化空间，但也有进步之处。根据公开信息，对比最新版本Optimus和2021年发布的概念机：（1）身高方面：新版Optimus身高173cm，与概念机相仿（比概念机高1cm）；（2）体重方面：新版Optimus
体重为73kg，而概念机体重为56.7kg，体重增大后会加大能耗，并影响机器人运动能力；（3）行走速度方面：概念机设计行走时速为8km/h，新版Optimus虽未公布详细的行走速度数据，但从人工智能日现场和视频中的表现来看，行走速度较为缓慢；（4）载重方面：新版Optimus可搬运约20磅（10kg）重的中小型货物，预计要实现概念设计的20kg负载还需一定时间；
（5）自由度方面：新版Optimus全身自由度为50个（其中躯干28个，双手各11个），多于概念机的40个自由度。在增加自由度的同时全身执行器数量却由40个减少至28个。执行器由减速机、电机、丝杆等零部件组成。
尽管新一代Optimus的部分指标仍存在优化空间，但也不乏进步之处。同时考虑到特斯拉在依托自身汽车制造底层技术的
基础上，仅用6个月时间实现概念→初代原型机，随后8个月实现最新Optimus的推出，进展非常迅速。尽管目前特斯拉与波士顿动力、敏捷机器人等老牌人形机器人厂商相比，技术还稍显落后，但考虑综合实力和发展速度，我们仍十分看好特斯拉人形机器人未来在工厂、物流和智慧康养等领域的应用。
1.2Optimus细节详解：执行器&双手&大脑&躯干
特斯拉Optimus主要由机械部分和电子部分（蓝部分）组成，机械部分包含28个执行器和双手；电子部分包含大脑和躯
干（冷却系统、电池包）。
（1）执行器：采用减速机+电机的传动方式
执行器是一种驱动机制，控制系统通过它来执行或操作任务，可以简单类比为人体的肌肉和四肢，大脑会通过控制肌肉和四肢来实现运动。人形机器人为实现足式运动，一般采用关节形式进行驱动，而驱动方式主要包括气动、电动和液压三种方式。1）
气体驱动：气动的优点是具备压缩性，能够使机器人更柔顺地进行运动，但是其功率体积比最低，负载能力很差；2）电机驱动：电动即最常见的电机驱动，具有简单、驱动控制成熟的优点，是最常见的驱动方式，但由于电机负载能力的限制，使得电机驱动的机器人负载能力也较弱；3）液压驱动：液压驱动虽然成本略高，但具有很大的功率体积比，从而使四足机器人可以具备高动态行走能力且负载能力强。目前在全球头部人形机器人厂商中，仅有波士顿动力将液压作为执行器的驱动方式，其余例如优必选、本田等均选用电机+减速器的驱动方式。
特斯拉Optimus也采用了传统减速机+电机的传动模式，在
发布会中特斯拉展示了扭矩从20Nm到180Nm的减速机，力矩
从500N到8000N的电机，均在减速机和电机头部企业的产品参数范围内。以哈默纳科HPG系列和绿的
谐波LCD系列谐波减速
器产品为例，其扭矩范围分别为3.9-2200Nm和3.2-2100Nm。数量方面，最新版Optimus全身共有28个执行器，较概念机减少12个。分部位来看，根据现场图片及我们判断，其上半身包含8个伺服电机+减速器关节，2个线性推杆电机+减速器关节（小臂）；
下半身包含6个线性推杆电机+减速器关节；双手包含12个执行器（每个手掌6个）。
执行器是人形机器人非常重要且有挑战的环节。其重要性体现在，类比于人体执行器就是我们进行生产活动的肌肉，是必不可少的部位。而其挑战性就在于：1）如何设计出高能量密度高稳定的执行器：人的肌肉是拉伸运动，因此可以在重量不大的情况下，产生上百公斤的力；目前常用的执行器电机做的是回转运动，其转速很快，但如果要产生力，则需要多级的减速传动，但多级传导后其稳定性就会有所降低。而机器人如果需要进行高精密复杂运动，就必须在承受巨大力量的同时保障稳定性，如何设计出高能量密度、高稳定的执行器非常关键。2）如何设计出满足运用于多关节的执行器：人形机器人关节数量众多，为满足不同运动形态需求，势必会运用到不同类型的执行器。但为了实现降本，必须要到满足运用于多关节的执行器。
特斯拉非常重视执行器的设计，主要通过运用数据模型分析来寻合适的执行器。首先需要考虑机器人需要进行的动作，例如步行、转弯、爬楼梯，得到其关节所需要承受的压力。其次把这些数据输入到自
特斯拉召回 2021
主搭建的优化模型中，从而得到执行器需要的参数，例如承受力，扭矩，需要的能耗等等，最后综合考虑生产成本后选择合适的执行器。此外，特斯拉还会通过仿生技术来优化执行器结构。例如Optimus的膝关节部位，和人类膝关节韧带
的结构极为相似。
（2）双手：搭载大量传感器，可实现细微操作
人形机器人的双手设计方面，特斯拉通过仿生技术全面看齐人手：①灵活性：特斯拉Optimus单个手掌搭载6个执行器，共有11个自由度，可以实现自由灵活运动。②拥有感知：人手包含数以万计的“触觉传感器”，特斯拉希望机械手也能够和人手一样拥有感觉，因此搭载大量的传感器，例如力敏传感器和触觉传感器等。③实现工作：根据现场发布会的描述，Optimus双手可载重约10kg，能够使用工具并拿起细小的东西。此外通过添加特殊的驱动器，特斯拉Optimus能够在不打开手掌的情况下，进行相应的活动。
结构方面，考虑到人形机器人进行的是完全拟人化的动作，因此要求手部灵活且有较高的抓取力，从而需要搭配体积小灵活度高，但能量密度大的执行器，我们判断空心杯电机+精密减速器+丝杠组成的模块化电缸是人形机器人较好的选择。空心杯电机具有重量轻，体积小，能量密度大等特点，与同等功率的铁芯电动机相比，其重量、体积减轻超过三分之一。目前特斯拉对人形机器人双手的开发还处于初级阶
段，还有许多希望能够实现的功能：①可以同时拿起重物和实现微小动作：特斯拉希望通过仿生技术设计出机械肌腱，能够在抓取重物的同时，也能够实现微小操作，例如拿起很薄很小的纸张。②让双手实现自我学习：人类在面对从来没有拿起过的东西时，也可以轻松拿起，特斯拉希