機器人零部件風口有哪些

特斯拉財報電話會議上，馬斯克透露并確認了人形機器人的多項細節(jié)，執(zhí)行器正式被馬斯克確定為人形機器人關鍵零部件。

其表示，目前，特斯拉已制作了大約10個Optimus機器人。但由于Optimus連執(zhí)行器都需要重新設計和定制，這一部件正成為限制特斯拉產(chǎn)能提升的巨大挑戰(zhàn)。

馬斯克預計，可能要到今年11月份特斯拉才有可能解決這項難題，但采用新部件后，將快速進行行走測試，計劃明年在特斯拉工廠進行實用性測試。

為什么享譽全球的特斯拉會困于小小的執(zhí)行器零部件?特斯拉人形機器人確定未來采用執(zhí)行器這種全新的零部件，是否會帶來全新的產(chǎn)業(yè)鏈風口?

01 仿生設計帶來的改變

特斯拉的人形機器人中共有28個運動關節(jié)，包括三種旋轉執(zhí)行器和三種線性執(zhí)行器。分布于肩髖等需要大角度旋轉關節(jié)所采用的主要是旋轉執(zhí)行器，而線性執(zhí)行器主要分布于膝肘等擺動角度不大的單自由度關節(jié)，以及腕踝兩個雙自由度但是體積緊湊的關節(jié)。

有研究指出，特斯拉人形機器人之所以采取這兩種執(zhí)行器部件，是因為運動執(zhí)行器具有很高的扭矩密度和推力密度，這是機器人領域一種典型的“以小制大”技術，從而能夠讓機器人具有更輕的體重和一定的負載作業(yè)能力。

而不同部位采取不同執(zhí)行器則是特斯拉考慮到實際應用場景來設計決定的。

這背后代表了一種全新仿生學的設計思路，也導致特斯拉很難通過傳統(tǒng)的工業(yè)品零部件開發(fā)流程來完成。

例如特斯拉人形機器人想要在家庭等場景中有著高動態(tài)響應能力以及長續(xù)航，那么整體采用電驅方式似乎就成了必然。

因為一個能續(xù)航數(shù)小時的人形機器人，必然需要把能量利用率、損耗率放在了更靠前的位置。而電驅+模仿生物肌肉運動傳動，恰恰是目前世界上已經(jīng)被證明最具優(yōu)勢的方式。

而如果仔細觀察特斯拉機器人的行走運動方式能發(fā)現(xiàn)，其主要是由分布于大腿的線性執(zhí)行器帶動膝關節(jié)運動，末端的結構普遍較為纖細、輕便。

這背后，腿部的線性執(zhí)行器就充當了至關重要的角色。因為線性執(zhí)行器可以通過絲杠機構將電機的旋轉運動轉化成直線運動，進而實現(xiàn)對機械裝置的直線位移。

直線式驅動的反向驅動力最大，其能用較小的扭矩或力量讓形體保持在一個位置上，從而擁有穩(wěn)定負荷量以及較低的耗能，類似肌肉運動可以長時間穩(wěn)定保持某一個狀態(tài)。

這種仿生學的設計，一方面減輕了肢體末端的重量，另一方面將整體重心前移，讓其移動的重心更靠近軀干位置，能夠大幅提升肢體的靈活性，也進一步減少了綜合能耗比例。

特斯拉不是最早發(fā)現(xiàn)這種線性執(zhí)行器方案優(yōu)勢并加以嘗試利用的企業(yè)。

早在2019年，國產(chǎn)機器人核心零部件企業(yè)-因時機器人推出的一款仿人五指靈巧手，采用的其實就是線性執(zhí)行器加剛性連桿結構方案。

這款仿人五指靈巧手具有6個自由度和12個運動關節(jié)，亞毫米級定位精度和數(shù)千克的負載能力，可以模擬人手實現(xiàn)精準的抓取操作。

而實現(xiàn)這些的秘訣就在其內部集成的6個微型伺服電缸上，這種采用驅控一體化設計的微型伺服電缸體積非常小，但功率密度很高，精度更是可達±0.02mm。通過內置力傳感器，靈巧手還兼具可靠性和控制柔性。

特斯拉的執(zhí)行器如果拆分開，內部其實也是由多種零部件組成，按照功能原理與價值量，主要由傳動裝置、驅動裝置、感知裝置、控制裝置等“四大主材”以及制動器與軸承等“輔材”組成。

而因時機器人所代表的微型伺服電缸技術，與特斯拉線性執(zhí)行器所采取的技術路線非常相似，也是一種集成了伺服電機、減速器、絲杠、傳感器和驅動器的一體化運動單元，具有精度高和負載大的技術特點。

此前就有消息認為，因時機器人憑借著對微型伺服電缸相關技術高度的理解、完善的系統(tǒng)集成度和豐富的拓展能力，未來有望成為人形機器人量產(chǎn)的核心供應商之一。

因為微型伺服電缸本質上同樣就是一種線性執(zhí)行器，這與特斯拉的執(zhí)行器理念不謀而合。

以線性執(zhí)行器作為核心零部件的靈巧手，在多個實驗室被證明具有非常顯著的低功耗、高精準度、高穩(wěn)定性特征，是目前全球為數(shù)不多能夠做到類似性能的產(chǎn)品。并且因時機器人由于大部分零部件都是自主研制生產(chǎn)，靈巧手的成本也大幅降低。

當然，如果以因時機器人目前的產(chǎn)品作為成功案例來看，同樣證明了特斯拉所采取的執(zhí)行器方案技術路線，有望真正在形體布置上實現(xiàn)零部件體積、重量和功率的均衡，提升肢體靈活性，動作復用性，完成功能性的拓展。

而這也恰好意味著，以線性執(zhí)行器為核心制造的微型伺服電缸，極有可能成為下一個機器人零部件風口。

02 尋找突破瓶頸的方式

機器人大講堂了解到，當前特斯拉所遇到的執(zhí)行器量產(chǎn)難題，非常有可能集中在行星滾柱絲杠這個細分部件上。這與幾年前因時機器人研發(fā)微型伺服電缸所遇到的瓶頸非常類似。

據(jù)因時機器人CTO介紹，2016年因時機器人就開始了微型電缸所需關鍵技術的基礎研發(fā)。2018年為了開發(fā)出具備全球競爭力的伺服電缸產(chǎn)品，因時機器人將目光就對準了微型行星滾柱絲杠技術，并投入重大資源進行技術攻關。

因為行星滾柱絲杠具有非常典型的優(yōu)勢：效率高、承載能力和剛性優(yōu)越、可靠且壽命較長，這就能在線性執(zhí)行器中發(fā)揮出更好的作用。

但行星滾柱絲杠的開發(fā)對于生產(chǎn)設備要求非常高，而且制造工藝難度大，原先多用于軍事、航空領域，市場門檻高，批量化程度低，所以全球開發(fā)者較少，成本也一直居高不下。

在當時，全球僅歐洲、美國部分公司能夠生產(chǎn)行星滾柱絲杠，定制化價格非常高，這也使單臺微型伺服電缸光成本達到了數(shù)萬元，很難滿足批量化和成本控制要求。

在考察了全球市場后，因時機器人預判，在全球設備走向小型智能化趨勢下，未來機器人、汽車、半導體或者醫(yī)療行業(yè)都會對這種體積小、精度高、功率密度大的全新產(chǎn)品有著很高的需求。

基于此趨勢，因時機器人在成立初期就投入巨大的成本，購買各類生產(chǎn)加工設備，從零部件層面開始自主生產(chǎn)和研發(fā)更具潛力的微型伺服電缸。期間，開發(fā)了以行星滾柱絲杠為代表的絲杠傳動技術、微型減速技術、力位傳感技術和伺服控制技術。

事實證明，因時機器人的決策非常具有前瞻性。

通過多年的工藝創(chuàng)新和設計優(yōu)化，產(chǎn)品定義、部件整合、設計重構、計算集成，因時機器人的技術逐步成熟，完成了微型伺服電缸從設計、工藝、生產(chǎn)、裝配等各環(huán)節(jié)的全面打通，并且實現(xiàn)了批量生產(chǎn)。

據(jù)悉，因時機器人目前已經(jīng)能夠將無刷電機、行星減速機、行星滾柱絲杠、絕對位置檢測傳感器、力傳感器和驅動控制電路，高度集成為完整的模組解決方案，全面適應伺服控制系統(tǒng)的多樣化易用性發(fā)展方向。

同時，模組方案易于安裝維護及替換，可進一步滿足客戶快速開發(fā)、方便實用和易于更換的要求。

作為全球為數(shù)不多攻克了微型行星滾柱絲杠量產(chǎn)技術的企業(yè)，因時機器人已經(jīng)能夠實現(xiàn)螺母直徑10mm以內的微型行星滾柱絲杠量產(chǎn)，并將這項技術應用到了靈巧手的驅動設計中。

行星滾柱絲杠相較于其他類型絲杠產(chǎn)品功率密度更高，在綜合驅動效率上是傳統(tǒng)絲杠方案的3倍左右，因此使得靈巧手的手指抓握力也有著巨大的提升。小尺寸行星滾柱絲杠的出現(xiàn)可以說既保證了微型伺服電缸更小的體積，同時實現(xiàn)了更大的推拉力。

當前，因時機器人計劃通過更大范圍量產(chǎn)化進一步降低生產(chǎn)成本，鞏固產(chǎn)品的全球競爭力。

基于準確的產(chǎn)品定位和多年來的客戶積累，因時機器人已經(jīng)在微型伺服電缸系列產(chǎn)品上形成成熟體系，產(chǎn)品廣泛應用于高精密醫(yī)療器械、工業(yè)自動化等領域，滿足了不同類型客戶的垂直需求。因時機器人也一直在捕捉市場變化，未來將能夠不斷開發(fā)更具適應性的新產(chǎn)品，滿足更多客戶需求。

03 更遠的未來

因時機器人相信，通過大量的研發(fā)投入，特斯拉的人形機器人開發(fā)必然會不斷加速。正向設計會帶來遠超標準模塊的強大產(chǎn)品能力和自由度，讓特斯拉人形機器人更容易突破器件的性能限制，在功能性和成本上遠超從前。

因時機器人CTO也對機器人大講堂透露，基于多年的技術儲備，因時機器人目前已經(jīng)在積極布局更大適用范圍的伺服電缸，未來將不斷開發(fā)出具備市場競爭力的新產(chǎn)品。

微型伺服電缸作為全新的機器人核心零部件，已經(jīng)被證明能夠幫助有精密控制需求但是受限于設備尺寸的企業(yè)達成自動化改造，另外該產(chǎn)品在醫(yī)療、航空航天等領域也有廣泛應用，可以說跨行業(yè)應用面廣，橫向延展能力非常強，該產(chǎn)品及相關產(chǎn)業(yè)鏈的市場價值或許值得更進一步研究。

編輯：黃飛

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