人形機(jī)器人量產(chǎn)需要怎樣的核心零部件？

“地球上的機(jī)器人數(shù)量將會(huì)超過人類的數(shù)量。”

7月初，馬斯克的一句話再度把人形機(jī)器人推上科技圈/投資圈的話題榜“榜一”。在不久的將來，人形機(jī)器人真的會(huì)迎來大爆發(fā)嗎？只能先打上一個(gè)問號(hào)。首先要探討的，或許是人形機(jī)器人核心零部件如何“跟上步伐”。

在特斯拉2022 AI Day上，馬斯克正式介紹了特斯拉首款人形機(jī)器人“擎天柱 Optimus”。據(jù)業(yè)內(nèi)人士分析，Optimus 共有28個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，內(nèi)置3種旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器和3種線性執(zhí)行器。其驅(qū)動(dòng)原理主要分為兩種：一種基于“無框力矩電機(jī)+諧波減速器”的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)；另一種則是基于“力矩電機(jī)+行星滾柱絲杠”的線性關(guān)節(jié)方式。

在發(fā)布會(huì)現(xiàn)場，特斯拉通過單個(gè)線性執(zhí)行器吊起一架重達(dá)半噸的鋼琴。這個(gè)執(zhí)行器究竟是什么？據(jù)業(yè)內(nèi)人士分析，從工作方式和結(jié)構(gòu)上來看，該執(zhí)行器與伺服電缸是一脈相通的，同樣是高度集成的一體化運(yùn)動(dòng)單元。

有機(jī)構(gòu)分析，若每臺(tái)人形機(jī)器人需搭載28個(gè)伺服電機(jī)，中性預(yù)估2030年前人形機(jī)器人有望拉動(dòng)伺服電機(jī)市場規(guī)模達(dá)85億元。

然而，尚無公開信息顯示，特斯拉已有相關(guān)成型產(chǎn)品。近日馬斯克透露，Optimus的量產(chǎn)缺乏現(xiàn)成的執(zhí)行器，并表示預(yù)計(jì)到2023年11月，Optimus才能完成搭載自主設(shè)計(jì)的執(zhí)行器。那么市場上是否有企業(yè)的相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入量產(chǎn)階段了呢？?有，是一家來自中國的企業(yè)——?北京因時(shí)機(jī)器人科技有限公司。

早在7年前，2016年，因時(shí)機(jī)器人就已布局微型伺服電缸，并于當(dāng)年成功自主研制了第一款樣機(jī)；2021年，累計(jì)銷量突破萬臺(tái)；2022年，年產(chǎn)量突破萬臺(tái)。目前，面向3C、自動(dòng)化、新能源、生物醫(yī)療等領(lǐng)域，因時(shí)機(jī)器人已有LA系列、LAS系列、LAF系列、LASF系列、BLA系列，五大系列微型伺服電缸。

在“白紙”上重重寫下第一筆

“自從去年特斯拉入局人形機(jī)器人以后，無論是從市場熱度上來看，還是從行業(yè)討論度來說，微型伺服電缸的關(guān)注度都空前升高，也有一些公司正在著手入局?！币驎r(shí)機(jī)器人創(chuàng)始人蔡穎鵬如是說。

但是最初因時(shí)機(jī)器人入局時(shí)，這個(gè)領(lǐng)域幾乎是“一張白紙”。

當(dāng)時(shí)，因時(shí)機(jī)器人創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)機(jī)器人核心零部件的可選擇性較少，尺寸普遍較大且笨重。核心零部件如果不突破，機(jī)器人整機(jī)性能難有提升。

從部分下游產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的方向來看，不少場景中的機(jī)器人都需要體積更小、精度更高、集成度更高的伺服產(chǎn)品。不僅如此，在醫(yī)療器械、自動(dòng)化設(shè)備、半導(dǎo)體設(shè)備等領(lǐng)域，都有小型化伺服電缸產(chǎn)品應(yīng)用的機(jī)會(huì)。

另一方面，小型化的伺服電缸并不是簡單的系統(tǒng)集成，它集成了高精密減速器、高性能空心杯電機(jī)、絲桿機(jī)構(gòu)、傳感器以及伺服控制系統(tǒng)，在保證更小體積的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)驅(qū)控一體化，具有體積小、精度高、負(fù)載大等技術(shù)特點(diǎn)。

**蔡穎鵬表示，電機(jī)、減速器、絲杠、位置傳感器、力傳感器、伺服控制器等主要的元器件都需要因時(shí)機(jī)器人進(jìn)行創(chuàng)新研發(fā)。**不僅如此，整個(gè)系統(tǒng)集成同樣需要優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此，微型伺服電缸具備較高的技術(shù)壁壘。

過程中，因時(shí)機(jī)器人遇到了不少的難點(diǎn)。做原始設(shè)計(jì)方案時(shí)，市場上幾乎找不到符合尺寸需求的馬達(dá)、減速器、絲杠、傳感器等核心零部件的成熟供應(yīng)商，定制也不可行。因此，因時(shí)機(jī)器人只能自主開發(fā)，在反復(fù)的嘗試和調(diào)整中不斷摸索，并尋找量產(chǎn)可能性更高的工藝。

從每一個(gè)獨(dú)立的模塊來說，小型化的絲杠技術(shù)難度最大。?絲杠主要分為三種：梯形絲杠、滾珠絲杠、行星滾柱絲杠。其中，?行星滾柱絲杠的難度最高?，也是因時(shí)機(jī)器人目前出貨電缸中用量最大的。

“我們的技術(shù)方案及生產(chǎn)工藝，都與傳統(tǒng)的行星滾柱絲杠有較大的差異。在滾子、滾柱的結(jié)構(gòu)以及同步機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)上都有創(chuàng)新。為克服行星滾柱絲杠自鎖能力弱的缺點(diǎn)，我們還開發(fā)了一套用于行星滾柱絲杠的自鎖方案，解決了某些場景下行星滾柱絲杠出現(xiàn)的不自鎖和滑動(dòng)的缺點(diǎn)，這進(jìn)一步擴(kuò)展了行星滾柱絲杠方案的應(yīng)用范疇?！辈谭f鵬表示。

此外，因時(shí)機(jī)器人還在集成優(yōu)化中的各處“角落”下足了功夫。如保證從電機(jī)到最后傳動(dòng)輸出過程中的高傳遞效率；將微型絲杠置于整體中，進(jìn)而進(jìn)行系統(tǒng)集成優(yōu)化。另一方面，因時(shí)機(jī)器人使用的空心微電機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)速、負(fù)載能力要求高，對(duì)控制系統(tǒng)的算法開發(fā)也提出了更高的要求。

耗時(shí)半年多，第一臺(tái)樣機(jī)終于試制成功，但是僅BOM成本就超萬元，精度也不如預(yù)期。好在，樣機(jī)的負(fù)載表現(xiàn)較好，證明研發(fā)大方向是正確的，這給了因時(shí)機(jī)器人信心。

下一步需要解決的則是量產(chǎn)問題。前期所使用的大多數(shù)工藝都沒辦法進(jìn)入量產(chǎn)，因時(shí)機(jī)器人選擇繼續(xù)潛心鉆研，一項(xiàng)一項(xiàng)技術(shù)攻關(guān)。2018年，微型伺服電缸進(jìn)入了量產(chǎn)階段。

比特斯拉快“兩步”

相較于特斯拉Optimus中所使用的伺服電缸，因時(shí)機(jī)器人快“兩步”：四大技術(shù)優(yōu)勢(shì)；已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)。具體來看，四大技術(shù)優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為：

第一，行星滾柱絲杠尺寸更小。因時(shí)機(jī)器人在行星滾柱絲杠方面的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)積累相對(duì)較為深厚。目前，因時(shí)機(jī)器人所研發(fā)的尺寸最小的行星滾柱絲杠，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)螺母外徑≤10㎜，最高可以負(fù)載上百牛?！斑@也是我們?cè)谑袌鲋锌吹降某叽缱钚〉男行菨L柱絲杠?！辈谭f鵬表示。

第二，集成度更高。蔡穎鵬表示，據(jù)觀察，特斯拉發(fā)布的伺服電缸主要由電機(jī)、減速器、行星滾珠絲杠3個(gè)部件構(gòu)成，這是構(gòu)成電缸傳動(dòng)最重基礎(chǔ)三個(gè)部分。而因時(shí)機(jī)器人的微型伺服電缸集成度更高，將馬達(dá)、減速器、行星滾柱絲杠、位置傳感器、力傳感器、驅(qū)動(dòng)控制等高度集成在一個(gè)模塊當(dāng)中。

**第三，工作精度更高。**從傳動(dòng)系統(tǒng)的角度來說，減速器和絲杠之間難免有傳動(dòng)間隙。如果僅僅依靠電機(jī)編碼器進(jìn)行位置控制，無法消除末端的間隙誤差。因時(shí)機(jī)器人?在末端加置了位置閉環(huán)傳感器?，通過算法消除傳動(dòng)間隙，精度則更高。

第四，推重比更高。?特斯拉人形機(jī)器人采用的自重較小的一款0.36公斤級(jí)別的驅(qū)動(dòng)器推重比為1400N/KG，而因時(shí)機(jī)器人的自重0.1KG級(jí)別的微型伺服電缸推重比已達(dá)到4900N/KG。

如同“肌肉”，解靈巧手痛點(diǎn)

2018年，因時(shí)機(jī)器人的微型伺服電缸產(chǎn)品就開始在靈巧手中進(jìn)行驗(yàn)證。微型伺服電缸如同手掌的肌肉，仿生性能較好，便于靈巧手仿生結(jié)構(gòu)布局。同時(shí)，它還解決了靈巧手以往存在的幾大痛點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、抓握力弱、可靠性差。

“靈巧手以往常采用拉線方案，抓握能力弱，可靠性差。我們對(duì)靈巧手的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)做了大量的簡化，用剛性連桿去替代原來的方案。靈活操作依靠的就是內(nèi)置的六個(gè)微型伺服電缸，結(jié)構(gòu)簡化的同時(shí)，可靠性也提升了，成本也下降了?！辈谭f鵬介紹道，這套方案現(xiàn)在已經(jīng)是目前行業(yè)中較為主流的技術(shù)方案了。

從自由度上來看，國外已經(jīng)有自由度更高（10+/20+）的靈巧手，主要用于科研領(lǐng)域。從商業(yè)化的思路出發(fā)去設(shè)計(jì)，必須要用更少的自由度去實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的抓握能力。

力控型號(hào)的微型伺服電缸具有力控制和力反饋的功能，非常適用于需要高功率密度或者恒力控制的場景。使用微型伺服電缸解決方案后，盡管靈巧手的自由度只有6個(gè)，但是比起傳統(tǒng)的靠位置控制和角度控制，靈巧手的可靠性更高，成本也有所降低。





審核編輯：劉清