一文熟悉人形机器人运动控制的关键硬件：执行器

导语：人形机器人的核心零部件在价值量、行业壁垒和国产化率方面存在差异，但国产企业正通过技术创新和市场拓展，逐步提升在这些领域的竞争力。随着技术进步和市场需求的增长，预计国产化率将进一步提高，推动整个产业链的发展。

人形机器人的执行器也成为一体化关节，是其硬件系统中非常关键的部件，主要负责将能量转化为机器人的机械运动。执行器可以按照不同的方式进行分类：

按运动类型：分为旋转执行器(Rotary Actuator)和直线/线性执行器(Linear Actuator)。旋转执行器用于使机器人的关节进行旋转运动，而直线执行器则用于推拉动作，如手臂的伸展。

按动力来源：分为液压(Hydraulic)、气动(Pneumatic)或电机执行器(Electric)。在人形机器人中，电机执行器因其精度高、噪音小和易于联网反馈信息而常用。

按驱动方式：分为刚性执行器(Traditional Stiffness Actuator, TSA)、弹性执行器(Series Elastic Actuator, SEA)和准直驱执行器(Proprioceptive Actuator, PA)。刚性执行器主要由电机、减速器、编码器和力矩传感器等组成。弹性执行器模拟肌肉系统，提供柔顺性和高能量效率。准直驱执行器则不依赖于附加力或力矩传感器，能够直接感知机器人与外界的交互力。目前刚性执行器是主流方案，准直驱动执行器是近几年的研究热点。

执行器原理，来源:《智能电动执行器关键技术的研究和开发(2012 年)》

01、关键技术参数

人形机器人的技术参数反映了其可胜任的工作、具有的最高操作性能等情况。主要包括自由度、额定负载、工作空间、工作精度等，以下是一些主要技术参数的详细解释：

1、自由度(Degrees of Freedom, DOF)：

指的是机器人能够独立控制的运动方向的数量，是根据其用途设计的。人形机器人通常模仿人类的动作，自由度越多，机器人就越能接近人手的动作机能，通用性越好，可用直线移动、摆动或者旋转动作的数目来表示。自由度越多，结构越复杂，对机器人的整体要求越高。

2、额定负载(Rated Load)：

也称有效负荷，指机器人在正常操作条件下能够持续承载的最大重量。这通常影响机器人的搬运和操作能力。当负载较大时，提高电机的功率不划算，可以在适宜的速度范围内，通过减速器来提高输出扭矩。

3、工作空间(Work Space)：

又称工作范围、工作行程，描述机器人能够到达的所有位置的区域。工作空间的大小和形状取决于机器人的设计和关节的自由度，反映了机器人工作能力的大小，它不仅与机器人各连杆的尺寸有关，还与机器人的总体结构有关。

4、工作精度(Working Accuracy)：

指机器人执行任务时能达到的位置精度和重复性。重复定位精度取决于机器人关节减速机及传动装置的精度，绝对精度取决于机器人控制算法、编码器精度、减速及传动装置精度等的综合表现。高精度的机器人适合执行需要精细操作的任务。

其他参数还有工作速度(Working Speed)、控制方式(Control Mode)、驱动方式(Actuation Method)、安装方式(Mounting Method)、动力源容量(Power Source Capacity)、本体质量(Robot Mass)、环境参数(Environmental Parameters)等，这些参数决定了机器人能够在何种环境下工作。这些技术参数共同定义了人形机器人的性能特征，决定了它们在特定应用场景中的适用性和效率。设计和选择人形机器人时，需要根据任务需求和工作环境来考虑这些参数，以确保机器人能够满足预期的工作要求。

02、案例：特斯拉Optimus执行器技术框架

2022年10月1日，在特斯拉AI Day上发布Optimus;2023年12月14日 Tesla 发布了Optimus-Gen2。

1、主体自由度：Optimus包括28个自由度，包括14个旋转自由度(旋转执行器)、14个线性自由度(线性执行器);Optimus Gen2在脖颈处增加2个自由度，全身具备30个自由度。

2、灵巧手自由度：Optimus灵巧手具有6个主动自由度、5个被动自由度;Optimus-Gen2增加至11个主动自由度，并在每个手指(指尖处)增加触控式传感器。

特斯拉 Optimus Gen2 执行器方案来源：本末研究，机器人之心，特斯拉官网，长城证券产业金融研究院 注：数字单位为个

线性执行器

特斯拉 Optimus 线性执行器的配置为：无框力矩电机*1+行星滚柱丝杠*1+力传感器*1+编码器*1+驱动器+球轴承*1+四点接触球轴承*1。

其中 1)电机：使用特斯拉自主研发的永磁电机。2)丝杠：使用反向式行星滚柱丝杠，具有较强刚性。3)编码器：使用一个位置传感器。4)力传感器：由于丝杠没有反驱性，配置力 传感器。5)轴承：使用深沟球轴承、四点接触球轴承。

特斯拉 Optimus 直线执行器构造，来源：特斯拉

旋转执行器

特斯拉 Optimus 旋转执行器的配置为：无框力矩电机*1+谐波减速器*1+力矩传感器*1+编码器*2+驱动器*1+交叉滚子轴承*1+角接触球轴承*1。

其中 1)电机：使用特斯拉自主研发的永磁电机。2)减速器：使用谐波减速器，结构简单，减速比大，传动精度和传动效率较高。3)位置传感器：使用两个，即双编码器，包括输入位置编码器、输出位置编码器。4)力传感器：使用一个非接触式扭矩传感器。5)轴承：使用角接触轴承、交叉滚子轴承。

特斯拉 Optimus 的旋转执行器构造，来源：特斯拉

03、细分核心零部件

执行器核心零部件包括电机、减速器、丝杠、编码器、力矩传感器等。

1、电机(Motor)：执行器系统的“血管”。

它根据所接收的力矩、速度、位置等指令信号，带动机械部件实现特定运动。同时电机中的多种传感器，如编码器、力传感器等，还会将电机与机械部件的实时运作信息反馈给驱动器和控制器，从而完成精准运动控制。执行器的驱动源，可以是直流电机、交流电机、步进电机或伺服电机，选择取决于所需的扭矩、速度、精度和控制要求。人形机器人主要采用集成度高、运动控制精度高、扭矩输出效率高的无框力矩电机。

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2、减速器(Reducer)：电机和传动装置之间的桥梁。

其作用是将伺服电机输出的高转速、低转矩的动力转换为低转速、高转矩的动力，从而使机器人能够承受更大的负载，驱动机器人关节运行。受限于电机工艺技术，目前在机器人执行器中，减速器和电机通常搭配使用。常见的减速器类型包括谐波减速器、行星减速器和RV减速器等。

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3、丝杠(Lead Screw)：直线执行器末端的线性传动装置。

对于直线运动的执行器，丝杠将电机的旋转运动转换为直线运动。通常与螺母配合使用，可以是滚珠丝杠或滑动丝杠，提供精确的线性定位。受益于机器人等高端制造领域快速发展，高负载的行星滚柱丝杠具备较大发展潜力。

4、编码器(Encoder)：驱控信息的反馈装置。

用于测量和反馈执行器的位置、速度和加速度。安装在伺服电机上，通过将角位移(码盘)或直线位移(码尺)转换成电信号的方式反馈转子位置和速度，将所获得的运动信息转换为脉冲信号并发送给驱动器，以便其进行信息比对，确保完成闭环控制。编码器可以是光电的、磁性的或机械的，提供必要的反馈信息以实现闭环控制。常用于机器人的有光电编码器、磁编码器。目前光电编码器技术更成熟，更达的精度更高。磁编码器理论成本更低，未来前景可观。

5、力矩传感器(Torque Sensor)：电机输出力矩的反馈装置。

是用在执行器末端的一种接触式传感器，用于测量执行器关节的力矩输出，对于需要精确控制力矩的应用至关重要。力矩传感器可以集成在电机轴或减速器输出端。其核心零部件是弹性体(感应元件)和应变片(电阻转换)。当扭矩作用于传感器时，传感器内部的感力元件会发生变化，从而产生电荷/电压信号，这个信号与扭矩大小成正比，因此可以通过测量电压信号来确定扭矩大小。

此外还有接收指令信号并控制电机的运行的控制器(Controller);确保确保执行器运动部件的平稳运行，减少摩擦和磨损的轴承(Bearing);接收来自控制器的信号并将其转换为适合电机的电流和电压，以控制电机的速度和扭矩的驱动器(Driver)。

下面从价值、行业壁垒、国产化程度进行横向对比各零部件：

价值量对比：力矩电机、行星滚柱丝杠、减速器、六维力/力矩传感器及芯片/算力/大模型的价值量较大，其次为空心杯电机和力传感器。

行业壁垒对比：行星滚柱丝杠、六维 力/力矩传感器、惯性和触觉/柔性传感器以及芯片/算力/大模型的行业壁垒很高，其次为电机和其他零部件等。

国产化率对比：行星滚柱丝杠、惯性和触觉/柔性传感器的国产化率较低，但总体各零部件国产企业均处于追赶国际龙头的过程中，部分环节技术水平达到国际领先人形机器人各零部件的价值量、行业壁垒和国产化率的对比。

资料来源：特斯拉，浙商证券研究所

　　整体来看，人形机器人的核心零部件在价值量、行业壁垒和国产化率方面存在差异，但国产企业正通过技术创新和市场拓展，逐步提升在这些领域的竞争力。随着技术进步和市场需求的增长，预计国产化率将进一步提高，推动整个产业链的发展。