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作者?|??程茜
編輯?|??心緣
拉開人形機器人商用大幕的關鍵硬件，特斯拉小米優(yōu)必選已入局。
曲折的2022年終于成了“過去時”，回望過去一年全球機器人重大事件，想必馬斯克的特斯拉人形機器人“擎天柱”會高票入選。
自2021年8月馬斯克大張聲勢預告特斯拉要造機器人起，商用人形機器人迅速成燎原之勢。2022年，不僅科技大廠小米、特斯拉的人形機器人相繼露面，連家電界設計“天花板”戴森亦宣布將在10年內推出可以做家務的人形機器人。其中熱度最高的特斯拉人形機器人“擎天柱”，原型機一出場，口碑便兩級分化，有人盛贊它是多重技術進步的集大成者，也有人因為它的步履蹣跚大感失望，原本期待特斯拉甩大招，誰料沒等來一個能上廳堂下廚房的機器人，卻等來一個行動笨拙緩慢的裸露電線版原型機……
▲特斯拉人形機器人“擎天柱”（Optimus）現(xiàn)身2022年特斯拉AI Day
論身手敏捷程度，比起早就能做跑酷、360°后空翻等極限運動的波士頓動力人形機器人Atlas，后進者特斯拉“擎天柱”似乎相差甚遠。
問題的關鍵，藏在機器人的“關節(jié)”里。人體的關節(jié)決定了做各種動作的靈活性，機器人的“關節(jié)”驅動器（Actuator）同樣如此。正是因為“關節(jié)”設計方法的差別，Atlas與“擎天柱”在運動能力上表現(xiàn)迥異。盡管在靈敏度上遜色不少，但“擎天柱”的驅動器設計凝結了大量的匠心巧思，使其大降功耗成本，堪稱是推進人形機器人走向商業(yè)化的標桿之作。
已發(fā)展數十載的驅動器，為何至今仍是連科技巨頭都難啃的“硬骨頭”？波士頓動力和小米、特斯拉的“關節(jié)”到底有什么不同？背后涉及哪些關鍵技術及組件？經過與多位機器人從業(yè)者交流，本文將從技術到產業(yè)鏈，深扒一顆顆小小的驅動器，如何成商用人形仿生機器人的“命門”。
▲特斯拉人工智能日活動展示的人形機器人結構拆解圖，橙色部分是驅動器
01.想讓機器人玩雜技？先煉好“人工關節(jié)”
人形機器人有4大核心組件，分別是傳感系統(tǒng)（對應五官）、控制系統(tǒng)（對應大腦）、執(zhí)行機構（對應四肢）和驅動系統(tǒng)（對應關節(jié)組織）。
走路、下蹲、舉手、抓握、搬重物、爬樓梯……機器人的每個動作都離不開驅動系統(tǒng)的支持，驅動器則是撐起機器人運動能力的關鍵組件，技術門檻、成本都很高。這是一個“小而精”的技術要地。人體有名有姓的關節(jié)共78個，其中使用頻率高、承受重量大的關節(jié)更易出現(xiàn)磨損和病變。老年人不如年輕人動作麻利，往往是因為關節(jié)的靈活性、韌性損壞了。類似的，人形機器人能否高效精準做各種動作，非常依賴控制肩、肘、腕、指、髖、膝、踝、腰椎等關節(jié)部位驅動器的質量。這要求驅動器既要數量多、占空間少、重量輕，又要耐摔扛撞。畢竟一旦“關節(jié)”出問題，機器人就“癱瘓”了。因此，一臺行動精準敏捷的人形機器人，其“關節(jié)”至少應具備這些特征：
數量上，自由度越多，能做的動作越復雜。自由度可以簡單理解成能讓一個物體獨立運動的數量。小米人形機器人“鐵大”全身有21個自由度，特斯拉“擎天柱”的更多，全身自由度共28個。
形態(tài)上，體積越小，機器人外形越精巧。深圳安普斯的伺服系統(tǒng)專業(yè)研發(fā)人員透露，伺服驅動器在工業(yè)領域已經很成熟，但放到人形機器人中需做到更小，突破這一點后，精度、控制性能、柔性化等就都不是大問題了。
功能上，輸出扭矩越大，承載能力越強。波士頓舊版Atlas的膝關節(jié)扭矩已高達890N·m，髖關節(jié)扭矩達840N·m。小米“鐵大”的髖關節(jié)主要電機瞬時峰值扭矩可達到300N·m。人在運動過程中，腳底接觸地面瞬間的沖擊力是人體體重的數倍。
因此人形機器人要想像人類一樣瞬時起跑、彈跳，很考驗驅動系統(tǒng)的快速響應和能量效率。要讓機器人動作速度快，驅動器在提供很大輸出功率的同時，需確保不會因為發(fā)熱量太大而被燒壞。驅動系統(tǒng)還要具備出色的緩沖沖擊能力，來保護驅動器不會因為猛烈撞擊而損毀。
掌握抓握的力度也很重要。舉個例子，如果讓機器人去拿雞蛋，握力過大，可能把雞蛋捏碎；握力過小，雞蛋就摔地上了。因此驅動系統(tǒng)需與控制系統(tǒng)協(xié)作，精細控制每一個動作的輕重?？傮w來說，人形機器人的驅動器必須做到體積小、重量輕、軸向尺寸短、高功率密度、高能量利用效率、精度可控、耐沖擊性等特性，結合機器人整機結構和控制系統(tǒng)設計優(yōu)化，才能保證其關節(jié)動作的高效執(zhí)行。這不僅是制約人形機器人更靈活、自由的關鍵，同時也是讓其實現(xiàn)規(guī)?；慨a、應用的重要門檻之一。
02.波士頓動力VS特斯拉小米驅動器差別有多大？
為什么集聚了強大工程師團隊的小米“鐵大”、特斯拉“擎天柱”，沒能做到像波士頓動力Atlas那樣高燃跑酷？優(yōu)必選科技人形機器人創(chuàng)新中心負責人付春江告訴智東西，從時間維度看，特斯拉、小米機器人剛開發(fā)一年多，在軟件運控層面還有很大的提升空間；從技術方案看，特斯拉和小米機器人采用的電機驅動方案，Atlas采用的液壓傳動方案，驅動器集中性和功率密度不在同一層次。而技術路線的差異，歸根究底是特斯拉、小米研發(fā)人形機器人的用途定位和預期功能，與波士頓動力存在本質上的不同，導致成本亦相差很大。波士頓動力Atlas主打挑戰(zhàn)極限的炫技動作，因此選用功率大的液壓驅動。其核心原理是通過液體壓縮泵產生高壓液體，高壓強作用于缸體產生巨大推力，帶動機器人關節(jié)運動。這也是Atlas能做出高難度絕技的秘訣。
波士頓動力在液壓驅動方向一家獨大，積累了大量專利。Atlas有一個非常緊湊的液壓驅動裝置，重5kg、功率5kW，里面有電動泵儲液罐、電池、過濾器、電子設備和一個冷卻系統(tǒng)，憑借28個液壓驅動器完成各種爆發(fā)力強的雜技動作。
液壓驅動方案的缺點是噪音大、易漏液、對污染敏感、對液壓元件的精度質量要求高、對維護團隊要求高等，導致制造成本居高不下，難以走出實驗室、走向商業(yè)化。因此，優(yōu)必選科技Walker、小米“鐵大”、特斯拉“擎天柱”等人形機器人，都選用了穩(wěn)定性、性價比更高的電機驅動方案，更加注重實用性。
在電機驅動方案中，伺服驅動器將位置、速度、扭矩告訴伺服電機，伺服電機將接收到的電壓信號轉換為扭矩、轉速，減速器可以增加扭矩，優(yōu)化低速運動的平穩(wěn)性。雖然扭矩密度遠低于液壓驅動，但電機驅動可以通過搭配減速器來加以補足，其現(xiàn)有技術已能滿足機器人的多數運動需求，同時擁有能量轉化效率、易維護、低成本、零件規(guī)整等優(yōu)勢。
據一位機器人行業(yè)的資深產品經理透露，這一驅動方式通過位置、速度、力矩來實現(xiàn)對機器人的閉環(huán)控制，使精度更高。在機器人系統(tǒng)中，伺服電機能做到“說停就停、說走就走”，讓執(zhí)行系統(tǒng)能夠“絕對服從”控制系統(tǒng)的命令。因用途不同，用在不同機器人“關節(jié)”位置的驅動器，在物理指標、執(zhí)行任務強度和功率方面均不相同。
為了找出最優(yōu)的驅動器方案，科技公司多選擇定制驅動器的路線。例如，小米“鐵大”全身有5種關節(jié)驅動器，行走時速能夠達到3.6km/h。其上肢關節(jié)能夠靈活運動，得益于小米為其研發(fā)的一個重量為500克、額定輸出扭矩高達30N·m的高效電機。特斯拉研究人員利用算法為“擎天柱”定制出6款最優(yōu)的驅動器，包含3種線性驅動器（采用永磁電機）和3種旋轉驅動器（采用諧波減速器），以滿足不同關節(jié)的效率需求并兼顧成本。
▲特斯拉人形機器人的6種驅動器
其中，線性驅動器用于推拉，比如讓機器人手臂向前或向后伸展；旋轉驅動器用于轉動動作，有直流電機、伺服電機、步進電機等常見類型。這些驅動器能驅動完成不同角度的動作?；谶@些設計，“擎天柱”的手腕、腳掌都能靈活轉動。
從精簡成6款驅動器可以看出，特斯拉奔向“大規(guī)模量產”、2萬美元成本目標的設計思路非常明確，通過實現(xiàn)更多硬件重復可替代，壓低總體成本，并讓所有的驅動器都能高效工作。在設計過程中，特斯拉結合收集到的真實世界數據，在虛擬空間中做機器人走路、轉身模擬，用人工智能算法反復測算扭矩、速度等數據，分析出能夠更好兼顧質量、效率、能耗、成本平衡的最佳驅動器設計。
在承重能力上，特斯拉研發(fā)的腿部線性驅動器，通過集成伺服電機、減速器、絲杠、傳感器、一體化運動單元等零部件，做到了精準的速度控制、位置控制和力控制，在極限測試中能提起一架500kg重的鋼琴。
除此之外，特斯拉“擎天柱”還有一大看點——設計出與人手非常相似的機械手。“擎天柱”的每只手擁有11個精細的自由度，結合控制軟件，能完成像人手般復雜靈巧的操作，并能承擔大約9公斤的負重。驅動器通過齒輪驅動一根金屬線來控制手指彎曲，并集成了感應器和鎖定裝置，以更加節(jié)省能耗。
相比之下，很多人形機器人的手部設計都較為簡單，例如Atlas的手像個浴霸，“鐵大”的手沒有手指。它們能開門、能抓握，但碰到像“穿針”這樣的精細活兒，就會一籌莫展。
為了保護包括驅動器在內的核心組件避免因碰撞等突發(fā)情況造成損壞，特斯拉工程師借鑒了以往在車輛安全測試上獲得的技術跟經驗，用軟件模擬機器人摔倒等狀況，通過調整機體，把傷害控制在表面。在供電上，波士頓動力Atlas與特斯拉“擎天柱”的差別也很顯著。Atlas的3.7kWh電池組只能撐起大約1小時的活動，特斯拉則聲稱“擎天柱”的2.3kWh電池能供應其一整天工作所需的電量。
03.50年演進3大路線人工肌肉或成未來主要研究
回溯發(fā)展歷程，人形機器人驅動器的技術演進經歷了3個階段：傳統(tǒng)剛性驅動器、彈性驅動器、準直驅驅動器。早先從1983年日本早稻田大學研發(fā)出WL-10R機器人起，傳統(tǒng)剛性驅動器被廣泛用到人形機器人中。這種驅動器的最大輸出功率密度只能達到200~300W/kg，與生物肌肉500W/kg的功能密度相差較遠，因此在人形機器人上的應用受限。彈性驅動器、準直驅驅動器均由麻省理工學院提出。
彈性驅動器SEA最早提出于1995年，通過模擬具有彈性的肌肉系統(tǒng)，讓關節(jié)的動作變得更加流暢。但因其彈性體的控制難度較高，該驅動器難以做到精準控制機器人的動作。近年趨熱的準直驅驅動器是在2016年提出。準直驅驅動器依靠驅動器電機開環(huán)力控，不依賴于附加力或力矩傳感器，就可以本體感知機器人腳部和外界的交互力，也被稱為本體驅動器。
▲人形機器人驅動器發(fā)展歷程（圖源：《雙足仿人機器人驅動器——演進、現(xiàn)狀與前景》）
從具體構成來看，傳統(tǒng)剛性驅動器由電機、高傳動比減速器、剛性力矩傳感器、輸出端組成，其中剛性力矩傳感器是可選擇項；彈性驅動器則在高傳動比減速器與輸出端之間加了彈性體，用位置傳感器檢測彈性體的形變，可以推斷出力矩的大??；而準直驅驅動器改成了高力矩密度電機+低傳動比減速器的組合，通過電機的電流大小間接推斷出輸出力矩的大小。
更理想的方案是電機直接驅動，但由于現(xiàn)有電機技術的限制，電機直接驅動的扭矩密度達不到機器人關節(jié)應用的需求，因此，輔以減速器是一個折中方案。同時，要求負載質量和轉動慣量盡可能的小，可以實現(xiàn)高帶寬力控和良好的抗沖擊能力，滿足人形機器人對小尺寸關節(jié)的需求。
未來，結合5G、人工智能、云計算等技術，驅動器還有望在云上實現(xiàn)相互通信，檢測和監(jiān)控驅動器的實時狀態(tài)?！叭诵螜C器人驅動器經歷了由剛性驅動器向彈性驅動器和準直驅驅動器的技術演進。彈性驅動器和機器人整體優(yōu)化，甚至人工肌肉研究都是未來發(fā)展方向?！备洞航劦?，仿生機構都遠沒有達到人類骨骼肌肉系統(tǒng)的能力，機構的主動件驅動器也沒有達到人類肌肉的水準，因此這一方向未來還有很大的發(fā)展空間。在科技巨頭帶動下，驅動器的發(fā)展前景，正讓相關國產廠商受到更多資本的關注。
04.日企占中國伺服驅動市場大頭國產玩家正迎頭趕上
根據Stratistics Market Research Consulting的預測，全球人形機器人市場規(guī)模在2021年約為15億美元，到2028年或將漲至264億美元。其中北美地區(qū)占據全球主要份額，日本、中國將是制造重地。一個典型人形機器人至少有20多個“關節(jié)”，每個售價在50~1000美元。這正帶給驅動器產業(yè)巨大的商機。按控制電機分類，常見的機器人電機驅動器有步進電機驅動器、直流伺服電機驅動器、交流伺服電機驅動器。
目前對性能要求不高的小型機器人采用步進驅動器較多，像工業(yè)機器人等則普遍采用伺服驅動器。日系供應商曾長期領跑我國伺服驅動市場，核心玩家有安川電機、三菱重工、松下等。伺服驅動器企業(yè)的產品以伺服系統(tǒng)為主，包含伺服電機、伺服驅動器。我國廠商在高端伺服驅動器方面相對實力薄弱。
▲2020年中國伺服系統(tǒng)主要供應商市場規(guī)模（數據來源MIR DATABANK）
伺服系統(tǒng)的應用領域十分廣泛。據一位接近機器人伺服驅動行業(yè)的人士介紹，按照功率大小，伺服系統(tǒng)共有三種模式，分別為小型、中型和大型。中大型伺服系統(tǒng)的主要應用場景為大型機床、航空等，而這一部分市場也被歐美廠商所占據。如法國施耐德、奧地利貝萊德等歐美玩家的市場份額就在中大型伺服驅動系統(tǒng)中，但由于這些市場的需求量相比于小型伺服驅動系統(tǒng)來說并不大，所以從市場份額來看，這些玩家都只占個位數。
從整體市場規(guī)模來看，中國伺服系統(tǒng)市場的供應商前三甲被日本安川、三菱、松下占據，國內頭部玩家匯川技術的市占率接近10%。其中，日本安川已經在伺服電機領域深耕39年，是運動控制領域的專業(yè)玩家，也是日本第一個做伺服驅動的公司。早在1983年，日本安川就已經實現(xiàn)伺服電機和控制器量產并投入市場。
因此，安川電機形成了以驅動控制、運動控制、機器人技術和智能工廠為核心的四大產品體系，產品也以穩(wěn)定性強著稱，“在電機行業(yè)，安川電機可以稱得上是行業(yè)‘老大哥’?！币晃唤咏鼨C器人伺服驅動行業(yè)的人士說道。據了解，安川電機的伺服系統(tǒng)∑-7系列功率為2.5KW，該系統(tǒng)最高轉速為6000轉，最大轉矩為350N·m，速度頻率響應達到3.1/kHz，能適用于瞬間負載波動和要求快速起動的場合。
到2021年，市場頭部企業(yè)格局生變。據市研機構MIR DATABANK統(tǒng)計，2021年上半年， 國產品牌匯川技術市場占有率達到16%，反超安川電機，并首次問鼎。
▲2021年上半年中國伺服系統(tǒng)主要供應商市場規(guī)模（數據來源MIR DATABANK）
作為國內伺服系統(tǒng)的頭部玩家，匯川技術自研了伺服驅動器、伺服電機、編碼器等。其中，與安川電機設備功率為同一水平的匯川伺服系統(tǒng)SV660，其功率范圍為50W~7.5kW，最大轉速同樣能達到6000轉，最大轉矩為350N·m，速度頻率響應為3.0/kHz?？梢钥闯觯谥行⌒退欧寗酉到y(tǒng)上，匯川科技的產品性能已經與安川電機相差無幾。
除此以外，優(yōu)必選科技、宇樹科技等國產機器人玩家也參與到伺服驅動器的研發(fā)。根據MIR DATABANK的數據，從2017年至2021年，中國伺服驅動市場的本土化份額上漲4.9%，日韓玩家下降5.9%；在2022年上半年，匯川技術延續(xù)2021年的勢頭，繼續(xù)位列國內通用交流伺服銷售額第一?？梢钥吹剑瑖a玩家正在迎頭趕上。
05.結語：壓低核心技術成本人形機器人才能真正走向量產商用
在工廠車間，機械臂可能比人形機器人更實用；在炫技方面，手握動力學和控制模型技術優(yōu)勢的波士頓動力堪稱“天花板級別”，但面向家庭場景，馬斯克描繪的藍圖里，只有形態(tài)趨近于人類的機器人，才能解決人類常遇的共通性問題。波士頓動力的人形機器人再炫酷，也只是輸入指令、在實驗環(huán)境中做出相對固定的動作，而真實世界要遠遠復雜的多，解決問題的通用性可能比單一能力登峰造極更為實用。
相比探索頂級的機械能力，科技巨頭們普遍將優(yōu)先級放在了改良硬件、優(yōu)化軟件、實現(xiàn)自主解決問題的智能水平上，使其能以更加靈活省電的身軀，應對更普遍的應用需求。尤其是特斯拉展現(xiàn)出其在系統(tǒng)設計和整合方面積累的工程優(yōu)勢。而驅動器所控制的機器人“關節(jié)”，則是“萬里長城第一步”，只有先讓機器人動起來，讓機械能力達標，干家務、搬重物等設想才有實現(xiàn)的基礎。
在長達半個世紀的人形機器人研究中，驅動器等核心軟硬件一直在迭代進化，但迄今距離完全類人的運動性能仍然遙遠。人形機器人對于關節(jié)自由度和靈活度提出了更高要求，規(guī)模化商用的目標又對硬件成本提出更苛刻的限制。邁入2023年，我們期待看到更多“化繁為簡”的設計理念，進一步優(yōu)化驅動器等核心組件的性能與成本，打開人形機器人進入家庭的想象力之門。
參考資料：《雙足仿人機器人驅動器——演進、現(xiàn)狀與前景》石照耀博士、丁宏鈺
