▲特斯拉人形机器人“擎天柱”（Optimus）现身2022年特斯拉AI Day
论身手敏捷程度，比起早就能做跑酷、360°后空翻等极限运动的波士顿动力人形机器人Atlas，后进者特斯拉“擎天柱”似乎相差甚远。▲波士顿动力人形机器人Atlas翻跟头
问题的关键，藏在机器人的“关节”里。人体的关节决定了做各种动作的灵活性，机器人的“关节”驱动器（Actuator）同样如此。正是因为“关节”设计方法的差别，Atlas与“擎天柱”在运动能力上表现迥异。尽管在灵敏度上逊色不少，但“擎天柱”的驱动器设计凝结了大量的匠心巧思，使其大降功耗成本，堪称是推进人形机器人走向商业化的标杆之作。已发展数十载的驱动器，为何至今仍是连科技巨头都难啃的“硬骨头”？波士顿动力和小米、特斯拉的“关节”到底有什么不同？背后涉及哪些关键技术及组件？经过与多位机器人从业者交流，本文将从技术到产业链，深扒一颗颗小小的驱动器，如何成商用人形仿生机器人的“命门”。▲特斯拉人工智能日活动展示的人形机器人结构拆解图，橙色部分是驱动器
本文福利：具备更高控制精度的伺服电机将是未来人形机器人的主要配置，人形机器人时代来临，伺服电机需求量增长迅速。推荐机器人深度报告《伺服电机再探讨》，可在公众号聊天栏回复关键词【智东西357】获取。▲机器人四大系统（图片来源：CSDN）
走路、下蹲、举手、抓握、搬重物、爬楼梯……机器人的每个动作都离不开驱动系统的支持，驱动器则是撑起机器人运动能力的关键组件，技术门槛、成本都很高。这是一个“小而精”的技术要地。人体有名有姓的关节共78个，其中使用频率高、承受重量大的关节更易出现磨损和病变。老年人不如年轻人动作麻利，往往是因为关节的灵活性、韧性损坏了。类似的，人形机器人能否高效精准做各种动作，非常依赖控制肩、肘、腕、指、髋、膝、踝、腰椎等关节部位驱动器的质量。这要求驱动器既要数量多、占空间少、重量轻，又要耐摔扛撞。毕竟一旦“关节”出问题，机器人就“瘫痪”了。因此，一台行动精准敏捷的人形机器人，其“关节”至少应具备这些特征：数量上，自由度越多，能做的动作越复杂。自由度可以简单理解成能让一个物体独立运动的数量。小米人形机器人“铁大”全身有21个自由度，特斯拉“擎天柱”的更多，全身自由度共28个。形态上，体积越小，机器人外形越精巧。深圳安普斯的伺服系统专业研发人员透露，伺服驱动器在工业领域已经很成熟，但放到人形机器人中需做到更小，突破这一点后，精度、控制性能、柔性化等就都不是大问题了。功能上，输出扭矩越大，承载能力越强。波士顿旧版Atlas的膝关节扭矩已高达890N·m，髋关节扭矩达840N·m。小米“铁大”的髋关节主要电机瞬时峰值扭矩可达到300N·m。人在运动过程中，脚底接触地面瞬间的冲击力是人体体重的数倍。因此人形机器人要想像人类一样瞬时起跑、弹跳，很考验驱动系统的快速响应和能量效率。要让机器人动作速度快，驱动器在提供很大输出功率的同时，需确保不会因为发热量太大而被烧坏。驱动系统还要具备出色的缓冲冲击能力，来保护驱动器不会因为猛烈撞击而损毁。掌握抓握的力度也很重要。举个例子，如果让机器人去拿鸡蛋，握力过大，可能把鸡蛋捏碎；握力过小，鸡蛋就摔地上了。因此驱动系统需与控制系统协作，精细控制每一个动作的轻重。总体来说，人形机器人的驱动器必须做到体积小、重量轻、轴向尺寸短、高功率密度、高能量利用效率、精度可控、耐冲击性等特性，结合机器人整机结构和控制系统设计优化，才能保证其关节动作的高效执行。这不仅是制约人形机器人更灵活、自由的关键，同时也是让其实现规模化量产、应用的重要门槛之一。▲小米人形机器人铁大在发布会现场走路
▲液压驱动方式演示（动图截自腾讯视频）
波士顿动力在液压驱动方向一家独大，积累了大量专利。Atlas有一个非常紧凑的液压驱动装置，重5kg、功率5kW，里面有电动泵储液罐、电池、过滤器、电子设备和一个冷却系统，凭借28个液压驱动器完成各种爆发力强的杂技动作。▲Atlas液压驱动装置
液压驱动方案的缺点是噪音大、易漏液、对污染敏感、对液压元件的精度质量要求高、对维护团队要求高等，导致制造成本居高不下，难以走出实验室、走向商业化。因此，优必选科技Walker、小米“铁大”、特斯拉“擎天柱”等人形机器人，都选用了稳定性、性价比更高的电机驱动方案，更加注重实用性。在电机驱动方案中，伺服驱动器将位置、速度、扭矩告诉伺服电机，伺服电机将接收到的电压信号转换为扭矩、转速，减速器可以增加扭矩，优化低速运动的平稳性。虽然扭矩密度远低于液压驱动，但电机驱动可以通过搭配减速器来加以补足，其现有技术已能满足机器人的多数运动需求，同时拥有能量转化效率、易维护、低成本、零件规整等优势。据一位机器人行业的资深产品经理透露，这一驱动方式通过位置、速度、力矩来实现对机器人的闭环控制，使精度更高。在机器人系统中，伺服电机能做到“说停就停、说走就走”，让执行系统能够“绝对服从”控制系统的命令。因用途不同，用在不同机器人“关节”位置的驱动器，在物理指标、执行任务强度和功率方面均不相同。为了找出最优的驱动器方案，科技公司多选择定制驱动器的路线。例如，小米“铁大”全身有5种关节驱动器，行走时速能够达到3.6km/h。其上肢关节能够灵活运动，得益于小米为其研发的一个重量为500克、额定输出扭矩高达30N·m的高效电机。特斯拉研究人员利用算法为“擎天柱”定制出6款最优的驱动器，包含3种线性驱动器（采用永磁电机）和3种旋转驱动器（采用谐波减速器），以满足不同关节的效率需求并兼顾成本。周三（2024年3月6日），A股市场早盘低开，午后开始反弹。上证指数涨上证指数跌0.26%，报3039...
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