前 言

双足人形机器人被誉为“制造业皇冠上的瑰宝”，它集成了多种人工智能子领域，如通用语言智能、逻辑推理智能、感知智能、运动控制智能和情感智能等，是具身智能（Embodied Intelligence）的直接体现。此外，双足人形机器人也是机械制造精度、使用寿命、复杂度和成本要求极高的集合体。

在许多应用场合，双足人形机器人可协助或可替代人类工作，如家庭助手、灾难救援、防爆和反恐等。科学家和科技企业长期以来都在追求机器人的运动性能，以期达到或接近人类的水平。然而，无论是本田的ASIMO，还是波士顿动力的ATLAS，亦或是优必选的Walker，它们的运动性能都远远未能达到或超越人类或动物。

2022年9月30日，特斯拉首席执行官马斯克在特斯拉AI Day上展示了特斯拉的第一个人形机器人原型Optimus。在舞台上，机器人以缓慢的速度挥手，展示了简单的舞蹈动作。特斯拉还展示了一些机器人执行其他任务的视频片段，如搬箱子、给花浇水。马斯克表示，“机器人能做的事情比我们展示的要多得多。我们只是不希望它摔倒。”

从阿童木、变形金刚、高达、机器猫、新世纪福音战士、战斗天使阿丽塔，到特斯拉机器人，实现梦想的道路上还有许多技术难关需要攻克。尽管如此，正如马斯克所说，“这将是文明的根本转变。”

“我认为这个需求可能达到100亿台，这是一个疯狂的数字。”马斯克还强调，“机器人的需求将超过汽车，特斯拉的长期价值主要将体现在Optimus上。我对这个预测充满信心。”

今天，我们或许正站在人类最伟大发明的起点。

人形机器人核心硬件——驱动器

机器人关节驱动器（亦被称为机电执行器）是双足人形机器人的核心组件，并在此类机器人的生产成本中占据极高份额，约占总成本的50%。驱动器的动力来源可以划分为液压、气动、电机驱动、记忆金属、生物类（如心肌细胞）等类别。从当前主流的人形机器人来看，仅有波士顿动力公司选择液压驱动方式，而其他大部分的机器人都使用的是电机驱动的驱动器。电机驱动器主要由电机、减速器、编码器、控制板和控制软件等组件构成。

在设计双足人形机器人关节运动时，可以参照人类自身的运动方式。例如，其运动速度较快、机动性能优良、步幅和步频多样化、着地点分散、能够承受一定程度的高速碰撞等运动特性。为了满足这些运动需求，驱动器需要具备高能量密度、高响应性、高能量利用效率和抗冲击性等特性。

1971年，早稻田大学加藤一郎教授成功地开发了全球首款三维双足机器人WAP-3，实现了行走的能力，为双足人形机器人的研发开启了序章。

1983年，早稻田大学研究的WL-10R机器人开始采用刚性驱动器TSA (traditional stiffness actuator)作为关节动力源。自那时起，双足人形机器人开始广泛使用刚性驱动器。

1995年，麻省理工学院的Pratt等人提出了弹性驱动器SEA (series elastic actuator)的概念，这标志着弹性驱动器研究的开始。美国宇航局的机器人Valkyrie和意大利技术研究院的机器人Walk-Man都使用了弹性驱动器。

2016年，Wensing等人提出了准直驱驱动器PA (proprioceptive actuator)的概念，并将其应用在了四足机器人Cheetah和双足机器人Hermes中。现今，准直驱驱动器在四足机器人领域被广泛应用。

刚性驱动器

刚性驱动器主要由电机、高传动比减速器、编码器、力矩传感器和控制板等组成。

在当前市场上，主流关节设计均采用谐波减速器。工程师们的主要工作集中在优化驱动器设计流程，构建电机和减速器参数的动力学模型。然而，基于元器件的工艺和原理限制，传统的刚性驱动器在功率密度上难以达到与生物肌肉相媲美的水平。

因此，尽管刚性驱动器仍然是市场主流的人形机器人关节方案，但对其中减速器的需求仍未被完全满足。新型的，结合RV和谐波两种减速器优点的减速器，将成为未来的发展方向。

弹性驱动器

机器人所使用的刚性驱动器，在行走、奔跑和跳跃等行为的执行能力上，明显无法比肩人类与动物的水平。而人类与动物则是利用肌肉系统来完成这些动作。动物的骨骼肌肉系统，具备刚柔并济的特性，能够在运动过程中储存并释放能量，调节能量在时间和功率密度上的不对称性，提升关节的瞬时爆发力，高效循环利用能量，实现着陆的缓冲效果。因此，科研人员研究多种自适应的弹性驱动器，以模拟肌肉系统的功能，使关节能够表现出柔韧、安全和高效的能量效率特性。

此外，针对单一驱动器无法满足机器人在瞬间产生高输出扭矩、能量效率和抗冲击能力需求的问题，工程师提出了采用多模式弹性驱动器的概念。

 特斯拉在Optimus机器人项目中充分汲取了弹性驱动器研究的经验，创新性地在人形机器人设计中采用了滚柱丝杠的线性关节驱动方案，在提升能源利用效率和减震性能方面获得了显著的成果。同时，这也使得滚柱丝杠这一机械结构得以进入公众的视线之中。

准直驱驱动器

准直驱驱动器，亦称本体驱动器，其含义为依赖驱动器电机的开环力控，无需额外的力或力矩传感器，就能感知机器人脚部与外界交互的力。在理想状态下，电机直驱驱动器是最佳选择，但由于电机工艺和技术的限制，电机直驱驱动器的扭矩密度难以满足机器人应用的需求。因此，采用了电机加低传动比减速器的折衷方案，同时要求负载质量和转动惯量尽可能小，以实现高带宽力控和良好的抗冲击能力。准直驱驱动器主要由高扭矩密度电机、低传动比减速器、编码器和控制板等组成。

准直驱驱动器具有较高的功率密度，宽广的力控带宽，以及强大的抗冲击能力。然而，由于其负载能力相对较弱、转动惯量需要较小，目前主要应用于四足狗和八足蜘蛛等仿生机器人。在人形机器人领域的应用相对较少，特斯拉机器人并未采纳相关设计方案。

驱动器技术难点

刚性驱动器最早被引入到双足人形机器人的设计中，其相关的理论框架也趋于成熟，已在传统双足机器人、工业机器人、协作机器人及工业精密转台等多领域得以广泛应用。然而，受制于电机及减速器的功率密度，在适宜工作区间内的最大输出功率密度只能达到200至300瓦/千克，与动物肌肉的500瓦/千克相比，存在显著差距，从而限制了其在双足人形机器人上的应用。

目前刚性驱动器最大的难点在于新型减速器的研发。

弹性驱动器已经历了漫长的发展历程，积累了众多成果。但是，由于弹性体的引入，导致系统为欠驱动系统，控制问题凸显，特别是在机器人腿部使用时，实现整机运动控制存在较大难度。

准直驱驱动器是近年来的新兴技术，发展迅速，得到了多产品应用，如麻省理工学院的Cheetah、宇树科技的Laikago以及云深处科技的绝影等。设计的初衷是提高驱动器的扭矩密度、瞬间响应性和抗冲击能力，同时降低成本。然而，负载质量和转动惯量的限制要求也限制了准直驱动器的应用范围。基于上述原因，目前准直驱动器的应用以四足、六足、八足等为主，应用到双足的难度较大。

刚性驱动器的核心——减速器

目前，在机器人应用中主要有两种类型的减速器，一种是谐波减速器，另一种是RV减速器。

谐波传动起源于美苏之间的争霸时期，主要目的是满足紧凑、轻便和体积小的传动需求。这个概念最初由苏联的科学家提出。美国发明家马瑟运用了金属的挠性和弹性力学原理，设计出实用的谐波减速器。他在1955年提交了专利申请，1959年获得批准，并在1960年的纽约展示了原型。下图展示了谐波减速器的主要组成部分，包括刚性轮、柔性轮和波发生器三部分。

谐波减速器的核心优势在于其简约的零部件数量，便捷的安装程序和较低的生产成本。同时，它具备体积小、重量轻和高精度的优势，相较于传统齿轮装置，体积只有三分之一，重量只有二分之一，却能维持相等的转矩容量和减速比，实现了紧凑型的轻量化设计。然而，谐波减速器的主要缺点在于其刚性不足，对冲击的耐受力较弱，以及扭矩承载力不足。

对于人形机器人来说，谐波减速器在上肢和手腕等部位有出色的适用性，但在髋部和腿部等部位，却稍显不足。

而现在广泛应用于工业机器人及协作机器人的RV减速器则最早出现于日本。RV减速器是在传统摆线针轮、行星齿轮传动装置的基础上发展起来的传动机构。它由日本纳博特斯克（Nabtesco）公司的前身——日本帝人制机公司于1985年完成研发。

相较于谐波减速器，RV减速器的关键优势在于其加工工艺和装配工艺。它具有较高的疲劳强度、刚度和使用寿命，与谐波传动不同，RV减速器的运动精度随着使用时间的增长并不会显著降低。然而，其缺点在于重量较大和外形尺寸较大，这在一定程度上限制了其在人形机器人上的应用。

减速器的竞争格局

减速器是机器人核心领域的核心，其中，欧洲及日本的企业，以其技术实力和规模效应占优。在减速器的材料选取、设计水平、质量管控、精度保证、功率密度、可靠性及使用寿命等关键性能维度，德国、日本的企业展现出领先优势。全球减速器产业的领军者，包括日本的纳博特斯克和哈默纳克，欧洲的SEW和弗兰德，以及其他国际知名的减速器制造商，如德国的伦茨、布雷维尼、邦飞利，日本的住友以及德国的诺德等。

RV减速器与谐波减速器由两家日本企业占据着市场的主导地位。纳博特斯克，作为RV减速器的巨头，其市场影响力深厚。根据纳博特斯克2021年的年度报告，其在全球市场的占有率高达60%。截至2021年年底，纳博特斯克的RV减速器产能达到95万台，预计在2022年底将进一步扩产至106万台，大幅度超过了国内厂商，如中大力德、环动科技等合计的74万台总产能。在谐波减速器市场，哈默那科处于主导地位，仅在2022年3月，哈默那科的谐波减速器产能就已达到150万台（不包括车载部分），加上车载合计为222万台产能，而国内的绿的谐波和来福谐波等品牌的产能总和则为140万台。

下图是两种常见减速器在中国市场的占有率，从中也可以看到日本两大巨头的领先优势。

2022年中国工业机器人用谐波减速器市场占比情况（单位：%）

2022年中国工业机器人用RV减速器市场占比情况（单位：%）

减速器的研发难度

减速器作为精密机械装置，其研发难度无外乎三点：设计、材料、机加工精度。

设计，以谐波减速器的齿形设计为例。由于谐波减速器的传动原理是两个齿轮间的啮合运动，且柔轮不断发生形变，齿轮的高度、宽度、形状等设计对其减速性能具有显著影响。传统的齿形设计为渐开线齿轮，而哈默那科首先设计出IH齿形，绿的谐波采用三次谐波理论，创新研发P型齿，从而提高了精度与刚度。

材料：减速器对材料的一致性、载荷、精度、疲劳寿命都有严格要求，而普通金属和合金难以满足这些要求。因此，优秀的减速器研发一定是伴随着金属材料的进步。

机加工精度：减速器主要由各种齿轮组成，对机加工和切割的要求较高，有些过程仍然依赖于员工的经验积累。此外，机加工的一致性也非常重要，在规模化量产的情况下，提高良品率、保持产品一致性具有很大难度。

中国驱动器与减速器行业的未来

不可否认，当前在RV减速器及谐波减速器领域，中国企业与日本企业仍存在显著差距，这种差距主要体现在产品性能和产能规模方面。然而，我们也需认识到，在国家政策大力扶持下，中国企业已经取得显著进步，并已经在国内市场开始抢占日本企业的份额，同时也已经在全球范围内向着国际企业供货。

此处，借用我国某知名的减速器专家的观点，我国减速器发展的优势主要体现在四个方面。

第一，高层领导重视、时刻关注，国家与企业研发投入巨大；第二，中国的人才储备已经超过日本，日本现在懂RV减速器的专家只有3个，而我们国家有20多个；第三，自动化优势，日本减速器企业自动化水平低，基本靠的是老师傅的工装水平，而我国的自动化水平较高，未来发展潜力巨大；第四，成本优势，以谐波减速器为例，日本同行的价格约为3000-4000元，而国产同水平减速器价格约为2000-2500元，性价比更高。

我国的减速器企业基本都是从齿轮企业进化未来，在未来可预见的3-5年，中国的高精度减速器将在技术水平上达到日本同行的水平，那时，减速器将不再成为卡脖子产品。

而驱动器则是减速器、电机、编码器等共同组成的组件，对厂家的要求则更加综合，需要能够综合电子、计算机、机械精加工等多种行业经验。目前在人形机器人领域，身位领先的企业都是从汽车配套产业链而来，如三花智控、拓普集团等。

以下为我国主要减速器生产企业的产品类型及销售规模对比：

写在最后

随着工业自动化在各种领域的深化实践，中国的机器人驱动器企业与减速器企业正在迎来最好的发展阶段。而随着特斯拉人形机器人持续地更新迭代，以及国内各大厂商在人形机器人领域的深度研发，机器人驱动器企业与减速器企业将迎来一个更为广阔的发展空间，行业的增长天花板正在持续地提升。

我们深信，那些愿意加大研发投入，不断进行创新，锐意进取，并且具备优秀管理和人才的企业，将在这个长坡厚雪的竞争赛道中，获得丰厚的收益。

星辰大海，前途无量。

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