人形机器人的执行器有多重要？投资机器人必须要了解这几点

近日，A股上市的拓普集团（特斯拉产业链核心公司）在其2023年中报披露，公司研发的机器人直线执行器和旋转执行器，已经多次向客户送样，项目要求自 2024年一季度开始进入量产爬坡阶段，初始订单为每周 100 台。为满足客户要求，公司需要本年度完成 4 套生产线的安装调试，形成年产 10 万台的一期产能，后续将年产能提升至百万台。

马斯克在特斯拉第二季度财报电话会议上透露，人形机器人产能受限的主要原因是缺乏现成的执行器。目前暂时没有供应商生产人形机器人所需的执行器。

由于目前人形机器人的结构尚未定型，故更多是根据结构和性能对执行器进行选择，以前的通用型执行器很难满足当前的创新型需求。

那么，人形机器人执行器有哪些核心部件？该领域的壁垒和发展趋势是怎样的？人形机器人的量产离不开执行器的哪些技术进步？

核心看点：

1. 人形机器人的执行器，又称一体化关节，位于机器人上肢的肩、肘、腕和下肢的髋、膝、踝等部位，具有联接、驱动的作用，可实现肢体的灵活动作，是机器人组成的重要部件。

2. 核心部分是电机、驱动器、减速器，因为它们控制人形机器人运动，且占总成本比例最高。

3. 减速器是机器人执行器里非常重要的部件，用来提高电机输出的扭矩和精度。谐波减速器的国产化成熟，体积小、精度高。RV减速器主要用于工业机械臂。行星减速器的输出速度较快，使机器人动作响应快，承载力大，主要用于下肢。

4. 执行器的发展趋势是小型化、轻量化、输出扭矩更大、精度更高。

5. 驱动器的壁垒在于软件和硬件；减速器、电机国内企业做得都不错。

6. 人形机器人的量产过程需要提升执行器的功率密度限制，也就是需要执行器体积更小，输出的功率更大。

Q：机器人的执行器的构成是怎样的？为什么说这是机器人的核心部分？根据您的了解，执行器各部分的价值量如何？

一般地，机器人的电机、驱动器、减速器、编码器、传感器共同构成机器人的执行器。机器人的执行器，又被称作一体化关节，位于肩关节、肘关节、髋关节、膝关节等部位，可实现机器人的摆臂、行走、奔跑和跳跃等驱动动作。

人形机器人上用的执行器的动力源基本上都是旋转电机，结合不同类型的减速器可实现旋转或直线运动。旋转执行器和线性执行器的主要区别是，旋转执行器输出旋转运动，线性执行器是将旋转运动转换成直线往复运动。

人形机器人执行器的核心部分是前三者：电机、驱动器、减速器。

为什么电机、驱动器、减速器是核心呢？

首先，它们与机器人的运动密切相关。电机和减速器作为机器人的动力驱动，驱动器则控制电机的位置、速度和电流，结合感知器件，保证机器人的运动平稳。

另外，由于三大核心部件在单台机器人上的使用数量相对较多，其成本占机器人总体成本的比例较高，分别为电机占比25-30%、减速器占比25%左右、控制器占比20%左右，占总体成本的70%左右。

通常机器人的一只胳膊或一条腿上至少有6个关节，那么一个机器人至少有24个关节，加上头和腰的关节，就需要更多，有的机器人的关节多达40余个。

而感知装置如激光雷达、视觉传感器、姿态传感器的使用数量相对较少，，相对于几十个的关节来说，感知装置的数量占比较小。本体结构件和轴承五金件等成本占比也相对较低。

目前，国内一台中高端人形机器人的核心器件成本约100万元（采用24个一体化关节，每个关节大约3~5万元），感知器件成本在6~10万元，躯体结构、五金件成本在20~30万元，软件控制部分50万元左右，整机成本将近200万元。

Q：机器人概念火爆以来，二级市场上关注度最高的方向之一是减速器，它为什么重要？目前人形机器人使用的不同种类的减速器各有什么特点？

减速器是机器人执行器里非常重要的部分，用来增大电机输出力矩实现更大的驱动力量。其原理类似于小齿轮带动大齿轮，将小的力量转换成大的力量。当然，在此过程中，速度会下降，但控制精度也都有所提升。

十几年前，谐波减速器和RV减速器国内都还没有自主技术，全部需要进口，成本非常高，供货周期也很长。现在很多国内企业攻克了这些技术，谐波减速器国产化做得非常好，RV减速器也有多家国内企业在做。

RV减速器一般用于机械臂，比如工业机器人的机械臂承载相对较大的关节部位。因为RV减速器的结构较大，承载性能较好，所以其速度、精度都相对较好控制。

谐波减速器体积小，输出力随着减速比的增大而增大，精度也是较高的。唯一的问题就是输入输出的相应时间略低一点。

随着减速器的发展，其种类也在增加。我们的机器人还采用了行星减速器，类似于齿轮结构。还有滚柱丝杆减速器也在逐步兴起和使用。

为什么我们用行星减速器？因为行星减速器的输出速度更快，我们发现，用行星减速器替代谐波减速器是一个相对不错的解决方案。

行星减速器的输出转速比较快，带来的一个好处是机器人响应快。什么叫响应？就是动作跟得上，腿脚灵活。机器人和人一样，一旦不灵活就会出现平衡问题。比如一个机器人想要迈步，虽然一条腿已经迈出去，但另一条腿站在地上，来不及跟上，这会不平衡，也就是，没等另一条腿落地，机器人就摔倒了，这就是响应慢。因此，为了加快跑跳等动作中的响应，需要提升关节的输出转速，简单说就是：关节的动作要能跟得上。

另一个好处是适合力控。什么是力控？人走路时，脚踩下去受到反作用力，如果感觉到硌脚，就需要自我调整腿部姿势以保证身体平衡。结合仿人原理，机器人踩到一个物体上，就会通过腿部执行机构的传感器采集状态并快速反馈给电机，电机再进行相应的动作调整，使机器人能够快速做出响应动作，这就保证了机器人下肢的运动平稳。

机器人的力控相对复杂，不像位置控制那样通过几个简单的位置传感器就能实现，而是通过力传感器与各种算法结合实现。还有一种方式是，通过电流大小控制电机的转速快慢，实现电机的力控。

无论哪种方式实现力控，都需要减速器反应特别快。行星减速器更适合这种情况，因为它减速比很小，速度快，反应更灵敏。如果用谐波减速器，电机就难以实现这么快的响应。因此，行星减速器更加符合力控原则。

而且，行星齿轮比谐波齿轮的承载力更大。比如遇到一个大的冲击怎么办？如果力量小或强度不够，齿轮或者整个减速器就会坏掉。有些机器人的下肢需要执行跑、跳动作，会遇到很大的载荷的冲击，减速器如果不耐冲击，机器人落地后就容易损坏。

Q：现在人形机器人的减速器成本是多少？

行星减速器的价格是几千元，做行星减速器的企业很多，但是做人形机器人的一体化关节中的行星减速器可能只有少数几家。

谐波减速器的成本低一点，具体价格取决于型号。种类较多，从一千多到三千多不等，几百元的可能也有。国内做得比较好的有绿的谐波，产能59万台；大族精密、同川科技、来福谐波，10万产能；中大力德，5万产能。

Q：减速器有多种类型，未来会以某一种或几种为标准吗？

根据需求选择不同类型的减速器。如果应用在下肢髋关节等，因为承载较大重量，所以用承载力大的电机和减速器；如果用在上肢，这些承载重量小的部位，就用体积略小、输出精度高的减速器。

一般将行星减速器用在下肢，因为下肢的承载力大，并且需要动作灵活。谐波减速器的精度高一点，但承载力稍弱，所以基本放在上肢。当然下肢用谐波减速器，上肢用滚柱丝杆也是有的。

目前来看，没有固定的应用标准。要看最后哪种形式的效果更好，那么可能它就会成为标准。当然，未来也可能是各种类型的减速器共存，百花齐放。

除了用行星减速器，关节还可以用滚柱丝杠，丝杠的承载力大，减速比很大，效率低。当然，因为承载力大，也经常用在下肢，取决于本体的结构如何搭配。

Q：既然减速器尚未形成固定标准，那么整体上执行器的发展趋势如何？

执行器将电机、减速器、编码器集成到一起，有的还包括驱动器和制动器。小型化、轻量化、输出扭矩更大、精度更高是发展趋势，要找到体积尽可能小且输出力量尽可能大的平衡点。

体积大的好处是成本低。如果执行器太小，就需要精密加工甚至超精加工，由于这种加工设备制造难度大、成本较高，这部分费用就增加在执行器部件的成本上。所以执行器越小，成本越高。

Q：接下来将怎样降低执行器的成本，促进人形机器人的量产？

目前成本受制于多方面因素：材料、元器件、技术经验等。以驱动器为例，国外做得很好的是Elmo公司，用了十年、十个亿做到现在的水平，我们不可能以同样的费用和时间去做。只能先购买，一个驱动器要大几千甚至一万多。

随着时间的推移，技术越来越成熟，成本有望被平摊。机器人厂家、外协厂家开辟这项新业务，目前不靠它盈利，需要用盈利的业务去养它。有了技术、人才、关系等积累，未来可能有爆发式增长，成本也会相应变化。

Q：驱动器、电机、减速器有哪些壁垒？

驱动器：壁垒是硬件和软件。硬件方面，各个元器件如芯片，目前国内还难以突破其技术难点。软件方面也是如此，国外企业用较长年限时间将软件功能打磨得非常友好，国内企业短期难以望其项背。

目前国内高端驱动器相对国外还是有点差距，从零部件设计，到整体系统架构，再到软件开发，仍需要不断地技术积累。

减速器： 目前国产化技术水平不断攀升，例如谐波减速器，从国外垄断时我国便开始自主研发，打破了垄断局面，实现技术突破。

电机：很多国内企业为了打破垄断也在进行中高端无框电机的自主研发。在性能方面，有些已经实现超越，而且成本价格和供货周期都优于国外水平。

Q：执行器是机器人的核心部分，有哪些执行器方面的因素限制人形机器人走向量产？

机器人执行器的小型化是一个重要限制。以电机为例，更大的电机，自然力量会大。如果做小，且产生足够力量，就要往电机的“肚子”里填装更多功能材料。

另一个问题是实现生产的自动化。目前人形机器人的电机加工大部分由人工完成。举个例子，电机定子绕铜线，为了尽可能装的更满，边边角角都要塞，这是目前自动化做不到的，也没有现成设备来做，只能通过半自动，甚至全人工的方式去做。

随着机器人市场的资本投入，未来量产扩充生产线，用新设备去实现全过程自动化，虽然这个设备成本可能动辄几百万，上达几千万，但平摊到量产的零部件费用已经是微乎其微了。

Q：拓普集团给特斯拉送样的执行器的水平在行业内如何？

首先，提到送样的话说明已经成功研发出来了，很期待它的应用。另外，它的执行系统已经把旋转和直线合到一起进行了一系列的技术迭代，说明还是很有实力。

第二，从实现机器人的运动可靠性方面讲，对于拓普集团送样的执行器的精度和稳定性要求是比较高的，那么在保证较低成本的情况下，能否实现这么高的精度，维持机器人运动的稳定性，目前还没有见过哪个机器人能做到这么好的动态运动。