人形機(jī)器人的執(zhí)行器也成為一體化關(guān)節(jié)，是其硬件系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的部件，主要負(fù)責(zé)將能量轉(zhuǎn)化為機(jī)器人的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。執(zhí)行器可以按照不同的方式進(jìn)行分類：

　　按運(yùn)動(dòng)類型：分為旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器(Rotary Actuator)和直線/線性執(zhí)行器(Linear Actuator)。旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器用于使機(jī)器人的關(guān)節(jié)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而直線執(zhí)行器則用于推拉動(dòng)作，如手臂的伸展。

　　按動(dòng)力來(lái)源：分為液壓(Hydraulic)、氣動(dòng)(Pneumatic)或電機(jī)執(zhí)行器(Electric)。在人形機(jī)器人中，電機(jī)執(zhí)行器因其精度高、噪音小和易于聯(lián)網(wǎng)反饋信息而常用。

　　按驅(qū)動(dòng)方式：分為剛性執(zhí)行器(Traditional Stiffness Actuator, TSA)、彈性執(zhí)行器(Series Elastic Actuator, SEA)和準(zhǔn)直驅(qū)執(zhí)行器(Proprioceptive Actuator, PA)。剛性執(zhí)行器主要由電機(jī)、減速器、編碼器和力矩傳感器等組成。彈性執(zhí)行器模擬肌肉系統(tǒng)，提供柔順性和高能量效率。準(zhǔn)直驅(qū)執(zhí)行器則不依賴于附加力或力矩傳感器，能夠直接感知機(jī)器人與外界的交互力。目前剛性執(zhí)行器是主流方案，準(zhǔn)直驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器是近幾年的研究熱點(diǎn)。

執(zhí)行器原理，來(lái)源:《智能電動(dòng)執(zhí)行器關(guān)鍵技術(shù)的研究和開發(fā)(2012 年)》

　　01、關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

　　人形機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)反映了其可勝任的工作、具有的最高操作性能等情況。主要包括自由度、額定負(fù)載、工作空間、工作精度等，以下是一些主要技術(shù)參數(shù)的詳細(xì)解釋：

　　1、自由度(Degrees of Freedom, DOF)：

　　指的是機(jī)器人能夠獨(dú)立控制的運(yùn)動(dòng)方向的數(shù)量，是根據(jù)其用途設(shè)計(jì)的。人形機(jī)器人通常模仿人類的動(dòng)作，自由度越多，機(jī)器人就越能接近人手的動(dòng)作機(jī)能，通用性越好，可用直線移動(dòng)、擺動(dòng)或者旋轉(zhuǎn)動(dòng)作的數(shù)目來(lái)表示。自由度越多，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，對(duì)機(jī)器人的整體要求越高。

　　2、額定負(fù)載(Rated Load)：

　　也稱有效負(fù)荷，指機(jī)器人在正常操作條件下能夠持續(xù)承載的最大重量。這通常影響機(jī)器人的搬運(yùn)和操作能力。當(dāng)負(fù)載較大時(shí)，提高電機(jī)的功率不劃算，可以在適宜的速度范圍內(nèi)，通過(guò)減速器來(lái)提高輸出扭矩。

　　3、工作空間(Work Space)：

　　又稱工作范圍、工作行程，描述機(jī)器人能夠到達(dá)的所有位置的區(qū)域。工作空間的大小和形狀取決于機(jī)器人的設(shè)計(jì)和關(guān)節(jié)的自由度，反映了機(jī)器人工作能力的大小，它不僅與機(jī)器人各連桿的尺寸有關(guān)，還與機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)有關(guān)。

　　4、工作精度(Working Accuracy)：

　　指機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)時(shí)能達(dá)到的位置精度和重復(fù)性。重復(fù)定位精度取決于機(jī)器人關(guān)節(jié)減速機(jī)及傳動(dòng)裝置的精度，絕對(duì)精度取決于機(jī)器人控制算法、編碼器精度、減速及傳動(dòng)裝置精度等的綜合表現(xiàn)。高精度的機(jī)器人適合執(zhí)行需要精細(xì)操作的任務(wù)。

　　其他參數(shù)還有工作速度(Working Speed)、控制方式(Control Mode)、驅(qū)動(dòng)方式(Actuation Method)、安裝方式(Mounting Method)、動(dòng)力源容量(Power Source Capacity)、本體質(zhì)量(Robot Mass)、環(huán)境參數(shù)(Environmental Parameters)等，這些參數(shù)決定了機(jī)器人能夠在何種環(huán)境下工作。這些技術(shù)參數(shù)共同定義了人形機(jī)器人的性能特征，決定了它們?cè)谔囟☉?yīng)用場(chǎng)景中的適用性和效率。設(shè)計(jì)和選擇人形機(jī)器人時(shí)，需要根據(jù)任務(wù)需求和工作環(huán)境來(lái)考慮這些參數(shù)，以確保機(jī)器人能夠滿足預(yù)期的工作要求。

　　02、案例：特斯拉Optimus執(zhí)行器技術(shù)框架

　　2022年10月1日，在特斯拉AI Day上發(fā)布Optimus;2023年12月14日 Tesla 發(fā)布了Optimus-Gen2。

　　1、主體自由度：Optimus包括28個(gè)自由度，包括14個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度(旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器)、14個(gè)線性自由度(線性執(zhí)行器);Optimus Gen2在脖頸處增加2個(gè)自由度，全身具備30個(gè)自由度。

　　2、靈巧手自由度：Optimus靈巧手具有6個(gè)主動(dòng)自由度、5個(gè)被動(dòng)自由度;Optimus-Gen2增加至11個(gè)主動(dòng)自由度，并在每個(gè)手指(指尖處)增加觸控式傳感器。

　　特斯拉 Optimus Gen2 執(zhí)行器方案來(lái)源：本末研究，機(jī)器人之心，特斯拉官網(wǎng)，長(zhǎng)城證券產(chǎn)業(yè)金融研究院 注：數(shù)字單位為個(gè)

　　線性執(zhí)行器

　　特斯拉 Optimus 線性執(zhí)行器的配置為：無(wú)框力矩電機(jī)*1+行星滾柱絲杠*1+力傳感器*1+編碼器*1+驅(qū)動(dòng)器+球軸承*1+四點(diǎn)接觸球軸承*1。

　　其中 1)電機(jī)：使用特斯拉自主研發(fā)的永磁電機(jī)。2)絲杠：使用反向式行星滾柱絲杠，具有較強(qiáng)剛性。3)編碼器：使用一個(gè)位置傳感器。4)力傳感器：由于絲杠沒有反驅(qū)性，配置力 傳感器。5)軸承：使用深溝球軸承、四點(diǎn)接觸球軸承。

特斯拉 Optimus 直線執(zhí)行器構(gòu)造，來(lái)源：特斯拉

　　旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器

　　特斯拉 Optimus 旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器的配置為：無(wú)框力矩電機(jī)*1+諧波減速器*1+力矩傳感器*1+編碼器*2+驅(qū)動(dòng)器*1+交叉滾子軸承*1+角接觸球軸承*1。

　　其中 1)電機(jī)：使用特斯拉自主研發(fā)的永磁電機(jī)。2)減速器：使用諧波減速器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，減速比大，傳動(dòng)精度和傳動(dòng)效率較高。3)位置傳感器：使用兩個(gè)，即雙編碼器，包括輸入位置編碼器、輸出位置編碼器。4)力傳感器：使用一個(gè)非接觸式扭矩傳感器。5)軸承：使用角接觸軸承、交叉滾子軸承。

特斯拉 Optimus 的旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器構(gòu)造，來(lái)源：特斯拉

　　03、細(xì)分核心零部件

　　執(zhí)行器核心零部件包括電機(jī)、減速器、絲杠、編碼器、力矩傳感器等。

　　1、電機(jī)(Motor)：執(zhí)行器系統(tǒng)的“血管”。

　　它根據(jù)所接收的力矩、速度、位置等指令信號(hào)，帶動(dòng)機(jī)械部件實(shí)現(xiàn)特定運(yùn)動(dòng)。同時(shí)電機(jī)中的多種傳感器，如編碼器、力傳感器等，還會(huì)將電機(jī)與機(jī)械部件的實(shí)時(shí)運(yùn)作信息反饋給驅(qū)動(dòng)器和控制器，從而完成精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)控制。執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)源，可以是直流電機(jī)、交流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)，選擇取決于所需的扭矩、速度、精度和控制要求。人形機(jī)器人主要采用集成度高、運(yùn)動(dòng)控制精度高、扭矩輸出效率高的無(wú)框力矩電機(jī)。

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　　一文熟悉人形機(jī)器人的“心臟”：控制電機(jī)

　　2、減速器(Reducer)：電機(jī)和傳動(dòng)裝置之間的橋梁。

　　其作用是將伺服電機(jī)輸出的高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)矩的動(dòng)力轉(zhuǎn)換為低轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩的動(dòng)力，從而使機(jī)器人能夠承受更大的負(fù)載，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)行。受限于電機(jī)工藝技術(shù)，目前在機(jī)器人執(zhí)行器中，減速器和電機(jī)通常搭配使用。常見的減速器類型包括諧波減速器、行星減速器和RV減速器等。

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　　3、絲杠(Lead Screw)：直線執(zhí)行器末端的線性傳動(dòng)裝置。

　　對(duì)于直線運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行器，絲杠將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)。通常與螺母配合使用，可以是滾珠絲杠或滑動(dòng)絲杠，提供精確的線性定位。受益于機(jī)器人等高端制造領(lǐng)域快速發(fā)展，高負(fù)載的行星滾柱絲杠具備較大發(fā)展?jié)摿Α?/p>

　　4、編碼器(Encoder)：驅(qū)控信息的反饋裝置。

　　用于測(cè)量和反饋執(zhí)行器的位置、速度和加速度。安裝在伺服電機(jī)上，通過(guò)將角位移(碼盤)或直線位移(碼尺)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的方式反饋轉(zhuǎn)子位置和速度，將所獲得的運(yùn)動(dòng)信息轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)并發(fā)送給驅(qū)動(dòng)器，以便其進(jìn)行信息比對(duì)，確保完成閉環(huán)控制。編碼器可以是光電的、磁性的或機(jī)械的，提供必要的反饋信息以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。常用于機(jī)器人的有光電編碼器、磁編碼器。目前光電編碼器技術(shù)更成熟，更達(dá)的精度更高。磁編碼器理論成本更低，未來(lái)前景可觀。

　　5、力矩傳感器(Torque Sensor)：電機(jī)輸出力矩的反饋裝置。

　　是用在執(zhí)行器末端的一種接觸式傳感器，用于測(cè)量執(zhí)行器關(guān)節(jié)的力矩輸出，對(duì)于需要精確控制力矩的應(yīng)用至關(guān)重要。力矩傳感器可以集成在電機(jī)軸或減速器輸出端。其核心零部件是彈性體(感應(yīng)元件)和應(yīng)變片(電阻轉(zhuǎn)換)。當(dāng)扭矩作用于傳感器時(shí)，傳感器內(nèi)部的感力元件會(huì)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電荷/電壓信號(hào)，這個(gè)信號(hào)與扭矩大小成正比，因此可以通過(guò)測(cè)量電壓信號(hào)來(lái)確定扭矩大小。

　　此外還有接收指令信號(hào)并控制電機(jī)的運(yùn)行的控制器(Controller);確保確保執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)部件的平穩(wěn)運(yùn)行，減少摩擦和磨損的軸承(Bearing);接收來(lái)自控制器的信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為適合電機(jī)的電流和電壓，以控制電機(jī)的速度和扭矩的驅(qū)動(dòng)器(Driver)。

　　下面從價(jià)值、行業(yè)壁壘、國(guó)產(chǎn)化程度進(jìn)行橫向?qū)Ρ雀髁悴考?/p>

　　價(jià)值量對(duì)比：力矩電機(jī)、行星滾柱絲杠、減速器、六維力/力矩傳感器及芯片/算力/大模型的價(jià)值量較大，其次為空心杯電機(jī)和力傳感器。

　　行業(yè)壁壘對(duì)比：行星滾柱絲杠、六維 力/力矩傳感器、慣性和觸覺/柔性傳感器以及芯片/算力/大模型的行業(yè)壁壘很高，其次為電機(jī)和其他零部件等。

　　國(guó)產(chǎn)化率對(duì)比：行星滾柱絲杠、慣性和觸覺/柔性傳感器的國(guó)產(chǎn)化率較低，但總體各零部件國(guó)產(chǎn)企業(yè)均處于追趕國(guó)際龍頭的過(guò)程中，部分環(huán)節(jié)技術(shù)水平達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先人形機(jī)器人各零部件的價(jià)值量、行業(yè)壁壘和國(guó)產(chǎn)化率的對(duì)比。

資料來(lái)源：特斯拉，浙商證券研究所

　　整體來(lái)看，人形機(jī)器人的核心零部件在價(jià)值量、行業(yè)壁壘和國(guó)產(chǎn)化率方面存在差異，但國(guó)產(chǎn)企業(yè)正通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新和市場(chǎng)拓展，逐步提升在這些領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力。隨著技術(shù)進(jìn)步和市場(chǎng)需求的增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)國(guó)產(chǎn)化率將進(jìn)一步提高，推動(dòng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。