人形机器人黑科技解密：后空翻、动手指都靠它

人形机器人能跑能跳的关键，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”驱动器同样如此。

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？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”。

想让机器人玩杂技？先炼好“人工关节”

人形机器人有4大核心组件，分别是传感系统（对应五官）、控制系统（对应大脑）、执行机构（对应四肢）和驱动系统（对应关节组织）。

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890Nm，髋关节扭矩达840Nm。小米“铁大”的髋关节主要电机瞬时峰值扭矩可达到300Nm。

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。

波士顿动力VS特斯拉小米，驱动器差别有多大？

为什么集聚了强大工程师团队的小米“铁大”、特斯拉“擎天柱”，没能做到像波士顿动力Atlas那样高燃跑酷？

优必选科技人形机器人创新中心负责人表示，从时间维度看，特斯拉、小米机器人刚开发一年多，在软件运控层面还有很大的提升空间；从技术方案看，特斯拉和小米机器人采用的电机驱动方案，Atlas采用的液压传动方案，驱动器集中性和功率密度不在同一层次。

而技术路线的差异，归根究底是特斯拉、小米研发人形机器人的用途定位和预期功能，与波士顿动力存在本质上的不同，导致成本亦相差很大。

波士顿动力Atlas主打挑战极限的炫技动作，因此选用功率大的液压驱动。其核心原理是通过液体压缩泵产生高压液体，高压强作用于缸体产生巨大推力，带动机器人关节运动。这也是Atlas能做出高难度绝技的秘诀。

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。

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。

其中，线性驱动器用于推拉，比如让机器人手臂向前或向后伸展；旋转驱动器用于转动动作，有直流电机、伺服电机、步进电机等常见类型。这些驱动器能驱动完成不同角度的动作。基于这些设计，“擎天柱”的手腕、脚掌都能灵活转动。

从精简成6 款驱动器可以看出，特斯拉奔向“大规模量产”、2万美元成本目标的设计思路非常明确，通过实现更多硬件重复可替代，压低总体成本，并让所有的驱动器都能高效工作。

在设计过程中，特斯拉结合收集到的真实世界数据，在虚拟空间中做机器人走路、转身模拟，用人工智能算法反复测算扭矩、速度等数据，分析出能够更好兼顾质量、效率、能耗、成本平衡的最佳驱动器设计。

在承重能力上，特斯拉研发的腿部线性驱动器，通过集成伺服电机、减速器、丝杠、传感器、一体化运动单元等零部件，做到了精准的速度控制、位置控制和力控制，在极限测试中能提起一架500kg重的钢琴。

除此之外，特斯拉“擎天柱”还有一大看点——设计出与人手非常相似的机械手。

“擎天柱”的每只手拥有11个精细的自由度，结合控制软件，能完成像人手般复杂灵巧的操作，并能承担大约9公斤的负重。驱动器通过齿轮驱动一根金属线来控制手指弯曲，并集成了感应器和锁定装置，以更加节省能耗。

相比之下，很多人形机器人的手部设计都较为简单，例如Atlas的手像个浴霸，“铁大”的手没有手指。它们能开门、能抓握，但碰到像“穿针”这样的精细活儿，就会一筹莫展。

为了保护包括驱动器在内的核心组件避免因碰撞等突发情况造成损坏，特斯拉工程师借鉴了以往在车辆安全测试上获得的技术跟经验，用软件模拟机器人摔倒等状况，通过调整机体，把伤害控制在表面。

在供电上，波士顿动力Atlas与特斯拉“擎天柱”的差别也很显著。Atlas的3.7kWh电池组只能撑起大约1小时的活动，特斯拉则声称“擎天柱”的2.3kWh电池能供应其一整天工作所需的电量。

50 年演进3大路线，人工肌肉或成未来主要研究

回溯发展历程，人形机器人驱动器的技术演进经历了3个阶段：传统刚性驱动器、弹性驱动器、准直驱驱动器。

早先从1983年日本早稻田大学研发出WL-10R机器人起，传统刚性驱动器被广泛用到人形机器人中。这种驱动器的最大输出功率密度只能达到200～300W/kg，与生物肌肉500W/kg的功能密度相差较远，因此在人形机器人上的应用受限。

弹性驱动器、准直驱驱动器均由麻省理工学院提出。弹性驱动器SEA最早提出于1995年，通过模拟具有弹性的肌肉系统，让关节的动作变得更加流畅。但因其弹性体的控制难度较高，该驱动器难以做到精准控制机器人的动作。

近年趋热的准直驱驱动器是在2016年提出。准直驱驱动器依靠驱动器电机开环力控，不依赖于附加力或力矩传感器，就可以本体感知机器人脚部和外界的交互力，也被称为本体驱动器。

从具体构成来看，传统刚性驱动器由电机、高传动比减速器、刚性力矩传感器、输出端组成，其中刚性力矩传感器是可选择项；弹性驱动器则在高传动比减速器与输出端之间加了弹性体，用位置传感器检测弹性体的形变，可以推断出力矩的大小；而准直驱驱动器改成了高力矩密度电机+低传动比减速器的组合，通过电机的电流大小间接推断出输出力矩的大小。

更理想的方案是电机直接驱动，但由于现有电机技术的限制，电机直接驱动的扭矩密度达不到机器人关节应用的需求，因此，辅以减速器是一个折中方案。

同时，要求负载质量和转动惯量尽可能的小，可以实现高带宽力控和良好的抗冲击能力，满足人形机器人对小尺寸关节的需求。

未来，结合5G、人工智能、云计算等技术，驱动器还有望在云上实现相互通信，检测和监控驱动器的实时状态。

“人形机器人驱动器经历了由刚性驱动器向弹性驱动器和准直驱驱动器的技术演进。弹性驱动器和机器人整体优化，甚至人工肌肉研究都是未来发展方向。”专家表示，仿生机构都远没有达到人类骨骼肌肉系统的能力，机构的主动件驱动器也没有达到人类肌肉的水准，因此这一方向未来还有很大的发展空间。

在科技巨头带动下，驱动器的发展前景，正让相关国产厂商受到更多资本的关注。

在长达半个世纪的人形机器人研究中，驱动器等核心软硬件一直在迭代进化，但迄今距离完全类人的运动性能仍然遥远。人形机器人对于关节自由度和灵活度提出了更高要求，规模化商用的目标又对硬件成本提出更苛刻的限制。

迈入2023年，我们期待看到更多“化繁为简”的设计理念，进一步优化驱动器等核心组件的性能与成本，打开人形机器人进入家庭的想象力之门。