人形机器人零部件详细分析——Tesla Optimus

一、 Optimus的参数情况

Optimus作为特斯拉在人形机器人领域中推出的代表产品，其在数次发布会中均展现了不同性能上的提高及技术上的优化。按照特斯拉的发展战略，Optimus极有可能在接下来几年内实现量产，从而推动人形机器人整个行业的商业化进程。本文将以Optimus为研究案例，仔细研究其零部件情况，进而研究人形机器人的整个产业链情况。

从Tesla Optimus参数可以看出——体型参数：完整版的Optimus人形机器人身高为172cm，体重为73kg，用电功率在静坐时为100W,慢走时为500W，整个构造超过200个自由度。电动核控制系统结构：躯干有28个执行器（不包括手指）+2.3kwh，52V电池组。躯干关节执行器：不同关节选用不同的执行器，有6种组合：3款旋转执行器和3款直线执行器，根据结构图预测，全身关节将分别使用14个旋转执行器和14个直线执行器。旋转执行器：主要由无框力矩电机+谐波减速器/行星减速器+力矩传感器+编码器+轴承组成；线性执行器：无框力矩电机/步进电机+行星滚注丝杠/滚珠丝杠+力矩传感器+编码器+轴承组成。手部结构：手部结构采用和人体相同的五指多关节设计，每手拥有6个执行器，11个自由度，可提起9kg物体，具有精确控制握持力输出的传感器。手部执行器：主要由空心杯电机+精密行星减速器+滚珠丝杆+传感器+编码器构成。

Optimus核心零部件分布

Optimus 核心零部件分布示意图

特斯拉官网发布的Optimus的核心零部件分布图，人形机器人的构成主要有：大脑、旋转关节、线性关节、电池组及灵巧手。

 特斯拉Optimus成本拆分测算

按照特斯拉人形机器人量产计划，每台Optimus的售价约2万美元，折算为人民币16万元。对Optimus的零部件进行拆分，结合量产价格进行假设，得出Optimus的成本拆分测算。其中运动控制及处理器这个模块预测由特斯拉自行研发架构，代工制造，占比成本也高达30.8%；其余成本占比较高的零部件包括：肢体骨骼、行星滚柱丝杆、无框力矩电机、谐波减速器等，关于这些零部件，特斯拉将从全球选取厂商进入其供应链。

关键零部件详细分析：

核心零部件分布情况

二、无框力矩电机

无框力矩电机是一种特殊结构的力矩电机，它由转子和定子构成，没有轴、轴承、外壳、反馈或端盖这些结构。其中定子既是外部部件，外面包覆着能产生电磁力的铜绕组，整体紧凑地安装在机器外壳的主体内；转子指的是内部部件，由带永磁体的旋转钢圆环组件构成，直接固定在机器轴上。

 无框力矩电机定子和转子结构图

无框力矩电机相比较于传统的力矩电机具备体积小、性能强、环境耐受度高等优势。对于人形机器人而言，其关节体积有限，需要在有限的体积内实现尽可能高的功率密度，从而达到最佳的活动效果。而无框力矩电机集成到机器人结构中，可去除联轴器、皮带等机器元件，最大限度地减小电机占用空间。机器人产业发展促进了无框力矩电机的进步与技术迭代。俄罗斯Mashinoappara在1984年推出了无框无刷力矩电机，但当时受限于技术水平，电机的转矩密度很低；近年来机器人行业的发展推动了永磁力矩电机的技术迭代，转矩密度、功率密度等性能指标是80年代的2-3倍，性能得到了很大程度的提升。

从收入体量看，海外品牌实力强劲，国产品牌规模仍较小。外资品牌发展较早，实力较强的企业有Kollmorgen、Allied motion、Parker、TQ Robodrive、Aerotech、TM TECH、Axsys、ETEL、Muirhead Aerospace、Gomtec。以Kollmorgen 为例，2022年营收规模达135.5亿元，相较于国内厂商优势明显。国内做得比较好的品牌主要有步科股份、昊志机电、汇川技术、禾川科技等。其中，步科股份全新第三代FMC无框力矩电机系列系自主研发设计，性能优于同业产品，产品尺寸可实现与国际接轨，相较于外资品牌成本优势明显，且可提供定制化解决方案；昊志机电的DD直驱电机运用独创的模块化定子结构、创新设计的电机冷却结构，使得电机的冷却效率最大化，进而提升了电机的输出特性。

三、 谐波/行星减速器

旋转关节使用的主要减速器是谐波减速器，部分较大关节可配合使用行星减速器，以提升抗冲击能力。

1、谐波减速器 

谐波减速器由波发生器、柔轮和刚轮三部分构成。（1）波发生器：图示绿色椭圆形部分，其内圈固定在凸轮上，中间部分是凸轮，外圈则是滚珠轴承，外圈通过滚珠发生弹性形变。（2）柔轮：图示粉红色部分，由柔性金属材料制成，外圈有齿。（3）刚轮：图示青色部分，使用刚性材料制成，内圈有齿。三部分可任意固定一个，其余一个主动、一个从动，实现减速或增速；也可变换成两个输入，一个输出，组成差动传动。实际使用中，通常固定刚轮，利用电机带动波发生器，柔轮输出转动。波发生器为椭圆形，将波发生器塞入柔轮，会迫使柔轮变为椭圆形，与波发生器紧密贴合。再将波发生器和柔轮的整体塞入刚轮，柔轮长轴两端的外齿刚好和刚轮的内齿啮合，而短轴两端的外齿与刚轮的内齿脱开。

谐波减速器构造图 

谐波减速器的原理核心在于柔轮和刚轮之间的“错齿运动”。波发生器轴承处连接电机，电机带动波发生器一起顺时针转动。转动过程中，椭圆形的波发生器会迫使柔轮不断变形，柔轮上的齿会顺时针依次与刚轮内圈的每一个齿啮合。一般情况下，柔轮比刚轮少两个齿，波发生器每顺时针转动一圈，就使得柔轮逆时针错位两个齿，随着电机的不断转动，这种错位效应连续起来，便表现为柔轮的逆时针转动。假设刚轮总共有200个齿，柔轮共有198个齿，电机带动波发生器每转动一圈，柔轮便会旋转2/200圈，即1/100圈。因此，电机需要转动100 圈，柔轮才会转动一圈，减速比为100。柔轮的转速比波发生器要小很多，这实现了降低电机转速和增大输出扭矩的效果。

 谐波加速器原理

行业壁垒：壁垒较高，伴随着研发、生产、销售等各个环节。谐波减速器厂商只有打通全环节，才能形成良性循环，不断发展壮大。

研发阶段：长期正向研发，形成成套技术体系是关键，柔轮材料、齿形和结构设计为行业痛点。对于成熟的谐波减速器厂商，若计划开发一款针对下游某应用场景的产品，可通过谐波减速器各项性能指标的补偿来实现，技术路线选择较为丰富。对于新进入的厂商，在开始抢占市场份额时往往会针对大品牌的某一种或几种产品进行逆向研发及仿制，最后产品即便质量合格，但逆向研发限制了公司技术的体系化，以及后续产品改良和创新。若不具备成体系的技术，随着下游应用场景对减速器的性能要求发生变化，新进入厂商无法及时根据客户需求作出调整，而面临淘汰风险。

试机验证：对于下游机器人等设备商来说，一旦选定了减速器品牌，便不会轻易更换。减速器的质量问题往往来源于长时间使用的疲劳损坏，如果下游厂商引入质量不达标的新品牌减速器，产品在使用1年后出现大规模质量问题，会带来较大规模的损失。因而，下游厂商大规模引入新品牌减速机前，需要经过1-2 年的质量验证，通过试机来验证品牌的可靠性，选定品牌后往往不会轻易更换。新的谐波减速器厂商很难进入市场，唯有具备合格的质量、更低的价格以及更好的售后服务。

产能扩建：固定资产投资壁垒高，大批量生产下需保持一致性，对设备和装配工人要求较高。从供应角度看，谐波减速器作为一种通用设备，竞争日趋激烈，规模效应下单位成本降低为关键所在，而降低单位成本就需要产能扩建。作为精密设备，谐波减速器加工精度需要达到毫米级别，加工设备严重依赖进口，设备初始投入较大。从需求角度看，客户对于供应商的批量供应能力和产品质量的一致性有较高要求，不具备批量供应能力的小厂商很难获得较大订单，从而形成盈利和资金回笼。除了设备以外，谐波减速器的装备需要不断调整、校正、平衡才能最终组成出合格的产品，该环节依赖有成熟经验的装配工人。对于新厂商而言，很难在短时间内招聘足够数量有成熟经验的装配工人，因而这也对公司扩产形成了较大的阻碍。

谐波减速器生产环节

2、行星减速器

行星减速器主要由行星轮、太阳轮、内齿环三部分构成。行星减速器由一个内齿环紧密结合于齿箱壳体上，环齿中心有一个外部动力驱动的太阳轮，两者之间有一组由三颗齿轮等分组合于托盘上的行星轮，行星轮依靠出力轴、内齿环及太阳齿支撑于其间。当外部动力驱动太阳齿轮时，可带动行星齿轮自转，并沿着固定的内齿环沿着中心公转，旋转带动连结于托盘的出力轴，从而输出动力，达到降低转速和提升扭矩的效果。

行星减速器更抗冲击，在人形机器人领域有望与谐波减速器形成优势互补。谐波减速器具有减速比大、体积小、重量轻等特点，但根据UCLA Zhu.Taoyuanmin 博士研究，谐波减速器因为减速比高，传输透明度较低，抗冲击属性较差。大气隙半径无框力矩电机+行星减速器的组合，能够有效提高人形机器人抗冲击的能力。行星减速器有望在人形机器人部分关节替代谐波减速器，实现抗冲击性能的提升。行星减速器更适合用于人形机器人胯骨等空间较大的部位。相较于谐波减速器，行星减速器减速比更低，难以提升足够倍数的扭矩，就需要将无框力矩电机的气隙半径做得足够大，以输出更大的扭矩。这导致了配套的无框力矩电机本身需要做得非常大，因而行星减速器更适合用于机器人胯骨等体积非常大的应用场景。

三、 编码器

编码器是机械与电子紧密结合的精密测量器件，一般应用于机械角度、速度、位置的测量。编码器通过光电原理或电磁原理将一个机械的几何位移量转换为电子信号，这种电子信号通常需要连接到控制系统，例如 PLC、高速计数模块、变频器等，控制系统经过计算便可以得到测量的数据，以便进行下一步工作。编码器可以分为增量式和绝对式两类，增量式编码器将位移转换成周期性的电信号，再把电信号转变成计数脉冲；绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，示值只与测量的起始和终止位置有关。

编码器主要应用于伺服系统，是伺服电机的核心元件。伺服系统由伺服驱动器发出信号给伺服电机驱动其转动，同时编码器将伺服电机的运动参数反馈给伺服驱动器，伺服驱动器再对信号进行汇总、分析、修正。通常，编码器用于工业系统的运动控制中，用于测量并反馈被测物体的位置和状态，例如机床、机器人、电机反馈系统以及测量和控制设备等。

编码作用环节

编码器可分为光电编码器、磁电编码器、电容编码器三种，工作原理差异较大：

1．光电编码器：由发光元件、光敏元件及码盘组成。作用是将旋转位置信息转化为光脉冲信号以对器进行检测。当安装在电机转轴上的码盘旋转时，固定住的发光元件发出的光经过码盘，产生透光和不透光的光脉冲。光敏元件检测到这些脉冲后，再转化为数字信号进行输出。

2．磁电编码器：由磁阻传感器、硒鼓、信号处理电路组成。将磁鼓刻录成等间距小磁极，磁极被磁化后，旋转时产生周期分布的空间漏磁场。磁传感器探头通过磁电阻效应，将变化着的磁场信号转化为电阻阻值的变化，在外加电势的作用下，变化的电阻值转化成电压的变化，经过后续信号处理电路的处理，模拟的电压信号转化成计算机可识别的数字型号，从而实现编码。

3．电容编码器：由转子、固定发送器和固定接收器组成。转子包含正弦模式，旋转过程中，发送器的高频参考信号以可预测的方式进行调制。编码器检测接收板上电容电抗的变化，并使用解调算法将其转换为旋转运动的增量。

四、行星滚柱丝杠/滚珠丝杠

滚珠丝杠是实现回转运动和直线运动相互转化的理想产品，被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。滚珠丝杠线性执行器是微特电机和滚珠丝杆副的组合，滚珠丝杆副在具有螺旋滚道的丝杆和螺母间装有滚珠作为中间传动件，在螺母上闭合的回路中循环滚动，使丝杆和螺母间的运动由滑动变为滚动，减小了运动摩擦，可以完成高速传动任务。并且滚珠丝杆线性执行器可以满足精确定位，实现快速响应。滚珠丝杆螺母的传动效率在90%-96%，相较于梯形丝杆螺母26%-70%的传动效率，滚珠丝杆可以使用更少的驱动功率。滚珠丝杆广泛应用于机床工具、机器人制造等领域。在技术上不断朝向高精、高速、高荷重及低噪音的方向精进，有多种抑制温度上升的创新产品，以克服加工时产生的高温造成螺杆热变形影响精度。随着客户生产设备不断向工程集约、节能轻量化方向迈进，维持产品性能并减少体积和通过热处理延长产品使用寿命成为滚珠丝杆产业发展的重点趋势。滚珠丝杆广泛应用于机床工具、机器人制造等领域。在技术上不断朝向高精、高速、高荷重及低噪音的方向精进，有多种抑制温度上升的创新产品，以克服加工时产生的高温造成螺杆热变形影响精度。随着客户生产设备不断向工程集约、节能轻量化方向迈进，维持产品性能并减少体积和通过热处理延长产品使用寿命成为滚珠丝杆产业发展的重点趋势。

  行星滚柱丝杆构造图

行星滚柱丝杠与滚珠丝杠区别：行星滚柱丝杠传动方式是在主螺纹丝杠的周围，行星布置了6-12个螺纹滚柱丝杠，这样将电机的旋转运动转换为丝杠或螺母的直线运动。行星滚柱丝杠与滚珠丝杠的结构相似，区别在于行星滚柱丝杠载荷传递元件为螺纹滚柱，是典型的 线接触；而滚珠丝杠载荷传递元件为滚珠，是点接触。主要优势是有众多的接触点来支撑负载，能够提供高于滚珠丝杠的额定动载和静载，螺纹滚柱替代滚珠将使负载通过众多接触线迅速释放，从而能有更高的抗冲击能力。

五、 空心杯电机

空心杯电机是采用无铁芯转子的控制电动机。空心杯电机属于直流永磁的伺服、控制电动机，在结构上突破了传统电机的转子结构形式，采用无铁芯转子，这种特别的转子结构彻底消除了由于铁芯形成涡流而造成的涡流损耗，使得电动机运转性能优化，并具备控制和拖动特性。传统铁芯电机由带槽的铁芯结构组成，绕组缠绕在槽之上，而空心杯电机由于绕组没有铁芯，省去铁芯的空间，可以做到更小的尺寸和更高的效率。

空心杯电机主要由后盖、接线端子、电刷端盖、电刷、换向器、杯形绕组（转子）、转轴、垫圈、滑动轴承、外壳、磁铁（定子）、法兰、定位环组成。定子由永磁体、壳体、法兰组成。外壳提供了恒定的磁场，使电机无铁损耗。由于没有软磁性牙齿，所产生的转矩是均匀的，即使在低速下也能使运行平稳。在较高的速度下，电机能减少振动，减少噪音。在绕组和换向器的转子中，绕组通过换向板连接到轴上。换向系统使用一对贵金属刷，减少了电刷火花，减少的电刷火花产生较少的电磁排放。

空心杯电机具有高功率密度、高动态响应等优势。无齿槽效应保持空心杯电机低速运行平稳和低振动、低噪音状态；结构紧凑保证空心杯电机具有更高的功率密度，即单位体积下所产生功率更高；低电感保证空心杯电机的高动态响应和高的加速度。有刷空心杯电机由于体积、重量等优势，可以应用于机器人手部。空心杯电机分为有刷电机和无刷电机，无刷空心杯电机又称直流无刷无齿槽电机，其转速高，力矩大，具有高动态响应能力，适合应用于机器人关节。有刷空心杯电机又称直流有刷无铁芯电机，一般国内的“空心杯电机”泛指有刷电机，其具有比较低的反向力矩，具有高效率，高加速度，低摩 擦等特性，同时在体积和重量方面有优势，可以应用于机器人手部。

空心杯电机构造图

六、 触觉传感器

手部关节可使用力觉和触觉传感器。其中，触觉传感器使机器人手部具备靠触觉来感知的能力。触觉传感器主要有四种方式：压电式、压阻式、电容式和光学原理式。（1）压电触觉传感器基于压电效应原理，即在外界力的作用下，压电材料表面因形变会产生电压。它的频率响应好，测量范围大，但分辨率不是很理想。（2）压阻式触觉传感器基于压阻效应原理，即施加外力时会产生自身电阻的变化。它测量范围大，鲁棒性好，但是迟滞效应较大。（3）电容式触觉传感器利用电容的变化来测量接触力。其空间分辨率高，功耗低，但抗干扰能力差。（4）光学原理的触觉传感器靠检测光的参数变化间接感知外界的接触信息。优点是抗干扰能力强，具有很高的空间分辨率。

触觉传感器的技术壁垒在于对触觉传感机理的研究深度和材料纯度。由于机械、材料、电子、精密制造等技术难题，复现人体触觉传感机制的研究进展缓慢；材料方面，导电橡胶、导电塑料、碳纳米管、石墨烯等是可用作触觉传感器的材料，而国内目前的材料质量、生产水平并不稳定。

  触觉传感器示意图

原文始发于微信公众号（行研小饭圈）：人形机器人零部件详细分析——Tesla Optimus