人形機器人的執(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，主要負責將能量轉(zhuǎn)化為機器人的機械運動。執(zhí)行器可以按照不同的方式進行分類：

　　按運動類型：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)行器用于使機器人的關(guān)節(jié)進行旋轉(zhuǎn)運動，而直線執(zhí)行器則用于推拉動作，如手臂的伸展。

　　按動力來源：分為液壓(Hydraulic)、氣動(Pneumatic)或電機執(zhí)行器(Electric)。在人形機器人中，電機執(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)和準直驅(qū)執(zhí)行器(Proprioceptive Actuator, PA)。剛性執(zhí)行器主要由電機、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，能夠直接感知機器人與外界的交互力。目前剛性執(zhí)行器是主流方案，準直驅(qū)動執(zhí)行器是近幾年的研究熱點。

執(zhí)行器原理，來源:《智能電動執(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)的詳細解釋：

　　1、自由度(Degrees of Freedom, DOF)：

　　指的是機器人能夠獨立控制的運動方向的數(shù)量，是根據(jù)其用途設(shè)計的。人形機器人通常模仿人類的動作，自由度越多，機器人就越能接近人手的動作機能，通用性越好，可用直線移動、擺動或者旋轉(zhuǎn)動作的數(shù)目來表示。自由度越多，結(jié)構(gòu)越復雜，對機器人的整體要求越高。

　　2、額定負載(Rated Load)：

　　也稱有效負荷，指機器人在正常操作條件下能夠持續(xù)承載的最大重量。這通常影響機器人的搬運和操作能力。當負載較大時，提高電機的功率不劃算，可以在適宜的速度范圍內(nèi)，通過減速器來提高輸出扭矩。

　　3、工作空間(Work Space)：

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

　　4、工作精度(Working Accuracy)：

　　指機器人執(zhí)行任務(wù)時能達到的位置精度和重復性。重復定位精度取決于機器人關(guān)節(jié)減速機及傳動裝置的精度，絕對精度取決于機器人控制算法、編碼器精度、減速及傳動裝置精度等的綜合表現(xiàn)。高精度的機器人適合執(zhí)行需要精細操作的任務(wù)。

　　其他參數(shù)還有工作速度(Working Speed)、控制方式(Control Mode)、驅(qū)動方式(Actuation Method)、安裝方式(Mounting Method)、動力源容量(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)共同定義了人形機器人的性能特征，決定了它們在特定應(yīng)用場景中的適用性和效率。設(shè)計和選擇人形機器人時，需要根據(jù)任務(wù)需求和工作環(huán)境來考慮這些參數(shù)，以確保機器人能夠滿足預(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個自由度，包括14個旋轉(zhuǎn)自由度(旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器)、14個線性自由度(線性執(zhí)行器);Optimus Gen2在脖頸處增加2個自由度，全身具備30個自由度。

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

　　特斯拉 Optimus Gen2 執(zhí)行器方案來源：本末研究，機器人之心，特斯拉官網(wǎng)，長城證券產(chǎn)業(yè)金融研究院 注：數(shù)字單位為個

　　線性執(zhí)行器

　　特斯拉 Optimus 線性執(zhí)行器的配置為：無框力矩電機*1+行星滾柱絲杠*1+力傳感器*1+編碼器*1+驅(qū)動器+球軸承*1+四點接觸球軸承*1。

　　其中 1)電機：使用特斯拉自主研發(fā)的永磁電機。2)絲杠：使用反向式行星滾柱絲杠，具有較強剛性。3)編碼器：使用一個位置傳感器。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、四點接觸球軸承。

特斯拉 Optimus 直線執(zhí)行器構(gòu)造，來源：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：無框力矩電機*1+諧波減速器*1+力矩傳感器*1+編碼器*2+驅(qū)動器*1+交叉滾子軸承*1+角接觸球軸承*1。

　　其中 1)電機：使用特斯拉自主研發(fā)的永磁電機。2)減速器：使用諧波減速器，結(jié)構(gòu)簡單，減速比大，傳動精度和傳動效率較高。3)位置傳感器：使用兩個，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，來源：特斯拉

　　03、細分核心零部件

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

　　1、電機(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，帶動機械部件實現(xiàn)特定運動。同時電機中的多種傳感器，如編碼器、力傳感器等，還會將電機與機械部件的實時運作信息反饋給驅(qū)動器和控制器，從而完成精準運動控制。執(zhí)行器的驅(qū)動源，可以是直流電機、交流電機、步進電機或伺服電機，選擇取決于所需的扭矩、速度、精度和控制要求。人形機器人主要采用集成度高、運動控制精度高、扭矩輸出效率高的無框力矩電機。

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　　一文熟悉人形機器人的“心臟”：控制電機

　　2、減速器(Reducer)：電機和傳動裝置之間的橋梁。

　　其作用是將伺服電機輸出的高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)矩的動力轉(zhuǎn)換為低轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩的動力，從而使機器人能夠承受更大的負載，驅(qū)動機器人關(guān)節(jié)運行。受限于電機工藝技術(shù)，目前在機器人執(zhí)行器中，減速器和電機通常搭配使用。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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　　一文熟悉人形機器人成本占比最高的零部件：減速器

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

　　對于直線運動的執(zhí)行器，絲杠將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動。通常與螺母配合使用，可以是滾珠絲杠或滑動絲杠，提供精確的線性定位。受益于機器人等高端制造領(lǐng)域快速發(fā)展，高負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。

　　用于測量和反饋執(zhí)行器的位置、速度和加速度。安裝在伺服電機上，通過將角位移(碼盤)或直線位移(碼尺)轉(zhuǎn)換成電信號的方式反饋轉(zhuǎn)子位置和速度，將所獲得的運動信息轉(zhuǎn)換為脈沖信號并發(fā)送給驅(qū)動器，以便其進行信息比對，確保完成閉環(huán)控制。編碼器可以是光電的、磁性的或機械的，提供必要的反饋信息以實現(xiàn)閉環(huán)控制。常用于機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，更達的精度更高。磁編碼器理論成本更低，未來前景可觀。

　　5、力矩傳感器(Torque Sensor)：電機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，用于測量執(zhí)行器關(guān)節(jié)的力矩輸出，對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)。當扭矩作用于傳感器時，傳感器內(nèi)部的感力元件會發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電荷/電壓信號，這個信號與扭矩大小成正比，因此可以通過測量電壓信號來確定扭矩大小。

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

　　下面從價值、行業(yè)壁壘、國產(chǎn)化程度進行橫向?qū)Ρ雀髁悴考?/p>

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

　　行業(yè)壁壘對比：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，其次為電機和其他零部件等。

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

資料來源：特斯拉，浙商證券研究所

　　整體來看，人形機器人的核心零部件在價值量、行業(yè)壁壘和國產(chǎn)化率方面存在差異，但國產(chǎn)企業(yè)正通過技術(shù)創(chuàng)新和市場拓展，逐步提升在這些領(lǐng)域的競爭力。隨著技術(shù)進步和市場需求的增長，預(yù)計國產(chǎn)化率將進一步提高，推動整個產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。