AI中国网 https: //www.cnaiplus.com
特斯拉、宇树、智元用的零部件，到底有何不同？
编译 | 周加琦 刘俐杉
编辑 | 漠影
机器人前瞻8月18日报道，昨日，宇树科技发布公告，确认于8月19日在科创板挂牌上市。这也意味着宇树科技将正式成为A股人形机器人第一股。
作为国内人形机器人领域最有代表性的企业，宇树不仅产品销量领先，更是自研人形机器人核心部件的代表。
那么，人形机器人有哪些核心零部件？
Humanity's Last Machine整理了人形机器人13类核心零部件，系统拆解各类零部件的技术路线、选型逻辑与量产痛点，并分析了特斯拉、宇树、智元等头部企业在硬件上的选择。
机器人前瞻在不改变原意的基础上进行了编译整理，以下是本文的核心内容。如只对某部分内容感兴趣，可以随意跳转到对应的章节阅读。
1、骨架，包括不同类型的骨架、对应的材料以及国内外主要人形机器人企业的材料使用情况。
2、电机，包括不同类型的电机，对比各家在功率、扭矩、体积上的选择。
3、减速器，涵盖谐波、行星、摆线等类型，对比不同结构的适配场景、性能差异与头部企业选型路线。
4、编码器，分析多种传感方案优劣，解析精度、稳定性差异及各厂商的搭配逻辑。
5、丝杠，涵盖主流丝杠类型，对比各类丝杠特性与行业应用情况。
6、轴承，梳理常用轴承类型，介绍不同轴承的适配场景与使用差异。
7、执行器，涵盖主流执行器类型，对比各家结构设计与技术路线选择。
8、电池，涵盖不同电池类型，对比各家电池方案与选型特点。
9、算力，解析主流机载算力平台，对比海内外厂商的芯片方案与算力部署逻辑。
10、电路板，涵盖主控板、驱动板架构，梳理集成化设计、布线与工业量产适配趋势。
11、通用传感器，涵盖各类环境感知器件，梳理不同企业的传感器搭配选择。
12、触觉传感器，涵盖光学、压阻、压电、电容等主流技术，对比各家触觉感知方案的优劣与落地情况。
13、末端执行器，解析灵巧手结构设计、驱动方式、传感集成，对比头部企业手部硬件设计选择。
01.
骨架
机身骨架是人形机器人最基础的结构载体，直接决定整机负重能力、体态稳定性和轻量化水平，是整机结构设计的核心。
按使用功能，骨架可分为三类：
第一类零部件用于承受机器人自身重量，以及电机施加的力，如髋部骨架、躯干结构、大小腿连杆以及肩部承载件。这类部件像房屋的梁和柱，需要在轻量化的前提下保持笔直、抵抗弯曲，以此来维持机器人的整体形态。
▲骨架（图源：Humanity's Last Machine）
第二类零部件分布在执行器和轴承周围，如电机基座、齿轮箱外壳、轴承座和关节支架等。这类零部件不仅承受巨大的局部载荷，还受到集中的外力冲击。
为此，需要使用刚性强、热稳定性好的材料，采用高精度公差与过盈配合结构，以及牢固的连接方式，保证零部件在实际工况下不会松动。
对于移动机器人来说，更需要严格控制这部分重量并合理规划配重，保证关节的响应速度和能效。
第三类零部件为外壳、盖板、线缆导向件、传感器支架和防护罩，它们塑造了机器人的外形并保护内部元件。
不同功能的骨架零部件损耗不一样，因此在材料选择上也不同。
1、铝合金
铝合金是人形机器人骨架比较实用的选择，具备高强度、轻量化与易加工的特点。
通过设计上的优化，可以在不增加体积的前提下提高强度，在量产中主要用于制造电机、电子元件等内部零件的外壳。
2、钢材
钢材主要用于磨损严重的部位，如轴、齿轮、销钉、紧固件和轴承等。这类零部件需承受集中载荷、长期摩擦以及高频次的往复运动，钢材能够提高这类部件的耐用度。
3、镁合金
镁合金是最轻的结构金属，比铝合金约轻35%，可有效降低电机的工作负荷和功耗，所以很适用于人形机器人的肢体。
在传统工艺中，镁合金存在消防安全问题，其熔融后与空气接触会变得易燃。触变注射成型技术的出现解决了这一难题，该工艺可在半固态下加工镁合金，用于制造薄壁、复杂零部件，以此降低风险。
中国占据全球85%-90%的镁合金产能，海外仅少数企业配备对应量产设备。
4、钛合金
钛合金是高性能的小众材料，具备钢材级别的强度，且重量更轻，适用于关节支架和关键受力点。
但钛合金在加工过程中，产生高温时容易和其他金属材料发生化学反应，产生“咬刀”现象，增加处理难度。
5、复合材料
复合材料包含碳纤维、 Kevlar（芳纶纤维）、e-glass（玻璃纤维）等，主要用于肢体部分。在相同重量下，复合材料的强度远高于金属，可降低肢体的重量并减少运动时消耗的功率。但复合材料也有一些缺点：
复合材料的高强度仅在沿着纤维方向的情况下才具备，垂直方向强度低，且抗冲击力较差。
复合材料与金属骨架的连接难度大，会出现电偶腐蚀，即不同材料接触时产生微弱电流，侵蚀连接处。
6、高分子材料
高分子材料主要用于构造机器人外形、布设线缆以及保护精密传感器。
这类材料质地柔软，能有效减弱震动，避免振动对电子元件造成干扰。此外，它成本低廉、加工简单，能制造成各种复杂形状，实用性强。
02.
电机
骨架搭建起机器人的躯体，驱动躯体完成抓取、放置、行走等动作的动力就是电机，其性能参数直接影响机器人的运动速度和精度。
电机可将电能转化为机械能，产生旋转运动，但电机本身只能实现旋转，要想通过转动实现高精度力矩控制、稳定运行等实用能力，需要电机外围的配套系统（齿轮箱、传感器、控制电子器件）来实现。
电机通常装配在关节处来控制运动，机器人的自由度越高，所用的电机数量越多。
人形机器人关节执行器主要使用带传感器的永磁无刷直流伺服电机，它可以提供位置和扭矩的实时反馈；空心杯电机主要用于灵巧手，去除铁芯后可实现精细操作。
1、控制与运动
电机本身无法感知自身的位置和目标位置，仅在通电时产生旋转，若要将无规则的转动转换成抬臂、保持姿势等有目的的运动，依靠的是电机外围的控制系统。
a、伺服电机
伺服电机按照外部指令进行运动，实现对位置、速度、扭矩的控制，例如控制机械臂达到特定的角度，保持稳定并有抵抗推力。这类电机的核心配置是内置了一种运动传感装置编码器。
▲伺服电机（图源：Humanity's Last Machine）
目前伺服电机已形成成熟的供应链体系，具备自研自产能力的头部企业包括 ABB、发那科、库卡、安川电机等，松下、博世、西门子和Robotis也提供该产品。
b、步进电机
步进电机以步进的方式运动，也就是分段式转动，很少用在人形机器人上，主要用于3D打印和CNC机床。
这类电机有很多磁极（约50到100个），磁极的作用类似于定位卡槽，能自动卡合定位，形成多个固定停止点位。每输入一个电脉冲，电机就会转动固定角度，因此不需要传感器就能预判运动。
▲步进电机（图源：Humanity's Last Machine）
人形机器人上用比较多的是伺服电机，在这类电机内部，有几个关键设计会影响其性能和人形机器人的适用性。
2、换向方式
换向就是电机把控发力时机的方式，时机把握得准，运动才会平滑。目前主要有机械换向、基于传感器的电子换向和无传感器的电子换向三类。
a、机械换向
机械换向需要依靠金属电刷贴合电机内部旋转来切换磁力方向，但金属相互摩擦会产生磨损和干扰。
▲机械换向（图源：Humanity's Last Machine）
b、基于传感器的电子换向
基于传感器的电子换向内置小型传感器，可检测转子磁场并反馈位置。这个方式不受转速影响，能够保持平稳运行。
▲基于传感器的电子换向（图源：Humanity's Last Machine）
c、无传感器的电子换向
无传感器的电子换向依靠电信号推算转子位置，虽然硬件结构比较简单，但在低速运动和静止状态下起步时效果较差。
对于人形机器人来说，关节不仅需要在低速或静止状态下精准发力，还必须安静运行，并且能在不维护的前提下承受数百万次循环工作，所以一般选择基于传感器的电子换向。
3、电磁结构
电机通过不断推旋转体产生运动，电磁结构决定了这种推力作用的位置。
a、内转子与外转子
电磁结构首要选择旋转体（转子）应该位于静止部件的内部还是外部。其中内转子电机的旋转体位于中心，磁力从外侧施加；外转子电机的旋转体包裹着定子，磁力用力的作用点离旋转中心远。
▲内转子与外转子（图源：Humanity's Last Machine）
在相同磁力下，推力作用点越靠近中心，越有利于提高转速；反之有利于提升扭矩。
人形机器人关节优先考虑扭矩和可控运动，而非高速，所以主选外转子。
b、径向磁通、轴向磁通与横向磁通
径向磁通电机的磁作用力沿旋转中心向外辐射，呈圆柱形结构。目前这项技术成熟、认知度高且可规模化量产，是人形机器人关节的主选。
轴向磁通电机的磁力沿着转轴方向，可实现电机扁平化设计，并且在受限空间内具备更高的扭矩密度，但在散热和制造上受限。
横向磁通电机的磁力传导路径复杂，由于其结构复杂和产业成熟度低，在人形机器人应用上受限。
▲径向磁通电机、轴向磁通电机与横向磁通电机（图源：Humanity's Last Machine）
4、永磁体的类型和结构
永磁体的类型决定磁场强度，结构则决定磁场的施加方式。
特斯拉擎天柱全身有28个执行器。
AI中国网 https: //www.cnaiplus.com
本文网址：
