机器人量产与供应链：从空翻到微操的进化之路

6月1日，宇树科技科创板IPO申请通过了审议。不久前，它还发了首款载人变形机甲。所以，问题来了——我们离机器人真正落地，到底还有多远？ 去年春晚，它们还在转手绢、扭秧歌；今年，已经能空翻、打武术了。甚至手机厂商造的机器人，都能在半马上打破人类纪录。为什么这两年机器人本体的进化能这么快？ 为了摸清这个进化逻辑，我们走访了头部机器人企业，也和业内人聊了聊：造机器人到底难在哪？制造门槛真不高吗？护城河又是什么？ 接下来，我们把机器人身上的零件一个个拆开来讲。看完，你自己也能拼出一台机器人。

01 骨架材料：轻量化与抗冲击的平衡

机器人身上的硬件，大致可以拆成四个系统：骨架、关节、传感器，以及电气与计算系统。先从骨架说起。 一辆车时速60公里撞向假人，假人会飞出去，摔得七零八碎。但对人形机器人来说，这种冲击力，几乎是“日常”。 > **王闯** > **智元合伙人/高级副总裁/通用业务部总裁** > 机器人每次空翻触地，身上承受的加速度有几十个g，比汽车和航天都高，跟汽车撞墙差不多。 骨架材料的选择，就成了第一道难坎：要翻起来，得足够轻；要扛住冲击，得足够强。否则一个空翻，零件就飞出去了。 世界上第一台全尺寸机器人WABOT-1，主要用钢材，重约160公斤。它跳一下，地板可能就砸个坑，翻跟头想都别想。 后来，从本田ASIMO、波士顿动力早期液压版Atlas，到第一代特斯拉Optimus，铝合金成了主流——密度只有钢的三分之一。 现在，行业开始探索镁合金，密度比铝还低三分之一，局部还会用强度更高的钛合金，比如膝关节、脚踝等常有冲击的位置。 有意思的是，这些坚固骨架扛住了冲击，但供应商赚的似乎只是“辛苦费”。 > **某机器人公司前采购总监** > 骨架的卖价，去掉金属成本、废料，ratio（比率）其实很低。最后还是卖金属费加加工费，大部分成本还是metal。加工费在合理区间，量起来后，它会低到几乎没有门槛。 骨架之外，外观件分两类：一类是装饰保护件（胸、背、头部，材料从塑料到仿皮TPU到织物都有，有的看着是金属，实际是塑料外壳喷漆）；另一类是仿生皮肤，触感要像人，皮下还得植入触觉传感器。 真正让机器人完成超难度动作的，是关节。这也是硬件中成本最高、技术最密、故事最多的部分。

02 拆解执行器：关节是最贵也最难的部分

机器人跳舞、空翻的视频，大家看过不少。背后是真人动作捕捉、训练模型，再映射到肢体。 几年前，看波士顿动力Atlas后空翻，大家惊讶不已；现在可能习以为常了。原因只有一个：关节经历了从液压到电机的转变。 > **王闯** > **智元合伙人/高级副总裁/通用业务部总裁** > 以前造不出这么牛的关节，性能差，空翻很难。最近一两年，关节技术进步非常大。 关节，业内叫执行器，分旋转执行器和直线执行器。以肩膀为例： 肩膀有三个自由度：前后摆（俯仰pitch）、上下抬（滚转roll）、内外旋（偏航yaw）。三个旋转执行器组合，手臂就能朝X、Y、Z三个方向自由活动。 膝关节一般只要一个自由度，用一个旋转执行器或直线执行器就能行。直线执行器像人体肌肉，通过拉伸带动上下骨干运动。 做一次极限动作，需要全身几十个执行器紧密协同。任何一个反应慢了、力量偏了，结果就是摔倒。 这些执行器里是什么？旋转执行器和直线执行器都有一套伺服系统：电机、编码器、驱动器、传感器。最大区别是：旋转执行器是伺服电机加减速器，直线执行器是伺服电机加丝杠。 先从减速器说起。

Chapter 2.1 旋转执行器与减速器

或许听过这个例子：第一个齿轮转10圈，第二个转1圈，第三个转0.1圈……100个齿轮后，要让最后一个转一圈，第一个要转1后面100个0圈（Googol圈），所需能量超过整个宇宙的总和。 这就是减速器——一个巨大的杠杆，牺牲速度，换取力量。为什么关节需要它？ 电机天生是“高转速、低扭矩”：转速轻松上万转，力矩却小。关节需要精准控制，很难让电机转几度同时搬动重物，所以需要减速来降转数、提扭矩。减速比越大，速度降得越多，输出扭矩越高。 行业常用三种减速器：行星减速器、谐波减速器、RV减速器。用模型解释一下。 行星减速器：电机连接中心齿轮，带动三个行星轮，再带动外圈大齿轮旋转，像行星围绕太阳。结构小，成本低，但减速比较小，同样转数下输出扭矩较低，常用在手部关节。 需要更大力量时，用谐波减速器。中心是波发生器，把夹层柔轮撑成椭圆形。柔轮和外侧固定钢轮只差2齿，只有两个对称区域啮合。波发生器旋转一周，柔轮只转2齿，减速比可以做得很大。输出扭矩强，精度高，常用在肘关节、肩关节。 前文说空翻承受的力像汽车撞击，这对特定部位的减速器挑战很大。谐波减速器柔性结构抗冲击力较差，这时候就用RV减速器。 RV减速器由第一级行星齿轮和第二级摆线针轮组成。第一级降速后，通过偏心凸轮带动摆线盘做偏心运动，摆线盘与外壳针齿啮合，推动外壳旋转。减速比大，摆线盘多齿同时啮合，刚性好、抗冲击强，常用在髋关节、膝关节、腰部。 减速器是极精密的部件，加工难度高。长期磨损下保持稳定性，是整个关节最难的部分。 > **王闯** > **智元合伙人/高级副总裁/通用业务部总裁** > 大批量制造时，齿轮精度和长时间运行的稳定性要求很高。用了1000小时，可能就异响、性能下降，运控算法很难调整，表现为走路不如以前，甚至歪了。 > 机器人做极限动作，会摔倒，冲击可能损伤齿轮。如何做出性能好、成本低、长时间使用没问题、摔倒抗冲击的齿轮，是一个非常挑战的不可能三角。 换句话说，造一个减速器不难，难的是造一万个性能一致、耐用的减速器。

Chapter 2.2 直线执行器与丝杠

直线执行器和它的核心部件——丝杠。 直线执行器最像人体肌肉：手臂摆动时，不是关节主动旋转，而是连接两端骨骼的肌肉在收索。所以它只做一种运动——推拉。 有些机器人的膝关节采用直线执行器，通过推拉模仿膝部肌肉。多个直线执行器按特定结构组合，还能实现关节旋转，用于手腕、脚踝。 最简单的直线执行器是液压装置。波士顿动力老版Atlas以直线液压缸为主，高爆发、抗冲击、功率密度大。为什么是老版？新版也转向了电机驱动——液压系统复杂，容易漏油，控制精度不如电机。 但电机只能旋转，要输出直线运动，需要“转换器”——丝杠。 丝杠轴有螺纹，旋转时带动螺母直线运动，像拧螺丝。为减小摩擦，内部加滚珠——就是滚珠丝杠。有的换成滚柱（寿命更长、承载更高、刚性更好），就是行星滚柱丝杠。还有T型丝杠。 > **王闯** > **智元合伙人/高级副总裁/通用业务部总裁** > 现在用得较多的可能是滚柱丝杠，加工精度要求非常高，而且长行程内一致性要非常好，若有偏差，对控制算法是很大挑战。 有的直线执行器也会配合减速器，让电机输出更高扭矩。但行业中直线执行器应用较少，原因有三：动态性能差、制造难、成本高。 > **王闯** > **智元合伙人/高级副总裁/通用业务部总裁** > 目前行业量产最多的是旋转关节。直线执行器有一些应用，特点是载荷大，不供电也能自锁，保持姿态。但缺点是动态性能稍差，因为载荷大、减速比大，动作不够敏捷。另一个大难点是很难大批量、低成本制造，所以当前不适合大规模商业化。大家用得少，出货量少，在客户场景验证少，成本居高不下。 说完传动，再说动力本身——电机与伺服系统。

Chapter 2.3 电机与伺服系统

机器人常用的是无框力矩电机。相比传统电机，它没了外壳和轴承，只保留最核心部件，尺寸小，可直接嵌入关节内部。 灵巧手特殊，用体积更小的空心杯电机，输出功率没那么高。灵巧手的难度甚至比整个机器人本体还高。 身体电机的难点主要在：能效与散热、体积限制、性能稳定。先说能效与散热。 电子产品都会发热。热量积压过多，超过正常工作区间，性能就会下降。电机的能效——多少能量真正用于做功——格外重要。一旦过热，控制系统只能降低功率。比如空翻到一半时突然“腿软”，啪一声倒地上。 > **王闯** > **智元合伙人/高级副总裁/通用业务部总裁** > 早期的样品，10分钟内极限动作只能做一次。转速、转矩曲线做完一次就变了，可能因为发热，得冷却后继续。再一个问题就是能效，输入能量转化为热量的比例，5%和3%就有巨大差异。这些都会限制性能，硬件再强也不敢往上抬。 3%和5%看着差别不大，但电机的发热不是线性的。做一次极限动作，瞬时电流可能为平时的3-5倍，发热量是额定状态的9-25倍。热积累速度远超关节被动散热上限。一次空翻，关节温度可能从温升10度直接跳到50度。做完后需要冷却，才能进行下一个动作。 提升能效，得从材料、绕线工艺、结构设计下手，这里不细说。 现在很多关节散热主要靠被动——机身大量金属，像巨大的散热片。只有功率很大的关节（比如腿部）才额外加风冷或液冷。 额外散热措施带来第二个挑战：体积限制。工程师们想方设法缩小关节电机，一方面为了减重降本，更重要的是体积越大，转动惯量越大，改变运动状态更难。好比旋转绳子：绳子越短，转速越快；绳子越长，转速变慢，想停下来缓冲时间更长。 第三个难点是性能稳定性：电机在输入多少电流时，转数多少、输出多大扭矩——业内叫TN曲线。这影响控制算法。 走过不平整路面时，脚踝六维力矩传感器感知起伏，需要动态调整电流控制电机扭矩。如果TN曲线不稳定，控制系统下达同样命令，但电机输出扭矩偏差，结果就是摔倒。 TN曲线还影响算法训练。算法先在仿真系统训练，如果仿真中的TN曲线和现实差太多，实际表现就会偏差。 > **王闯** > **智元合伙人/高级副总裁/通用业务部总裁** > 输入给仿真系统一个曲线，实际电机能达到甚至超越，那就能达到想要的性能。反过来低转速ok，转速一高性能就下来，那有些极限动作肯定做不了——最难的动作要求在极高速度下又有极高爆发力。 要精确控制电机转数，还需要一套伺服系统：编码器、驱动器、传感器。 编码器测量电机转子的角度、速度、位置，让系统知道电机当前状态。 > **王闯** > **智元合伙人/高级副总裁/通用业务部总裁** > 编码器很关键。机器人里有减速器，必须用双编码器，才能知道输入端和输出端的位置，才能精确控制。 驱动器根据编码器反馈，及“小脑”的指令，调整给电机的电压、电流。 传感器种类多，比如力矩传感器测输出扭矩，温度传感器测电机温度、防止过热。

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