人形机器人量产酝酿期，需要怎样的核心零部件？
2023年8月18日 来源：高工机器人 浏览 143 次 评论（0）
7月初，马斯克的一句话再度把人形机器人推上科技圈/投资圈的话题榜“榜一”。在不久的将来，人形机器人真的会迎来大爆发吗？只能先打上一个问号。首先要探讨的，或许是人形机器人核心零部件如何“跟上步伐”。在特斯拉2022 AI Day上，马斯克正式介绍了特斯拉首款人形机器人“擎天柱 Optimus”。据业内人士分析，Optimus 共有28个运动关节，内置3种旋转执行器和3种线性执行器。其驱动原理主要分为两种：一种基于“无框力矩电机+谐波减速器”的旋转关节；另一种则是基于“力矩电机+行星滚柱丝杠”的线性关节方式。在发布会现场，特斯拉通过单个线性执行器吊起一架重达半吨的钢琴。这个执行器究竟是什么？据业内人士分析，从工作方式和结构上来看，该执行器与伺服电缸是一脉相通的，同样是高度集成的一体化运动单元。有机构分析，若每台人形机器人需搭载28个伺服电机，中性预估2030年前人形机器人有望拉动伺服电机市场规模达85亿元。然而，尚无公开信息显示，特斯拉已有相关成型产品。近日马斯克透露，Optimus的量产缺乏现成的执行器，并表示预计到2023年11月，Optimus才能完成搭载自主设计的执行器。那么市场上是否有企业的相关产品已经进入量产阶段了呢？有，是一家来自中国的企业——北京因时机器人科技有限公司。早在7年前，2016年，因时机器人就已布局微型伺服电缸，并于当年成功自主研制了第一款样机；2021年，累计销量突破万台；2022年，年产量突破万台。目前，面向3C、自动化、新能源、生物医疗等领域，因时机器人已有LA系列、LAS系列、LAF系列、LASF系列、BLA系列，五大系列微型伺服电缸。“自从去年特斯拉入局人形机器人以后，无论是从市场热度上来看，还是从行业讨论度来说，微型伺服电缸的关注度都空前升高，也有一些公司正在着手入局。”因时机器人创始人蔡颖鹏如是说。但是最初因时机器人入局时，这个领域几乎是“一张白纸”。当时，因时机器人创始团队发现机器人核心零部件的可选择性较少，尺寸普遍较大且笨重。核心零部件如果不突破，机器人整机性能难有提升。从部分下游产业应用的方向来看，不少场景中的机器人都需要体积更小、精度更高、集成度更高的伺服产品。不仅如此，在医疗器械、自动化设备、半导体设备等领域，都有小型化伺服电缸产品应用的机会。另一方面，小型化的伺服电缸并不是简单的系统集成，它集成了高精密减速器、高性能空心杯电机、丝杆机构、传感器以及伺服控制系统，在保证更小体积的基础上实现驱控一体化，具有体积小、精度高、负载大等技术特点。蔡颖鹏表示，电机、减速器、丝杠、位置传感器、力传感器、伺服控制器等主要的元器件都需要因时机器人进行创新研发。不仅如此，整个系统集成同样需要优化设计。因此，微型伺服电缸具备较高的技术壁垒。过程中，因时机器人遇到了不少的难点。做原始设计方案时，市场上几乎找不到符合尺寸需求的马达、减速器、丝杠、传感器等核心零部件的成熟供应商，定制也不可行。因此，因时机器人只能自主开发，在反复的尝试和调整中不断摸索，并寻找量产可能性更高的工艺。
从每一个独立的模块来说，小型化的丝杠技术难度最大。丝杠主要分为三种：梯形丝杠、滚珠丝杠、行星滚柱丝杠。其中，行星滚柱丝杠的难度最高，也是因时机器人目前出货电缸中用量最大的。“我们的技术方案及生产工艺，都与传统的行星滚柱丝杠有较大的差异。在滚子、滚柱的结构以及同步机构的设计上都有创新。为克服行星滚柱丝杠自锁能力弱的缺点，我们还开发了一套用于行星滚柱丝杠的自锁方案，解决了某些场景下行星滚柱丝杠出现的不自锁和滑动的缺点，这进一步扩展了行星滚柱丝杠方案的应用范畴。”蔡颖鹏表示。此外，因时机器人还在集成优化中的各处“角落”下足了功夫。如保证从电机到最后传动输出过程中的高传递效率；将微型丝杠置于整体中，进而进行系统集成优化。另一方面，因时机器人使用的空心微电机对转速、负载能力要求高，对控制系统的算法开发也提出了更高的要求。耗时半年多，第一台样机终于试制成功，但是仅BOM成本就超万元，精度也不如预期。好在，样机的负载表现较好，证明研发大方向是正确的，这给了因时机器人信心。下一步需要解决的则是量产问题。前期所使用的大多数工艺都没办法进入量产，因时机器人选择继续潜心钻研，一项一项技术攻关。2018年，微型伺服电缸进入了量产阶段。相较于特斯拉Optimus中所使用的伺服电缸，因时机器人快“两步”：四大技术优势；已经实现了量产。具体来看，四大技术优势表现为：第一，行星滚柱丝杠尺寸更小。因时机器人在行星滚柱丝杠方面的技术和经验积累相对较为深厚。目前，因时机器人所研发的尺寸最小的行星滚柱丝杠，已经实现螺母外径≤10㎜，最高可以负载上百牛。“这也是我们在市场中看到的尺寸最小的行星滚柱丝杠。”蔡颖鹏表示。第二，集成度更高。蔡颖鹏表示，据观察，特斯拉发布的伺服电缸主要由电机、减速器、行星滚珠丝杠3个部件构成，这是构成电缸传动最重基础三个部分。而因时机器人的微型伺服电缸集成度更高，将马达、减速器、行星滚柱丝杠、位置传感器、力传感器、驱动控制等高度集成在一个模块当中。第三，工作精度更高。从传动系统的角度来说，减速器和丝杠之间难免有传动间隙。如果仅仅依靠电机编码器进行位置控制，无法消除末端的间隙误差。因时机器人在末端加置了位置闭环传感器，通过算法消除传动间隙，精度则更高。第四，推重比更高。特斯拉人形机器人采用的自重较小的一款0.36公斤级别的驱动器推重比为1400N/KG，而因时机器人的自重0.1KG级别的微型伺服电缸推重比已达到4900N/KG。2018年，因时机器人的微型伺服电缸产品就开始在灵巧手中进行验证。微型伺服电缸如同手掌的肌肉，仿生性能较好，便于灵巧手仿生结构布局。同时，它还解决了灵巧手以往存在的几大痛点：结构复杂、抓握力弱、可靠性差。“灵巧手以往常采用拉线方案，抓握能力弱，可靠性差。我们对灵巧手的传动结构做了大量的简化，用刚性连杆去替代原来的方案。灵活操作依靠的就是内置的六个微型伺服电缸，结构简化的同时，可靠性也提升了，成本也下降了。”蔡颖鹏介绍道，这套方案现在已经是目前行业中较为主流的技术方案了。从自由度上来看，国外已经有自由度更高（10+/20+）的灵巧手，主要用于科研领域。从商业化的思路出发去设计，必须要用更少的自由度去实现更强的抓握能力。力控型号的微型伺服电缸具有力控制和力反馈的功能，非常适用于需要高功率密度或者恒力控制的场景。使用微型伺服电缸解决方案后，尽管灵巧手的自由度只有6个，但是比起传统的靠位置控制和角度控制，灵巧手的可靠性更高，成本也有所降低。截至目前，因时机器人的微型伺服电缸共有五大系列，分别为LA系列、LAS系列、LAF系列、LASF系列、BLA系列。不同系列的产品，面向不同的行业。其中，BLA系列针对工业自动化领域。从构型上来看，部分应用场景对微型伺服电缸的截面尺寸较敏感。针对这一需求，因时机器人研发了共轴型微型伺服电缸，即电机、减速器、丝杠的轴心同处一条线上。另一方面，部分应用场景对微型伺服电缸的长度较敏感。因时机器人针对这一需求研发了旁轴型微型伺服电缸，即电机和丝杠平行排布。当前，因时机器人已与机器人、自动化、3C、新能源、半导体、生物医疗领域的企业达成合作，累计客户超一千家。其中，在机器人领域，因时机器人的微型伺服电缸主要用于人形机器人的灵巧手、复合机器人的末端执行器及医疗手术机器人中。在自动化领域，客户对产品使用寿命、生产节拍、精度等各方面都有较高的要求。微型伺服电缸应用于生产线的多个场景之中：应用于3C自动化和半导体等行业的精密装配生产线上，可以对工件进行精确定位和力控压装，提升良品率和生产效率；应用于PCB压贴焊接，可以实现对元器件的精准力控压贴，过程稳定可靠，可大幅提升良品率；应用于恒力打磨设备，能够实现对工件表面持续施加恒定压力，保证打磨精度和效率。在生物医疗领域，微创手术器械和手术机器人等产品的伺服部分对体积比较敏感，对负载能力、力控制、精度要求也比较高。微型伺服电缸应用于微创手术器械，可以减小设备尺寸，实现精准的力控制和位置控制，并具备数据反馈功能，有效降低手术操作难度和风险。“我们辐射的行业很多，涉及的细分场景非常多。虽然相较于其他传统的零部件而言，目前微型伺服电缸的量还是比较小的，但是从长远的市场趋势来看，在精密制造、医疗器械、手术机器人、人形机器人等高精尖制造领域，微型伺服电缸都有非常广阔的市场前景。”蔡颖鹏如是说。在与客户的交流中，因时机器人收到的最多的需求是：尺寸能不能再小一点？功率密度能不能再大一点？精度能不能再高一点？价格能不能再低一点？这同样也是因时机器人技术创新与产品研发的方向。据悉，因时机器人下一阶段重点拓展的仍将是3C、自动化、新能源、生物医疗等领域。与此同时，因时机器人也将进一步钻研技术迭代，打磨产品。做专项技术攻关的同时，因时机器人也同步与行业内优秀的材料、元器件等供应链合作伙伴共同进行底层技术创新，突破行业技术极限。当问及是否考虑做人形机器人总机时，蔡颖鹏表示尚无相关计划，下一阶段仍将继续为行业提供核心零部件、灵巧手等解决方案，并推进产能扩建。在市场开发方面，因时机器人透露，海外市场是今年的重点突破方向。“无论地区与行业，对产品的需求都是较为一致的。越来越多的外国企业认可中国制造、中国产品，也会积极寻找中国供应商。”蔡颖鹏表示，今年上半年，因时机器人分别参加了德国和日本的展会，均得到了良好的反馈。
