工业机器人领域正在经历一场深刻的范式转变。十年前，协作机器人（cobot）作为一股新生力量闯入制造业，其核心命题是通过结构设计与控制策略的协同创新，让机器人得以与人类工作者共享物理空间。今天，人形机器人（humanoid robot）正站在相似的技术临界点上——它的目标不是替代传统工业机器人，而是在更广阔的物理空间中执行通用任务。

从机械工程师的视角审视这一演进过程，有一条清晰的线索值得关注：协作机器人与人形机器人在结构设计上既存在继承关系，又存在本质分野。前者解决的是人机共存的安全问题，后者解决的则是双足行走的动力学问题。二者在材料选择、执行器架构、传动系统、传感配置等多个维度上呈现出不同的工程优先级，而这种差异背后隐藏着深刻的设计哲学分歧。

本文试图从结构工程的角度，系统梳理协作机器人与人形机器人在机械设计上的异同，探讨两者之间的技术传承与创新路径。文中引用的标准与数据均来自公开资料，旨在提供客观的技术参照，而非产品背书。

一、安全设计理念的延续与分化

被动安全到主动感知

协作机器人的诞生背景，决定了其结构设计必须将安全作为第一性原则。ISO 10218-1:2025（即2025年修订版）对工业机器人安全提出了更严格的要求，其中一个重要变化是将协作应用相关的安全条款从ISO/TS 15066整合进正式标准体系。这标志着协作安全已从技术规范层面上升为产品设计的刚性约束。

在结构层面，协作机器人的安全设计通常包含三个层次：被动安全（物理限力）、主动安全（实时碰撞检测）、以及系统安全（风险评估与安全功能）。被动安全通过结构本体的柔顺性设计实现——当碰撞发生时，机器人臂体能够在外力作用下产生可控制的形变或运动，从而将接触力控制在安全阈值以下。

人形机器人同样面临安全设计的挑战，但其语境有所不同。不同于协作机器人的工作空间共享问题，人形机器人的安全设计更多围绕双足行走中的平衡控制、意外跌倒时的伤害最小化、以及复杂环境中的自主避障能力展开。特斯拉Optimus Gen2在脚底新增触觉传感器，正是这种主动感知安全理念的体现。

结构刚度与柔顺性的取舍

在协作机器人的关节设计中，力矩传感器几乎成为标配。机械臂各关节内置的六轴力矩传感器能够实时感知末端受力状态，配合限力控制算法实现碰撞检测与响应。这种设计思路的本质是将“感知”与“响应”嵌入机械本体的闭环控制系统。

人形机器人的关节设计同样依赖力矩感知，但实现路径有所不同。由于人形机器人的执行器需要承受行走过程中周期性冲击载荷（据估算，单腿关节在步行时需要承受约23倍体重冲击力），执行器设计必须在刚度与柔顺性之间取得更为微妙的平衡。Boston Dynamics的Atlas采用液压驱动，本质上是利用液压系统的天然柔顺性应对动态冲击；而特斯拉Optimus则选择了刚性驱动器（TSA）路线，通过更高密度的传感器布局与更精细的控制系统来补偿结构柔顺性的缺失。

二、材料与轻量化的代际跃升

从铝材到复合材料

协作机器人的结构材料选择经历了从铝合金到碳纤维复合材料的演进过程。以UR系列为代表的早期协作机器人，其本体结构大量采用6061-T6铝合金，通过挤出成型与CNC加工实现轻量化与刚性之间的平衡。随着材料科学的进步与成本的下探，碳纤维增强复合材料（CFRP）在高端协作机器人中的应用逐步增加，其比刚度（刚度/重量比）可达铝合金的3至4倍。

人形机器人对材料轻量化的要求更为严苛。以特斯拉Optimus为例，其全身28个执行器的质量预算直接决定了整体重量上限。材料选择不仅要考虑静态刚度，还需要兼顾动态响应特性——过重的臂体会导致转动惯量增大，恶化控制带宽；过轻的结构则可能引发共振与屈曲失稳。

在实际工程中，人形机器人的结构材料呈现出明显的多元化趋势：高强度铝合金用于主体框架，钛合金用于需要兼顾强度与空间的关节部位，碳纤维复合材料则应用于大尺寸连杆与壳体件。这种材料体系的形成，既是轻量化需求驱动的结果，也是成本与工艺约束下的妥协方案。

关节结构的拓扑优化

协作机器人的关节模块通常采用标准化的圆柱形结构，内部集成电机、减速器、编码器与制动器。这种设计便于批量制造与维修替换，但也在一定程度上牺牲了结构效率。

人形机器人则更多采用拓扑优化的定制化结构。以腿部关节为例，人形机器人的膝关节在步行周期中需要承受巨大的弯矩与轴向力，其结构设计必须考虑应力分布的均匀性与材料利用率的最大化。通过有限元拓扑优化与仿生学原理的综合运用，现代人形机器人的关节结构呈现出高度复杂的三维几何形态，与传统工业机器人的规整圆柱形结构形成鲜明对比。

三、执行器架构的范式对比

驱动器方案的三足鼎立

当前人形机器人的执行器架构主要分为三大流派：刚性驱动器（TSA, Torque-Source Actuator）、串联弹性驱动器（SEA, Series Elastic Actuator）、以及准直驱驱动器（QDD, Quasi-Direct Drive）。协作机器人同样存在类似的技术分化，但主流产品多采用基于谐波减速器的标准化关节模组。

刚性驱动器方案以特斯拉Optimus为典型代表。其旋转关节采用定制无框力矩电机配合谐波减速器，线性关节则采用反向式行星滚柱丝杠。这种架构的优势在于力矩密度高、响应速度快，但缺点是回差（backlash）控制要求苛刻，且对碰撞冲击的容忍度较低。

串联弹性驱动器在关节输出端与电机输入端之间串联弹性元件（通常为弹簧），通过弹性储能实现冲击缓冲。这种方案最早由MIT的步行机器人项目提出，后被Boston Dynamics的早期液压Atlas以及Agility Robotics的Digit所采用。其优势在于冲击吸收能力强、安全性高，但缺点是控制复杂度增加，且弹性元件的疲劳寿命需要特殊关注。

准直驱驱动器是近年来快速崛起的技术路线。其核心特征是采用低减速比减速器（通常为6:1至30:1）与高力矩密度电机直接耦合，依赖电机本身的转矩控制能力实现位置与力控制。这种架构的典型代表包括瑞士ANYbotics的ANYmal系列以及部分国产人形机器人。其优势在于控制简单、背驱性好，但力矩密度相对受限。

力矩密度的工程极限

对于人形机器人执行器而言，力矩密度是最核心的性能指标。以典型的人形机器人髋关节为例，峰值力矩需求通常在100至150Nm范围（以70kg级机器人为基准），而执行器的质量预算往往只有1至2公斤。这意味着所需的比力矩密度需达到50至75Nm/kg，远超传统工业机器人的典型指标（约20至30Nm/kg）。

协作机器人的力矩密度要求相对宽松。由于工作场景以低速精密操作为主，其关节力矩需求更多体现在持续输出能力而非峰值爆发能力。这使得协作机器人可以采用更高减速比的传动方案，在不显著牺牲响应速度的前提下实现更大的力矩输出。

四、传动系统的精密与重载分野

谐波减速器的应用逻辑

谐波减速器（Strain Wave Gear）是协作机器人关节传动的主流方案。其核心优势在于零回差、高精度、高力矩密度、单级减速比大等特点。与传统的行星齿轮减速器相比，谐波减速器的输出端转动惯量更低，更易于实现宽频带的力矩控制。

谐波减速器的基本原理是通过弹性变形实现运动传递：输入端的波发生器（Wave Generator）驱动柔性花键（Flexspline）产生周期性弹性变形，使柔性花键的齿与刚性环形花键（Circular Spline）逐步啮合或脱离。由于柔性花键的齿数略少于刚性环形花键，每转一圈只能移动很少的齿，从而实现大减速比传动。

然而，谐波减速器并非完美无缺。其主要缺点包括：效率相对较低（约为80%至85%，而行星齿轮可达90%以上）；柔性花键在高冲击载荷下存在疲劳破坏风险；以及热管理问题——弹性变形过程中产生的分子摩擦会转化为热量，在高负载运行时尤为突出。

行星滚柱丝杠的重载使命

人形机器人的线性执行器通常采用行星滚柱丝杠（Planetary Roller Screw）作为传动元件。以特斯拉Optimus为例，其14个线性关节均采用反向式行星滚柱丝杠。这种选择背后的工程逻辑在于：相比传统的滚珠丝杠，行星滚柱丝杠能够提供更高的轴向刚度与冲击载荷耐受能力。

行星滚柱丝杠的结构特征在于丝杠与螺母之间通过多个螺纹滚柱传递载荷，而非传统的滚珠点接触。这种设计使得接触面从点接触转变为线接触，接触面积增加10至15倍，从而大幅提升承载能力与使用寿命。当人形机器人的腿部关节承受行走冲击时，行星滚柱丝杠的线接触特性能够更有效地分散应力，降低表面疲劳（brinelling）风险。

绳驱传动的柔性探索

在协作机器人与人形机器人的手指关节设计中，绳驱传动（cable-driven）是一种常见的技术方案。其基本原理是通过钢丝绳或高强度纤维绳传递动力，将驱动电机布置于手臂或前臂 proximal 位置，从而降低手指末端的转动惯量。

绳驱传动的优势在于结构紧凑、柔顺性好，但缺点同样明显：绳索的弹性、摩擦磨损、以及拉伸刚度的不确定性，都会影响传动的精度与可靠性。在协作机器人领域，绳驱方案多见于轻量化的末端夹持器设计；在人形机器人领域，绳驱则常见于灵巧手的腱腱驱动系统。以特斯拉Optimus的灵巧手为例，12个手部关节通过多级行星减速器与蜗轮蜗杆的组合驱动手指运动，这种方案在精度与成本之间取得了较好的平衡。

五、传感体系的维度扩展

力觉感知的一致性需求

协作机器人与人形机器人在力觉感知配置上呈现出高度一致性。两者均将关节力矩传感器视为标准配置，用于实现碰撞检测、拖拽示教、以及力控制等功能。不同的是，协作机器人通常在每个关节独立布置力矩传感器，而人形机器人则可能采用更精简的传感器配置，通过多传感器融合算法实现等效的力觉感知能力。

ISO/TS 15066对协作机器人的人体接触压力限值做出了明确规定：头部不超过130N，躯干不超过210N，四肢不超过250N。这些数值的确定基于人体生物力学的研究结论，目的在于防止机器人与人体发生碰撞时造成伤害。这一标准体系虽然最初针对协作机器人制定，但其背后的生物力学原理同样适用于人形机器人的安全设计。

视觉感知的架构差异

在视觉感知方面，协作机器人与人形机器人采用了不同的技术路线。传统协作机器人多依赖立体视觉或结构光方案实现工件识别与定位，其视觉系统通常布置于工作台上方或机器人末端，视野范围相对固定。

人形机器人则更倾向于采用类似自动驾驶的纯视觉方案。特斯拉Optimus复用了FSD（Full Self-Driving）的占用网络（Occupancy Network）技术，通过多目相机实现对周围环境的稠密三维感知。这种方案的优势在于通用性强、成本可控，但缺点是对算法的依赖程度高，且在光照条件变化剧烈或遮挡严重的场景下性能可能出现退化。

触觉感知的新兴需求

触觉传感器是近年来机器人感知领域的研究热点。相比力矩传感器提供的关节层面信息，触觉传感器能够感知末端执行器与目标物体之间的接触分布，为精细操作提供更丰富的信息维度。

特斯拉Optimus Gen2在手部和脚底新增了触觉传感器，这一人形机器人首次搭载触觉传感器的尝试，标志着触觉感知正从实验室研究走向工程应用。然而，触觉传感器的工程化落地仍面临多项挑战：传感阵列的制备工艺、信号采集与处理的实时性要求、以及传感器与机器人本体之间的机械接口设计等。

六、关节构型与人机工程学考量

自由度配置的设计哲学

协作机器人的关节构型设计遵循功能优先原则。以典型的6轴协作机械臂为例，各关节的配置角度与连杆长度参数主要基于工作空间覆盖、奇异点回避、以及负载能力等工程指标优化确定。这种设计思路的优势在于结构简洁、运动学解算成熟，但不足之处在于形态上与人体的差异较大，无法直接利用人体运动学的研究成果。

人形机器人的关节构型设计则需要更大程度地参考人体解剖学结构。髋关节的三自由度（屈伸、内收外展、内旋外旋）、膝关节的单自由度（屈伸）、以及踝关节的两自由度（背屈跖屈、内翻外翻），都是对人体下肢运动学的直接借鉴。这种仿生设计的好处在于可以利用已有的运动控制研究成果，降低开发成本；缺点在于需要在小空间内实现多自由度关节的集成，设计复杂度显著增加。

仿人形态的结构挑战

人形机器人的仿人形态设计带来了独特的结构工程挑战。与传统工业机器人不同，人形机器人的关节电机通常无法直接布置于关节旋转轴线上，而需要通过空间布局优化或采用特殊传动结构（如谐波减速器的杯形结构）实现小型化。这种约束导致人形机器人的关节模组复杂度显著高于传统工业机器人。

以特斯拉Optimus的髋关节为例，其旋转关节需要同时满足体积约束与力矩输出的双重需求。无框力矩电机、谐波减速器、交叉滚子轴承、力矩传感器与位置传感器的集成布局，需要在机械、热管理与维护性之间取得微妙的平衡。这种高度集成化的关节设计，正是人形机器人区别于协作机器人的核心技术难点之一。

七、标准体系的演进与整合

从单机安全到系统安全

ISO 10218系列标准的演进轨迹，反映了机器人安全理念从单机安全向系统安全的范式转移。ISO 10218-1:2011主要关注机器人本体安全要求，而2025年修订版则进一步整合了协作应用安全（ISO/TS 15066）的相关内容，并将适用范围扩展至协作应用的全生命周期管理。

这一变化对协作机器人与人形机器人的设计均产生深远影响。对于协作机器人而言，这意味着需要将安全设计从本体层面扩展至系统层面，包括工作空间划分、安全距离计算、碰撞响应策略等多个维度。对于人形机器人而言，由于其应用场景的复杂性与不确定性，系统安全的设计难度更高——双足行走的稳定性、复杂地形中的自主避障、以及意外跌倒时的人员保护，都是需要纳入风险评估的潜在场景。

功能安全标准的渗透

IEC 62061（机械安全-功能安全）与ISO 13849（机械安全-安全相关控制系统的设计原则）是机器人安全设计中另外两套重要的标准体系。前者基于安全完整性等级（SIL）的概念，对安全功能的设计与验证提出了系统化要求；后者则提供了性能等级（PL）的评估框架，便于工程实践中的量化评估。

在协作机器人领域，功能安全设计已成为产品准入的强制性要求。在人形机器人领域，功能安全标准的渗透程度相对较低，这与产品成熟度与应用场景的差异有关。然而，随着人形机器人逐步进入工业与服务业应用场景，功能安全设计的要求必将逐步提升。

八、结构设计的传承与创新

协作机器人的技术遗产

从技术演进的角度审视，协作机器人为人形机器人的发展提供了多项重要遗产。首先是力矩感知与限力控制技术——关节力矩传感器与安全控制算法的结合，使得机器人在共享空间中与人类安全共存成为可能。其次是模块化关节设计——协作机器人的标准化关节模组为人形机器人的关节集成提供了可借鉴的工程范式。再次是轻量化结构设计——协作机器人对材料与结构的持续优化，为人形机器人的高功率密度追求提供了技术基础。

人形机器人的技术突破

与此同时，人形机器人的发展也在多个维度上实现了技术突破。在执行器架构上，以准直驱为代表的新一代驱动器方案突破了传统工业机器人的技术范式，为高动态性能机器人的设计提供了新的可能性。在传动系统上，行星滚柱丝杠的工程化应用填补了重载线性传动的技术空白，为人形机器人的腿部执行器提供了可靠的解决方案。在传感配置上，触觉传感与多模态感知的融合，正在开辟机器人感知的新维度。

技术收敛的信号

值得注意的是，协作机器人与人形机器人在技术路线上呈现出一定程度的收敛趋势。例如，协作机器人领域开始探索更低减速比的驱动器方案，以提升响应带宽与控制精度；而人形机器人领域则开始关注关节柔顺性与安全性的平衡，不再一味追求刚性与精度。这种双向的技术探索，预示着两类产品在某一技术节点上可能实现更深度的融合。

结语

协作机器人与人形机器人，代表了机器人技术在不同应用场景下的工程优化方向。前者的核心命题是人机共存安全，其结构设计围绕力矩感知与碰撞响应展开；后者的核心命题是双足运动智能，其结构设计围绕动力学性能与自主性展开。两者在设计哲学上的差异，远大于其在具体技术方案上的相似性。