高盛研报质疑人形机器人硬件瓶颈？中国技术突破给出有力回应

近日，素有资本市场“风向标”之称的高盛发布研报指出，当前人形机器人硬件虽表现稳健，但距离能够真正履行功能型任务并“上岗”应用，还有相当长的路程要走。

研报强调，人形机器人要实现大规模落地应用，需在软件和硬件上进行多次迭代。这一观点随即引发了行业内外对于人形机器人硬件系统的广泛关注。关节模组（即关节执行器）作为人形机器人硬件系统中的核心组件，自然也成为了行业关注的焦点。

资料来源：山西证券研究所根据公开资料整理

人形机器人硬件系统，高度集成且极为复杂，包括结构件、传感器、执行器、控制器等多个重要组成部分。其中，执行器作为实现机器人运动功能的基础和核心保障，负责驱动和控制机器人各个关节和部件的运动，使机器人能够模拟人类的运动行为。无论是行走、抓取物体还是执行其他复杂动作，都离不开执行器的精准控制和驱动。也因此，执行器的性能与选择，直接关联到人形机器人的运动能力、动作精度以及运行稳定性。可以说，执行器技术的发展是影响人形机器人落地发展的关键因素之一。

资料来源：特斯拉AI Day，Vehicle，中航证券、行行查

▍旋转or直线？人形机器人执行器路线与发展现状解析

那么，人形机器人对执行器究竟有哪些具体需求？当前执行器的发展现状又是如何呢？

出于在设计、性能、用户体验和运行成本等多方面需求考量，人形机器人对执行器多个方面都提出了较高要求。为了驱动机器人关节克服重力、摩擦力等外部阻力，完成各种复杂动作，执行器必须具备足够的力和扭矩。同时，为了确保机器人的运动轨迹和位置控制准确无误，执行器还需要具有高精度。此外，考虑到机器人快速变化的运动状态和应用场景的多样性，执行器也需具备良好的响应速度、动态性能，以及轻量化、节能、低噪音等特性。

资料来源：《智能电动执行器关键技术的研究和开发（2012年）》，长城证券产业金融研究院

目前，执行器主要由电机（驱动装置）、减速器（传动装置）、编码器（传感装置）、驱动系统（伺服驱动器和伺服软件）等多种零部件组成。从运动类型来看，市场上主流的执行器方案主要分为旋转执行器和直线（线性）执行器两大类。

旋转执行器是人形机器人中常用的执行器类型，通常由电机、减速机、编码器和驱动系统等部件组成。人形机器人中应用的旋转执行器多采用伺服电机搭配行星减速机或谐波减速机的方案，将电机输出由高速低扭转化为低速高扭的旋转运动，使机器人能够完成各种复杂的旋转动作。

行星减速机方案

旋转执行器具有小速比、大过载、高刚性等特点，适应各种地形地貌，且能够输出较大的转矩，常常被用于人形机器人肩髋等需要大角度旋转的关节。然而，旋转执行器也存在结构相对复杂、设计和制造难度较大，以及可能存在回程间隙等误差影响运动精度的缺陷。此外，其增速启动转矩小，导致机器人不论寻走还是站立待机都需要电机做功，其耗电较快。通常，基于旋转执行器研发的人形机器人连续工作两三个小时就需要充电，功耗太高，负载能力也不够强。

反向式行星滚珠丝杠——直线型电驱关节

直线执行器的组成虽然也包括电机、传动部件、编码器和驱动系统等，但其核心在于将电机的旋转运动转换为直线运动。这一转换通常通过滚珠丝杠或行星滚柱丝杠等传动部件实现。直线执行器具有速比大、过载能力大、高刚性、承载能力强等特点，适用于高承载场景。同时，其增速启动转矩大，站立待机时电机做功显著降低，搬运重物行走时肘关节电机做功也显著降低，整体耗电水平远低于全旋转模组的方案。此外，直线执行器空间利用率高，可以纵向布局在机器人腿部等空间有限的位置，最大限度利用内部空间，布置更大更长的电机，从而提供更大的推动力。

特斯拉执行器

此外，通过集成力传感器，直线执行器可以提高控制的精确性，并为人形机器人关节的运动提供更精准的力反馈。因此，直线执行器通常被应用于人形机器人的腕、肘、膝和踝等关节部位。在直线执行器所提供稳定驱动力的支持下，人形机器人能够完成抓取物体或操作工具等精细操作任务。

也因此，特斯拉在其人形机器人Optimus大臂、小臂、大腿和小腿等关键部位部署了14个直线关节。通过大面积使用直线执行器，特斯拉显著提升了其人形机器人在运动控制方面的性能，并在物品识别、搬运以及精细操作等实际应用场景中取得重要进展。

而国内人形机器人研发商开普勒通过全面对标特斯拉，也推出了采用行星滚柱丝杠直线执行器、旋转执行器及触觉灵巧手的组合方案，高度模拟人类运动机理和作业方式的人形机器人。通过在大臂、小臂、大腿和小腿等部位巧妙布局行星滚柱丝杠执行器，开普勒实现了与人体运动结构高度相似的机器人运动模式。这一设计不仅大幅提升了机器人的负载能力，使其能够应对更复杂的任务，还通过高拟人化的仿生运动显著优化了功耗效率，为人形机器人的商业化落地提供了新的技术路径。

▍推力8000N！开普勒自研突破技术与量产瓶颈助推商业化

尽管伺服电机搭配行星滚柱丝杠的直线执行器在性能上具有显著优势，但由于人形机器人专用的行星滚柱丝杠因结构复杂、技术壁垒高、加工难度大、制造成本高、生产工艺复杂，其大规模应用一直受到限制。此外，行星滚柱丝杠方案在高功率密度、能效和成本等方面也仍存在诸多技术难点，亟待突破。

面对这些难题，开普勒团队从研究相关文献和技术资料入手，参考国外先进经验，从零开始设计了整个执行器和加工工艺。

在研发过程中，开普勒攻克了多项关键技术。其高精度行星滚柱丝杠参数匹配技术提高了执行器传动精度，保证了人形机器人的运动精度和承载能力。行星滚柱丝杠轻质小型化设计技术则通过合理匹配丝杠与应用场景，实现了结构的小型化和轻质化。此外，针对行星滚柱丝杠生产中的良品率低、生产效率低、工作可靠度低和单价高等问题，开普勒团队打破现有通用工艺方式束缚，探究出一种新型制造工艺，有效提高了丝杠副的冗余运动一致性和生产效率，从而大幅提升了行星滚柱丝杠的性价比。

经过近一年的打样、组装、测试与改进，开普勒团队终于成功研发出推力高达8000N的行星滚柱丝杠。

开普勒自研的行星滚柱丝杠方案具有诸多优势。其速比大、刚性高，单臂可轻松承载15kg负载，完全满足工业及重载应用需求。同时，该方案高效节能，站立待机时电机功耗大幅降低，续航能力显著提升，使人形机器人能够持续工作8小时。在负重行走时，肘关节电机能耗也得到有效降低，整体功耗优于全旋转模组方案。

基于自研的行星滚柱丝杠方案，开普勒进一步研发了直线执行器。集成电机、行星滚柱丝杠、编码器、驱动系统等部件，该执行器实现了比普通电机更精准的定位和更迅速的爆发力。在测试中，开普勒自研的单个直线执行器轻松拉起了宝马200公斤重的摩托车。而在后续更为严格的测试中，该执行器同样表现出色，拉动重达300公斤的重物也毫无压力。

此外，开普勒也自研了峰值扭矩达200N.m的旋转执行器，该执行器通过高扭矩电机结合智能算法，为人形机器人提供了强大驱动支持、持久输出和更高效稳定的运行，其重复定位精度能达到0.01度。

2023年11月，开普勒正式对外发布搭载了其自研行星滚柱丝杠执行器和旋转型执行器的先行者系列人形机器人，成为全球第二家成功自研多种型号行星滚柱丝杠执行器，并将其成功应用于机器人本体的企业。

据悉，先行者系列人形机器人售价在2-3万美金之间，与特斯拉擎天柱的价格相当。其身高175cm，体重83kg，全身共52个关节自由度，其中灵巧手共有22个自由度。根据不同应用场景，开普勒推出了基础款、科研款和工业款等多种型号。

目前，开普勒人形机器人已在多家头部客户中进入实际测试阶段，覆盖物料搬运、样品处理、巡逻巡检等多个领域。随着小批量量产的实现，开普勒人形机器人正式迈入市场应用的新阶段，有望在智能制造、仓储物流、特种行业及科研教育等领域发挥重要作用。

▍结语

执行器技术作为人形机器人实现高性能运动的核心，其突破将直接推动人形机器人加速进入商业化落地阶段。

开普勒的技术创新不仅推动了行星滚柱丝杠技术的进步，将加速人形机器人从实验室走向商业化落地的进程，也将为中国乃至全球人形机器人行业发展注入新活力。