前 言

雙足人(rén)形機器(qì)人(rén)被譽為(wèi)“制造業皇冠上(shàng)的瑰寶”，它集成了(le)多種人(rén)工智能(néng)子(zǐ)領域，如(rú)通用語言智能(néng)、邏輯推理(lǐ)智能(néng)、感知智能(néng)、運動控制智能(néng)和情感智能(néng)等，是具身(shēn)智能(néng)（Embodied Intelligence）的直接體(tǐ)現(xiàn)。此外，雙足人(rén)形機器(qì)人(rén)也(yě)是機械制造精度、使用壽命、複雜度和成本要求極高的集合體(tǐ)。

在許多應用場(chǎng)合，雙足人(rén)形機器(qì)人(rén)可協助或可替代人(rén)類工作(zuò)，如(rú)家庭助手、災難救援、防爆和反恐等。科學家和科技企業長期以來(lái)都在追求機器(qì)人(rén)的運動性能(néng)，以期達到或接近人(rén)類的水平。然而，無論是本田的ASIMO，還是波士頓動力的ATLAS，亦或是優必選的Walker，它們的運動性能(néng)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)未能(néng)達到或超越人(rén)類或動物。

2022年9月(yuè)(yuè)30日，特斯拉首席執行官馬斯克在特斯拉AI Day上(shàng)展示了(le)特斯拉的第一(yī)個(gè)人(rén)形機器(qì)人(rén)原型Optimus。在舞台上(shàng)，機器(qì)人(rén)以緩慢(màn)的速度揮手，展示了(le)簡單的舞蹈動作(zuò)。特斯拉還展示了(le)一(yī)些(xiē)機器(qì)人(rén)執行其他任務(wù)的視(shì)頻片段，如(rú)搬箱子(zǐ)、給花澆水。馬斯克表示，“機器(qì)人(rén)能(néng)做的事(shì)情比我們展示的要多得多。我們隻是不希望它摔倒。”

從阿童木、變形金(jīn)剛、高達、機器(qì)貓、新(xīn)世紀福音(yīn)戰士、戰鬥天使阿麗(lì)塔，到特斯拉機器(qì)人(rén)，實現(xiàn)夢想的道路(lù)上(shàng)還有許多技術難關(guān)需要攻克。盡管如(rú)此，正如(rú)馬斯克所說(shuō)，“這(zhè)将是文明的根本轉變。”

“我認為(wèi)這(zhè)個(gè)需求可能(néng)達到100億台，這(zhè)是一(yī)個(gè)瘋狂的數字。”馬斯克還強調，“機器(qì)人(rén)的需求将超過汽車，特斯拉的長期價值主要将體(tǐ)現(xiàn)在Optimus上(shàng)。我對這(zhè)個(gè)預測充滿信心。”

今天，我們或許正站(zhàn)在人(rén)類最偉大發明的起點。

人(rén)形機器(qì)人(rén)核心硬件——驅動器(qì)

機器(qì)人(rén)關(guān)節驅動器(qì)（亦被稱為(wèi)機電執行器(qì)）是雙足人(rén)形機器(qì)人(rén)的核心組件，并在此類機器(qì)人(rén)的生(shēng)産成本中占據極高份額，約占總成本的50%。驅動器(qì)的動力來(lái)源可以劃分(fēn)為(wèi)液壓、氣動、電機驅動、記憶金(jīn)屬、生(shēng)物類（如(rú)心肌細胞）等類别。從當前主流的人(rén)形機器(qì)人(rén)來(lái)看，僅有波士頓動力公司選擇液壓驅動方式，而其他大部分(fēn)的機器(qì)人(rén)都使用的是電機驅動的驅動器(qì)。電機驅動器(qì)主要由電機、減速器(qì)、編碼器(qì)、控制闆和控制軟件等組件構成。

在設計雙足人(rén)形機器(qì)人(rén)關(guān)節運動時(shí)，可以參照人(rén)類自身(shēn)的運動方式。例如(rú)，其運動速度較快(kuài)、機動性能(néng)優良、步幅和步頻多樣化(huà)、着地點分(fēn)散、能(néng)夠承受一(yī)定程度的高速碰撞等運動特性。為(wèi)了(le)滿足這(zhè)些(xiē)運動需求，驅動器(qì)需要具備高能(néng)量密度、高響應性、高能(néng)量利用效率和抗沖擊性等特性。

1971年，早稻田大學加藤一(yī)郎教授成功地開發了(le)全球首款三維雙足機器(qì)人(rén)WAP-3，實現(xiàn)了(le)行走的能(néng)力，為(wèi)雙足人(rén)形機器(qì)人(rén)的研發開啓了(le)序章。

1983年，早稻田大學研究的WL-10R機器(qì)人(rén)開始采用剛性驅動器(qì)TSA (traditional stiffness actuator)作(zuò)為(wèi)關(guān)節動力源。自那時(shí)起，雙足人(rén)形機器(qì)人(rén)開始廣泛使用剛性驅動器(qì)。

1995年，麻省理(lǐ)工學院的Pratt等人(rén)提出了(le)彈性驅動器(qì)SEA (series elastic actuator)的概念，這(zhè)标志着彈性驅動器(qì)研究的開始。美國宇航局的機器(qì)人(rén)Valkyrie和意大利技術研究院的機器(qì)人(rén)Walk-Man都使用了(le)彈性驅動器(qì)。

2016年，Wensing等人(rén)提出了(le)準直驅驅動器(qì)PA (proprioceptive actuator)的概念，并将其應用在了(le)四足機器(qì)人(rén)Cheetah和雙足機器(qì)人(rén)Hermes中。現(xiàn)今，準直驅驅動器(qì)在四足機器(qì)人(rén)領域被廣泛應用。

剛性驅動器(qì)

剛性驅動器(qì)主要由電機、高傳動比減速器(qì)、編碼器(qì)、力矩傳感器(qì)和控制闆等組成。

在當前市(shì)場(chǎng)上(shàng)，主流關(guān)節設計均采用諧波減速器(qì)。工程師們的主要工作(zuò)集中在優化(huà)驅動器(qì)設計流程，構建電機和減速器(qì)參數的動力學模型。然而，基于元器(qì)件的工藝和原理(lǐ)限制，傳統的剛性驅動器(qì)在功率密度上(shàng)難以達到與生(shēng)物肌肉相媲美的水平。

因此，盡管剛性驅動器(qì)仍然是市(shì)場(chǎng)主流的人(rén)形機器(qì)人(rén)關(guān)節方案，但(dàn)對其中減速器(qì)的需求仍未被完全滿足。新(xīn)型的，結合RV和諧波兩種減速器(qì)優點的減速器(qì)，将成為(wèi)未來(lái)的發展方向。

彈性驅動器(qì)

機器(qì)人(rén)所使用的剛性驅動器(qì)，在行走、奔跑和跳(tiào)躍等行為(wèi)的執行能(néng)力上(shàng)，明顯無法比肩人(rén)類與動物的水平。而人(rén)類與動物則是利用肌肉系統來(lái)完成這(zhè)些(xiē)動作(zuò)。動物的骨骼肌肉系統，具備剛柔并濟的特性，能(néng)夠在運動過程中儲存并釋放(fàng)能(néng)量，調節能(néng)量在時(shí)間(jiān)和功率密度上(shàng)的不對稱性，提升關(guān)節的瞬時(shí)爆發力，高效循環利用能(néng)量，實現(xiàn)着陸的緩沖效果。因此，科研人(rén)員(yuán)研究多種自适應的彈性驅動器(qì)，以模拟肌肉系統的功能(néng)，使關(guān)節能(néng)夠表現(xiàn)出柔韌、安全和高效的能(néng)量效率特性。

此外，針對單一(yī)驅動器(qì)無法滿足機器(qì)人(rén)在瞬間(jiān)産生(shēng)高輸出扭矩、能(néng)量效率和抗沖擊能(néng)力需求的問題，工程師提出了(le)采用多模式彈性驅動器(qì)的概念。

 特斯拉在Optimus機器(qì)人(rén)項目中充分(fēn)汲取了(le)彈性驅動器(qì)研究的經驗，創新(xīn)性地在人(rén)形機器(qì)人(rén)設計中采用了(le)滾柱絲杠的線性關(guān)節驅動方案，在提升能(néng)源利用效率和減震性能(néng)方面獲得了(le)顯著的成果。同時(shí)，這(zhè)也(yě)使得滾柱絲杠這(zhè)一(yī)機械結構得以進入公衆的視(shì)線之中。

準直驅驅動器(qì)

準直驅驅動器(qì)，亦稱本體(tǐ)驅動器(qì)，其含義為(wèi)依賴驅動器(qì)電機的開環力控，無需額外的力或力矩傳感器(qì)，就(jiù)能(néng)感知機器(qì)人(rén)腳部與外界交互的力。在理(lǐ)想狀态下(xià)，電機直驅驅動器(qì)是最佳選擇，但(dàn)由于電機工藝和技術的限制，電機直驅驅動器(qì)的扭矩密度難以滿足機器(qì)人(rén)應用的需求。因此，采用了(le)電機加低(dī)傳動比減速器(qì)的折衷方案，同時(shí)要求負載質量和轉動慣量盡可能(néng)小，以實現(xiàn)高帶寬力控和良好(hǎo)(hǎo)的抗沖擊能(néng)力。準直驅驅動器(qì)主要由高扭矩密度電機、低(dī)傳動比減速器(qì)、編碼器(qì)和控制闆等組成。

準直驅驅動器(qì)具有較高的功率密度，寬廣的力控帶寬，以及強大的抗沖擊能(néng)力。然而，由于其負載能(néng)力相對較弱、轉動慣量需要較小，目前主要應用于四足狗和八足蜘蛛等仿生(shēng)機器(qì)人(rén)。在人(rén)形機器(qì)人(rén)領域的應用相對較少，特斯拉機器(qì)人(rén)并未采納相關(guān)設計方案。

驅動器(qì)技術難點

剛性驅動器(qì)最早被引入到雙足人(rén)形機器(qì)人(rén)的設計中，其相關(guān)的理(lǐ)論框架也(yě)趨于成熟，已在傳統雙足機器(qì)人(rén)、工業機器(qì)人(rén)、協作(zuò)機器(qì)人(rén)及工業精密轉台等多領域得以廣泛應用。然而，受制于電機及減速器(qì)的功率密度，在适宜工作(zuò)區間(jiān)内的最大輸出功率密度隻能(néng)達到200至300瓦/千克，與動物肌肉的500瓦/千克相比，存在顯著差距，從而限制了(le)其在雙足人(rén)形機器(qì)人(rén)上(shàng)的應用。

目前剛性驅動器(qì)最大的難點在于新(xīn)型減速器(qì)的研發。

彈性驅動器(qì)已經曆了(le)漫長的發展曆程，積累了(le)衆多成果。但(dàn)是，由于彈性體(tǐ)的引入，導緻系統為(wèi)欠驅動系統，控制問題凸顯，特别是在機器(qì)人(rén)腿部使用時(shí)，實現(xiàn)整機運動控制存在較大難度。

準直驅驅動器(qì)是近年來(lái)的新(xīn)興技術，發展迅速，得到了(le)多産品應用，如(rú)麻省理(lǐ)工學院的Cheetah、宇樹科技的Laikago以及雲深處科技的絕影等。設計的初衷是提高驅動器(qì)的扭矩密度、瞬間(jiān)響應性和抗沖擊能(néng)力，同時(shí)降低(dī)成本。然而，負載質量和轉動慣量的限制要求也(yě)限制了(le)準直驅動器(qì)的應用範圍。基于上(shàng)述原因，目前準直驅動器(qì)的應用以四足、六足、八足等為(wèi)主，應用到雙足的難度較大。

剛性驅動器(qì)的核心——減速器(qì)

目前，在機器(qì)人(rén)應用中主要有兩種類型的減速器(qì)，一(yī)種是諧波減速器(qì)，另一(yī)種是RV減速器(qì)。

諧波傳動起源于美蘇之間(jiān)的争霸時(shí)期，主要目的是滿足緊湊、輕便和體(tǐ)積小的傳動需求。這(zhè)個(gè)概念最初由蘇聯的科學家提出。美國發明家馬瑟運用了(le)金(jīn)屬的撓性和彈性力學原理(lǐ)，設計出實用的諧波減速器(qì)。他在1955年提交了(le)專利申請，1959年獲得批準，并在1960年的紐約展示了(le)原型。下(xià)圖展示了(le)諧波減速器(qì)的主要組成部分(fēn)，包括剛性輪、柔性輪和波發生(shēng)器(qì)三部分(fēn)。

諧波減速器(qì)的核心優勢在于其簡約的零部件數量，便捷的安裝程序和較低(dī)的生(shēng)産成本。同時(shí)，它具備體(tǐ)積小、重量輕和高精度的優勢，相較于傳統齒輪裝置，體(tǐ)積隻有三分(fēn)之一(yī)，重量隻有二分(fēn)之一(yī)，卻能(néng)維持相等的轉矩容量和減速比，實現(xiàn)了(le)緊湊型的輕量化(huà)設計。然而，諧波減速器(qì)的主要缺點在于其剛性不足，對沖擊的耐受力較弱，以及扭矩承載力不足。

對于人(rén)形機器(qì)人(rén)來(lái)說(shuō)，諧波減速器(qì)在上(shàng)肢和手腕等部位有出色的适用性，但(dàn)在髋部和腿部等部位，卻稍顯不足。

而現(xiàn)在廣泛應用于工業機器(qì)人(rén)及協作(zuò)機器(qì)人(rén)的RV減速器(qì)則最早出現(xiàn)于日本。RV減速器(qì)是在傳統擺線針輪、行星齒輪傳動裝置的基礎上(shàng)發展起來(lái)的傳動機構。它由日本納博特斯克（Nabtesco）公司的前身(shēn)——日本帝人(rén)制機公司于1985年完成研發。

相較于諧波減速器(qì)，RV減速器(qì)的關(guān)鍵優勢在于其加工工藝和裝配工藝。它具有較高的疲勞強度、剛度和使用壽命，與諧波傳動不同，RV減速器(qì)的運動精度随着使用時(shí)間(jiān)的增長并不會顯著降低(dī)。然而，其缺點在于重量較大和外形尺寸較大，這(zhè)在一(yī)定程度上(shàng)限制了(le)其在人(rén)形機器(qì)人(rén)上(shàng)的應用。

減速器(qì)的競争格局

減速器(qì)是機器(qì)人(rén)核心領域的核心，其中，歐洲及日本的企業，以其技術實力和規模效應占優。在減速器(qì)的材料選取、設計水平、質量管控、精度保證、功率密度、可靠性及使用壽命等關(guān)鍵性能(néng)維度，德國、日本的企業展現(xiàn)出領先優勢。全球減速器(qì)産業的領軍者，包括日本的納博特斯克和哈默納克，歐洲的SEW和弗蘭德，以及其他國際知名的減速器(qì)制造商(shāng)，如(rú)德國的倫茨、布雷維尼、邦飛利，日本的住友以及德國的諾德等。

RV減速器(qì)與諧波減速器(qì)由兩家日本企業占據着市(shì)場(chǎng)的主導地位。納博特斯克，作(zuò)為(wèi)RV減速器(qì)的巨頭，其市(shì)場(chǎng)影響力深厚。根據納博特斯克2021年的年度報(bào)告，其在全球市(shì)場(chǎng)的占有率高達60%。截至2021年年底，納博特斯克的RV減速器(qì)産能(néng)達到95萬台，預計在2022年底将進一(yī)步擴産至106萬台，大幅度超過了(le)國内廠商(shāng)，如(rú)中大力德、環動科技等合計的74萬台總産能(néng)。在諧波減速器(qì)市(shì)場(chǎng)，哈默那科處于主導地位，僅在2022年3月(yuè)(yuè)，哈默那科的諧波減速器(qì)産能(néng)就(jiù)已達到150萬台（不包括車載部分(fēn)），加上(shàng)車載合計為(wèi)222萬台産能(néng)，而國内的綠(lǜ)的諧波和來(lái)福諧波等品牌的産能(néng)總和則為(wèi)140萬台。

下(xià)圖是兩種常見減速器(qì)在中國市(shì)場(chǎng)的占有率，從中也(yě)可以看到日本兩大巨頭的領先優勢。

2022年中國工業機器(qì)人(rén)用諧波減速器(qì)市(shì)場(chǎng)占比情況（單位：%）

2022年中國工業機器(qì)人(rén)用RV減速器(qì)市(shì)場(chǎng)占比情況（單位：%）

減速器(qì)的研發難度

減速器(qì)作(zuò)為(wèi)精密機械裝置，其研發難度無外乎三點：設計、材料、機加工精度。

設計，以諧波減速器(qì)的齒形設計為(wèi)例。由于諧波減速器(qì)的傳動原理(lǐ)是兩個(gè)齒輪間(jiān)的齧合運動，且柔輪不斷發生(shēng)形變，齒輪的高度、寬度、形狀等設計對其減速性能(néng)具有顯著影響。傳統的齒形設計為(wèi)漸開線齒輪，而哈默那科首先設計出IH齒形，綠(lǜ)的諧波采用三次諧波理(lǐ)論，創新(xīn)研發P型齒，從而提高了(le)精度與剛度。

材料：減速器(qì)對材料的一(yī)緻性、載荷、精度、疲勞壽命都有嚴格要求，而普通金(jīn)屬和合金(jīn)難以滿足這(zhè)些(xiē)要求。因此，優秀的減速器(qì)研發一(yī)定是伴随着金(jīn)屬材料的進步。

機加工精度：減速器(qì)主要由各種齒輪組成，對機加工和切割的要求較高，有些(xiē)過程仍然依賴于員(yuán)工的經驗積累。此外，機加工的一(yī)緻性也(yě)非常重要，在規模化(huà)量産的情況下(xià)，提高良品率、保持産品一(yī)緻性具有很大難度。

中國驅動器(qì)與減速器(qì)行業的未來(lái)

不可否認，當前在RV減速器(qì)及諧波減速器(qì)領域，中國企業與日本企業仍存在顯著差距，這(zhè)種差距主要體(tǐ)現(xiàn)在産品性能(néng)和産能(néng)規模方面。然而，我們也(yě)需認識到，在國家政策大力扶持下(xià)，中國企業已經取得顯著進步，并已經在國内市(shì)場(chǎng)開始搶占日本企業的份額，同時(shí)也(yě)已經在全球範圍内向着國際企業供貨。

此處，借用我國某知名的減速器(qì)專家的觀點，我國減速器(qì)發展的優勢主要體(tǐ)現(xiàn)在四個(gè)方面。

第一(yī)，高層領導重視(shì)、時(shí)刻關(guān)注，國家與企業研發投入巨大；第二，中國的人(rén)才儲備已經超過日本，日本現(xiàn)在懂RV減速器(qì)的專家隻有3個(gè)，而我們國家有20多個(gè)；第三，自動化(huà)優勢，日本減速器(qì)企業自動化(huà)水平低(dī)，基本靠的是老師傅的工裝水平，而我國的自動化(huà)水平較高，未來(lái)發展潛力巨大；第四，成本優勢，以諧波減速器(qì)為(wèi)例，日本同行的價格約為(wèi)3000-4000元，而國産同水平減速器(qì)價格約為(wèi)2000-2500元，性價比更高。

我國的減速器(qì)企業基本都是從齒輪企業進化(huà)未來(lái)，在未來(lái)可預見的3-5年，中國的高精度減速器(qì)将在技術水平上(shàng)達到日本同行的水平，那時(shí)，減速器(qì)将不再成為(wèi)卡脖子(zǐ)産品。

而驅動器(qì)則是減速器(qì)、電機、編碼器(qì)等共同組成的組件，對廠家的要求則更加綜合，需要能(néng)夠綜合電子(zǐ)、計算(suàn)機、機械精加工等多種行業經驗。目前在人(rén)形機器(qì)人(rén)領域，身(shēn)位領先的企業都是從汽車配套産業鏈而來(lái)，如(rú)三花智控、拓普集團等。

以下(xià)為(wèi)我國主要減速器(qì)生(shēng)産企業的産品類型及銷售規模對比：

寫在最後

随着工業自動化(huà)在各種領域的深化(huà)實踐，中國的機器(qì)人(rén)驅動器(qì)企業與減速器(qì)企業正在迎來(lái)最好(hǎo)(hǎo)的發展階段。而随着特斯拉人(rén)形機器(qì)人(rén)持續地更新(xīn)叠代，以及國内各大廠商(shāng)在人(rén)形機器(qì)人(rén)領域的深度研發，機器(qì)人(rén)驅動器(qì)企業與減速器(qì)企業将迎來(lái)一(yī)個(gè)更為(wèi)廣闊的發展空間(jiān)，行業的增長天花闆正在持續地提升。

我們深信，那些(xiē)願意加大研發投入，不斷進行創新(xīn)，銳意進取，并且具備優秀管理(lǐ)和人(rén)才的企業，将在這(zhè)個(gè)長坡厚雪的競争賽道中，獲得豐厚的收益。

星辰大海，前途無量。

免責聲明

本資料僅供本公司的合格投資者參考閱讀，不因接收人(rén)收到本資料而視(shì)其為(wèi)本公司的當然客戶。本資料基于本公司認為(wèi)可靠的且目前已公開的信息撰寫，在任何情況下(xià)，本資料中的信息或所表述的意見不構成廣告、要約、要約邀請，也(yě)不構成對任何人(rén)的投資建議(yì)。本資料版權均歸本公司所有。未經本公司事(shì)先書面授權，任何機構或個(gè)人(rén)不得以任何形式引用或轉載本資料的全部或部分(fēn)内容。