专题三之执行器系统：核心部件，顺势启航

执行器是人形机器人硬件系统的关键部件。近些年的研究和应用主要围绕结构设计、减速器、控制方式等方面。技术方案经历了从刚性到弹性，再到准直驱的发展，集成度、控制精度逐步提升，能量损耗逐步降低，对减速器传动比需求逐步减小。目前刚性执行器方案成熟度高、控制精度高，成为人形机器人执行器的主流技术方案。准直驱方案集成度高、能量效率高，在人形机器人、四足机器人等领域应用前景可观。 电机、减速器、丝杠、编码器、力传感器是核心零部件。1）电机：执行器系统的“血管”。人形机器人主要采用集成度高、运动控制精度高、扭矩输出效率高的无框力矩电机。人形机器人的普及将带动无框电机市场规模增长。2）减速器：电机和传动装置之间的桥梁。旋转执行器普遍采用体较小的谐波减速器；直线执行器通常选择高负载的RV减速器或精密行星减速器。谐波减速器、RV减速器技术发展依赖于专业化生产设备和材料等，目前日本哈默纳科、纳博特斯克处于领先地位。3）丝杠：直线执行器的传动装置。受益于机器人等高端制造领域快速发展，高负载的行星滚柱丝杠具备较大发展潜力。 目前瑞士Rollvis、GSA，瑞典SKF，美国Exlar、Moog等企业处于领先地位。 4）编码器：驱控信息的反馈装置。常用于机器人的有光电编码器、磁编码器。目前光电编码器技术更成熟，更达的精度更高。磁编码器理论成本更低，未来前景可观。全球来看，欧美日韩占据主要市场，奥普光电等国产品牌快速崛起。5）力传感器：电机输出力矩的反馈装置。六维力传感器能够检测最完整的三维空间力/力矩，是当前研究的重点。其弹性结构体结构设计是技术突破的关键。目前国内仅有宇立仪器、坤维科技等少数企业能够实现量产。 投资建议：人形机器人有望先在工商业普及，逐步拓展至家用、公共领域，发展成为千亿美元级蓝海市场。执行器作为价值量占比最高的部件，有望直接受益于人形机器人的普及。相关标的有：1）总成：三花智控、拓普集团； 2）电机：步科股份、昊志机电；3）减速器：哈默纳科、纳博特斯克、绿的谐波、双环传动、中大力德；4）丝杠：鼎智科技、恒立液压、贝斯特；5）编码器：奥普光电；6）力传感器：柯力传感。 风险提示：技术研发不确定性风险、降本进程不及预期、商业化落地不及预期、三方数据失真风险 1.执行器：人形机器人硬件系统关键部件 1.1兼具精度和成本优势，电动执行器是首选动力方式 执行器（Actuator）是根据给定信号与阀门位置反馈量之间的偏差，通过微型控制电机运行，通过变速及执行机构输出位置，实现对阀门的自动调节。人形机器人关节执行器，也称为一体化关节，是机器人的关键部件，其技术水平直接影响人形机器人的发展。 图表1：执行器原理 根据动力来源的不同，执行器可分为液压、气动、电机等。由于电机驱动方式具有成本低、控制精度高、密闭性好等特点，人形机器人执行器一般采用该驱动方式。 气压驱动：常见于点到点的控制。随着气动肌肉和气压伺服技术的发展，气压驱动逐渐被应用到人形机器人中。但是空气的可压缩性和延迟特性使得气压驱动方式难以实现精准控制，此外还具有能量效率低、气压出力小等缺点，故目前使用较少。 图表2：气压驱动机器人 液压驱动：不需要采用减速装置，驱动结构简单；同时还具备输出力大、功率重量比高的优点，故被用作早期阶段人形机器人的主要动力来源。美国波士顿动力公司发布的Petman和Atlas均采用液压驱动方式。但是液压驱动精度较低，制造和维修成本高，目前无法满足大规模商业化的需要，故逐步被电机驱动方式所替代。 图表3：液压驱动机器人 电机驱动：具有控制精度高、成本低等优势，是服务机器人、人形机器人首选动力方式。但是电机驱动的功率密度不如液压驱动，在应用中往往需要搭配减速装置，增大了回程间隙等误差；同时也较难适应大负载、野外等场景。未来的发展方向主要是提高驱动系统的负载能力和柔性，使其能够适应多元应用场景需求。 图表4：电机驱动机器人 1.2刚性执行器是主流方案，准直驱执行器前景广阔 人形机器人电动执行器的研究和应用始于20世纪70年代，技术迭代主要围绕结构设计、减速器、控制方式等方面。结构设计上，执行器结构设计经历了从独立设计到和整机融合的发展，技术层面经历了从刚性到弹性，再到准直驱的发展，集成度逐步提升。减速器上，执行器用减速器经历了从大传动比到小传动比的演变，制造难度逐步降低。控制方式上，执行器控制方式经历了从位置控制到力位混合控制和阻抗控制的演变，控制精度逐步提升、能量损耗逐步降低。 刚性执行器（Traditional Stiffness Actuator）：1983年早稻田大学研究的WL-10R机器人使用刚性执行器TSA，自此人形机器人开始广泛应用刚性执行器为关节动力源。该方案控制精度高、技术成熟，目前也是人形机器人执行器的主流方案。 弹性执行器（Series Elastic Actuator）：1995年麻省理工学院的Pratt等人提出了弹性执行器SEA的概念，拉开了弹性驱动器研究的序幕。美国宇航局的机器人Valkyrie和意大利技术研究院的机器人Walk-Man都使用了弹性驱动器。 准直驱执行器（Proprioceptive Actuator）：2016年Wensing等提出了准直驱执行器PA的概念，并将其应用于四足机器人Cheetah和双足机器人Hermes，准直驱执行器是最近几年研究的热点。 图表5：机器人执行器发展历程 1.2.1刚性执行器：控制精度高，能量效率低 刚性执行器主要由电机、高传动比减速器、编码器、力矩传感器和控制板等组成，力矩传感器是可选器件。根据《双足机器人腿部及其驱动器的设计理论与关键技术研究》一文，Lola、SDR、DynamixelPro Series等机器人的执行器采用该方案。它们在电机上，多选择无刷电机；在减速器上，绝大多数刚性执行器方案采用谐波减速器、少部分采用摆线针轮减速器；在编码器上，几乎都采用绝对式编码器。 目前刚性执行器结构设计基本定型，前瞻研究主要集中在电机和减速器等零部件的整体优化设计上。从实际应用来看，刚性执行器具备控制精度高、稳定性好等特点，成为主流方案。但是受限于元器件工艺和原理，传统刚性执行器的功率密度很难达到生物肌肉的水平500 W/kg，同时也解决不了机器人受外部冲击时零部件强度问题，故很难适配大负载、高运动强度的关节部位。 图表6：刚性执行器结构 图表7：部分刚性执行器型号对比 1.2.2弹性执行器：功率调制好，控制方式相对复杂 弹性执行器主要借鉴Hill肌肉三元素力学模型，通过模拟动物利用骨骼肌肉系统在运动过程中储存和释放能量的过程，使得执行器表现出柔顺、安全和高能量效率特性。从结构上看，弹性执行器在刚性执行器基础上增加了弹性元件。根据弹性元件原理和结构设计的不同，目前市面上主要有串联弹性执行器、并联弹性执行器、离合式弹性执行器和多模态弹性执行器几类产品。 串联弹性执行器SEA（SeriesElastic Actuator）：是在刚性执行器的驱动元件和负载间增加弹性单元，从而具有缓冲机器人触地冲击和缓解外部碰撞冲击的作用，同时还可以储存能量。但是由于弹性元件引入，系统变为欠驱动系统，运动控制精度较低。 并联弹性执行器PEA（Parallel Elastic Actuator）：弹性元件的连接方式由串联改变为并联。相对传统刚性执行器，此方案可以显著提高输出功率，降低能量损耗。根据《双足机器人腿部及其驱动器的设计理论与关键技术研究》一文，在实现平滑轨迹跟踪，尤其是在稳定性和对冲击的鲁棒性（在受冲击时仍能保持正常工作的能力）方面，机器人手部引入此方案具有优势。 离合式弹性执行器CEA（Clutched Elastic Actuator）：是在弹性元件位置增加离合装置，控制弹性元件开合，从而能控制能量储存和释放，大幅提高了能量效率。 多模态弹性执行器MEA（Multi-mode Elastic Actuator）：是将多个执行器集成为一个系统，能够集合多方面优势。根据《双足机器人腿部及其驱动器的设计理论与关键技术研究》一文，Mathijssen等使用多个带有锁紧环和锁板的不完全齿轮作为与电机并联的间歇结构。结构表明此装置可以降低电机扭矩要求，提高效率。目前由于此方案结构复杂，系统建模和控制也十分复杂，相关技术应用案例较少。 图表8：弹性执行器结构 1.2.3准直驱执行器：控制方式简单，能量效率高 准直驱执行器依靠电机开环力控，不依赖于附加力或力矩传感器。其优点是功率密度高，力控带宽大，抗冲击能力强等。最理想的技术方案是电机直接驱动，但受限于工艺和技术，电机直驱的扭矩密度不能满足机器人应用需求，故实践中仍然采用电机加低传动比减速器的方案。同时此方案要求负载质量和转动惯量尽可能小，故多用于机器人的低负载关节。 从结构上看，准直驱执行器由高扭矩密度电机、低传动比减速器、编码器和控制板等组成。根据《双足机器人腿部及其驱动器的设计理论与关键技术研究》一文，部分设计方案在电机基座和内齿圈间增加了离合结构，用于抵挡外界冲击造成的能量损耗，保护减速器。在编码器的使用方面，目前单编码器方案还没有很好地解决断电后回零位的问题，故主流设计方案多采用双编码器或单个新型多圈绝对值编码器。 图表9：准直驱执行器结构 1.2.4几种执行器的对比 对比几种执行器方案的控制精度、功率特性、能量效率、安全性和应用场景等，可以得知在控制精度方面，刚性、并联弹性、准直驱执行器控制相对简单且精度高。功率特性方面，几种弹性执行器功率调制较好。能量效率方面，离合式弹性、多模态、准直驱执行器效率高。安全性方面，准直驱执行器具有反驱特性，安全性好。 图表10：几种执行器方案性能对比 1.3特斯拉人形机器人执行器技术框架 我们以特斯拉Optimus机器人设计方案为例来分析执行器技术框架。Optimus Gen1执行器布置方案为14个直线执行器和14个旋转执行器，Optimus Gen2在颈部增加了2个旋转执行器，其余部位预计未做调整。30个自由度分布在颈部（2个旋转）、肩部（3个旋转）×2、大臂（1个直线）×2、小臂（2个直线+1个旋转）×2、腰部（2个旋转）、髋部（2个旋转）×2、大腿（2个直线）×2和小腿（2个直线）×2。 图表11：特斯拉OptimusGen2执行器方案 旋转执行器：伺服电机*1+减速器*1+力矩传感器*1+编码器*2+交叉滚子轴承*1+角接触球轴承*1。1）电机：采用无框力矩电机，预计为特斯拉自研方案。2）减速器：采用谐波减速器。3）力矩传感器：在手腕、脚腕部位可能会采用多维力传感器，其余部位用一维力传感器。4）编码器：采用输入位置和输出位置双编码器。 图表12：特斯拉Optimus旋转执行器方案 直线执行器：伺服电机*1+减速器*1+力矩传感器*1+编码器*2+丝杠*1+深沟球轴承*1+四点接触球轴承*1。1）电机：采用无框力矩电机，预计为特斯拉自研方案。2）减速器：可以使用行星减速器、RV减速器。3）力传感器：预计采用一维力传感器。4）编码器：预计采用双编码器配置。5）丝杠：采用反向式行星滚柱丝杠，刚度高。 图表13：特斯拉Optimus直线执行器方案 2.电机：执行器系统的“血管” 电机（Motor）相当于执行器的“血管”，其作用是根据所接收的力矩、速度、位置等指令信号，带动机械部件实现特定运动。同时电机中的多种传感器，如编码器、力传感器等，还会将电机与机械部件的实时运作信息反馈给驱动器和控制器，从而完成精准运动控制。 根据用途的不同，电机可以分为驱动类电机、控制类电机、信号类电机。机器人中的电机主要任务是完成对机械运动的精准控制，所以属于控制类电机。根据控制方式的不同，又可以分为步进电机、伺服电机和力矩电机，机器人对运动精准度要求，所以主要采用伺服电机或力矩电机。 图表14：伺服驱动系统工作流程 图表15：电机分类 2.1伺服电机：无刷、直流方案是主要发展方向 伺服电机（Servomotor）是指在伺服系统中