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7月20日特斯拉財(cái)報(bào)電話會(huì)議上，馬斯克透露并確認(rèn)了人形機(jī)器人的多項(xiàng)細(xì)節(jié)，執(zhí)行器正式被馬斯克確定為人形機(jī)器人關(guān)鍵零部件。

其表示，目前，特斯拉已制作了大約10個(gè)Optimus機(jī)器人。但由于Optimus連執(zhí)行器都需要重新設(shè)計(jì)和定制，這一部件正成為限制特斯拉產(chǎn)能提升的巨大挑戰(zhàn)。

馬斯克預(yù)計(jì)，可能要到今年11月份特斯拉才有可能解決這項(xiàng)難題，但采用新部件后，將快速進(jìn)行行走測(cè)試，計(jì)劃明年在特斯拉工廠進(jìn)行實(shí)用性測(cè)試。

為什么享譽(yù)全球的特斯拉會(huì)困于小小的執(zhí)行器零部件?特斯拉人形機(jī)器人確定未來采用執(zhí)行器這種全新的零部件，是否會(huì)帶來全新的產(chǎn)業(yè)鏈風(fēng)口?

01 仿生設(shè)計(jì)帶來的改變

特斯拉的人形機(jī)器人中共有28個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，包括三種旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器和三種線性執(zhí)行器。分布于肩髖等需要大角度旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)所采用的主要是旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器，而線性執(zhí)行器主要分布于膝肘等擺動(dòng)角度不大的單自由度關(guān)節(jié)，以及腕踝兩個(gè)雙自由度但是體積緊湊的關(guān)節(jié)。

有研究指出，特斯拉人形機(jī)器人之所以采取這兩種執(zhí)行器部件，是因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)執(zhí)行器具有很高的扭矩密度和推力密度，這是機(jī)器人領(lǐng)域一種典型的“以小制大”技術(shù)，從而能夠讓機(jī)器人具有更輕的體重和一定的負(fù)載作業(yè)能力。

而不同部位采取不同執(zhí)行器則是特斯拉考慮到實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景來設(shè)計(jì)決定的。

這背后代表了一種全新仿生學(xué)的設(shè)計(jì)思路，也導(dǎo)致特斯拉很難通過傳統(tǒng)的工業(yè)品零部件開發(fā)流程來完成。

例如特斯拉人形機(jī)器人想要在家庭等場(chǎng)景中有著高動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力以及長(zhǎng)續(xù)航，那么整體采用電驅(qū)方式似乎就成了必然。

因?yàn)橐粋€(gè)能續(xù)航數(shù)小時(shí)的人形機(jī)器人，必然需要把能量利用率、損耗率放在了更靠前的位置。而電驅(qū)+模仿生物肌肉運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)，恰恰是目前世界上已經(jīng)被證明最具優(yōu)勢(shì)的方式。

而如果仔細(xì)觀察特斯拉機(jī)器人的行走運(yùn)動(dòng)方式能發(fā)現(xiàn)，其主要是由分布于大腿的線性執(zhí)行器帶動(dòng)膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，末端的結(jié)構(gòu)普遍較為纖細(xì)、輕便。

這背后，腿部的線性執(zhí)行器就充當(dāng)了至關(guān)重要的角色。因?yàn)榫€性執(zhí)行器可以通過絲杠機(jī)構(gòu)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械裝置的直線位移。

直線式驅(qū)動(dòng)的反向驅(qū)動(dòng)力最大，其能用較小的扭矩或力量讓形體保持在一個(gè)位置上，從而擁有穩(wěn)定負(fù)荷量以及較低的耗能，類似肌肉運(yùn)動(dòng)可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定保持某一個(gè)狀態(tài)。

這種仿生學(xué)的設(shè)計(jì)，一方面減輕了肢體末端的重量，另一方面將整體重心前移，讓其移動(dòng)的重心更靠近軀干位置，能夠大幅提升肢體的靈活性，也進(jìn)一步減少了綜合能耗比例。

特斯拉不是最早發(fā)現(xiàn)這種線性執(zhí)行器方案優(yōu)勢(shì)并加以嘗試?yán)玫钠髽I(yè)。

早在2019年，國(guó)產(chǎn)機(jī)器人核心零部件企業(yè)-因時(shí)機(jī)器人推出的一款仿人五指靈巧手，采用的其實(shí)就是線性執(zhí)行器加剛性連桿結(jié)構(gòu)方案。

這款仿人五指靈巧手具有6個(gè)自由度和12個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，亞毫米級(jí)定位精度和數(shù)千克的負(fù)載能力，可以模擬人手實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的抓取操作。

而實(shí)現(xiàn)這些的秘訣就在其內(nèi)部集成的6個(gè)微型伺服電缸上，這種采用驅(qū)控一體化設(shè)計(jì)的微型伺服電缸體積非常小，但功率密度很高，精度更是可達(dá)±0.02mm。通過內(nèi)置力傳感器，靈巧手還兼具可靠性和控制柔性。

特斯拉的執(zhí)行器如果拆分開，內(nèi)部其實(shí)也是由多種零部件組成，按照功能原理與價(jià)值量，主要由傳動(dòng)裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、感知裝置、控制裝置等“四大主材”以及制動(dòng)器與軸承等“輔材”組成。

而因時(shí)機(jī)器人所代表的微型伺服電缸技術(shù)，與特斯拉線性執(zhí)行器所采取的技術(shù)路線非常相似，也是一種集成了伺服電機(jī)、減速器、絲杠、傳感器和驅(qū)動(dòng)器的一體化運(yùn)動(dòng)單元，具有精度高和負(fù)載大的技術(shù)特點(diǎn)。

此前就有消息認(rèn)為，因時(shí)機(jī)器人憑借著對(duì)微型伺服電缸相關(guān)技術(shù)高度的理解、完善的系統(tǒng)集成度和豐富的拓展能力，未來有望成為人形機(jī)器人量產(chǎn)的核心供應(yīng)商之一。

因?yàn)槲⑿退欧姼妆举|(zhì)上同樣就是一種線性執(zhí)行器，這與特斯拉的執(zhí)行器理念不謀而合。

以線性執(zhí)行器作為核心零部件的靈巧手，在多個(gè)實(shí)驗(yàn)室被證明具有非常顯著的低功耗、高精準(zhǔn)度、高穩(wěn)定性特征，是目前全球?yàn)閿?shù)不多能夠做到類似性能的產(chǎn)品。并且因時(shí)機(jī)器人由于大部分零部件都是自主研制生產(chǎn)，靈巧手的成本也大幅降低。

當(dāng)然，如果以因時(shí)機(jī)器人目前的產(chǎn)品作為成功案例來看，同樣證明了特斯拉所采取的執(zhí)行器方案技術(shù)路線，有望真正在形體布置上實(shí)現(xiàn)零部件體積、重量和功率的均衡，提升肢體靈活性，動(dòng)作復(fù)用性，完成功能性的拓展。

而這也恰好意味著，以線性執(zhí)行器為核心制造的微型伺服電缸，極有可能成為下一個(gè)機(jī)器人零部件風(fēng)口。

02 尋找突破瓶頸的方式

機(jī)器人大講堂了解到，當(dāng)前特斯拉所遇到的執(zhí)行器量產(chǎn)難題，非常有可能集中在行星滾柱絲杠這個(gè)細(xì)分部件上。這與幾年前因時(shí)機(jī)器人研發(fā)微型伺服電缸所遇到的瓶頸非常類似。

據(jù)因時(shí)機(jī)器人CTO介紹，2016年因時(shí)機(jī)器人就開始了微型電缸所需關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)研發(fā)。2018年為了開發(fā)出具備全球競(jìng)爭(zhēng)力的伺服電缸產(chǎn)品，因時(shí)機(jī)器人將目光就對(duì)準(zhǔn)了微型行星滾柱絲杠技術(shù)，并投入重大資源進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)。

因?yàn)樾行菨L柱絲杠具有非常典型的優(yōu)勢(shì)：效率高、承載能力和剛性優(yōu)越、可靠且壽命較長(zhǎng)，這就能在線性執(zhí)行器中發(fā)揮出更好的作用。

但行星滾柱絲杠的開發(fā)對(duì)于生產(chǎn)設(shè)備要求非常高，而且制造工藝難度大，原先多用于軍事、航空領(lǐng)域，市場(chǎng)門檻高，批量化程度低，所以全球開發(fā)者較少，成本也一直居高不下。

在當(dāng)時(shí)，全球僅歐洲、美國(guó)部分公司能夠生產(chǎn)行星滾柱絲杠，定制化價(jià)格非常高，這也使單臺(tái)微型伺服電缸光成本達(dá)到了數(shù)萬元，很難滿足批量化和成本控制要求。

在考察了全球市場(chǎng)后，因時(shí)機(jī)器人預(yù)判，在全球設(shè)備走向小型智能化趨勢(shì)下，未來機(jī)器人、汽車、半導(dǎo)體或者醫(yī)療行業(yè)都會(huì)對(duì)這種體積小、精度高、功率密度大的全新產(chǎn)品有著很高的需求。

基于此趨勢(shì)，因時(shí)機(jī)器人在成立初期就投入巨大的成本，購買各類生產(chǎn)加工設(shè)備，從零部件層面開始自主生產(chǎn)和研發(fā)更具潛力的微型伺服電缸。期間，開發(fā)了以行星滾柱絲杠為代表的絲杠傳動(dòng)技術(shù)、微型減速技術(shù)、力位傳感技術(shù)和伺服控制技術(shù)。

事實(shí)證明，因時(shí)機(jī)器人的決策非常具有前瞻性。

通過多年的工藝創(chuàng)新和設(shè)計(jì)優(yōu)化，產(chǎn)品定義、部件整合、設(shè)計(jì)重構(gòu)、計(jì)算集成，因時(shí)機(jī)器人的技術(shù)逐步成熟，完成了微型伺服電缸從設(shè)計(jì)、工藝、生產(chǎn)、裝配等各環(huán)節(jié)的全面打通，并且實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)。

據(jù)悉，因時(shí)機(jī)器人目前已經(jīng)能夠?qū)o刷電機(jī)、行星減速機(jī)、行星滾柱絲杠、絕對(duì)位置檢測(cè)傳感器、力傳感器和驅(qū)動(dòng)控制電路，高度集成為完整的模組解決方案，全面適應(yīng)伺服控制系統(tǒng)的多樣化易用性發(fā)展方向。

同時(shí)，模組方案易于安裝維護(hù)及替換，可進(jìn)一步滿足客戶快速開發(fā)、方便實(shí)用和易于更換的要求。

作為全球?yàn)閿?shù)不多攻克了微型行星滾柱絲杠量產(chǎn)技術(shù)的企業(yè)，因時(shí)機(jī)器人已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)螺母直徑10mm以內(nèi)的微型行星滾柱絲杠量產(chǎn)，并將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到了靈巧手的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中。

行星滾柱絲杠相較于其他類型絲杠產(chǎn)品功率密度更高，在綜合驅(qū)動(dòng)效率上是傳統(tǒng)絲杠方案的3倍左右，因此使得靈巧手的手指抓握力也有著巨大的提升。小尺寸行星滾柱絲杠的出現(xiàn)可以說既保證了微型伺服電缸更小的體積，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了更大的推拉力。

當(dāng)前，因時(shí)機(jī)器人計(jì)劃通過更大范圍量產(chǎn)化進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本，鞏固產(chǎn)品的全球競(jìng)爭(zhēng)力。

基于準(zhǔn)確的產(chǎn)品定位和多年來的客戶積累，因時(shí)機(jī)器人已經(jīng)在微型伺服電缸系列產(chǎn)品上形成成熟體系，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于高精密醫(yī)療器械、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域，滿足了不同類型客戶的垂直需求。因時(shí)機(jī)器人也一直在捕捉市場(chǎng)變化，未來將能夠不斷開發(fā)更具適應(yīng)性的新產(chǎn)品，滿足更多客戶需求。

因時(shí)機(jī)器人相信，通過大量的研發(fā)投入，特斯拉的人形機(jī)器人開發(fā)必然會(huì)不斷加速。正向設(shè)計(jì)會(huì)帶來遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)模塊的強(qiáng)大產(chǎn)品能力和自由度，讓特斯拉人形機(jī)器人更容易突破器件的性能限制，在功能性和成本上遠(yuǎn)超從前。

因時(shí)機(jī)器人CTO也對(duì)機(jī)器人大講堂透露，基于多年的技術(shù)儲(chǔ)備，因時(shí)機(jī)器人目前已經(jīng)在積極布局更大適用范圍的伺服電缸，未來將不斷開發(fā)出具備市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的新產(chǎn)品。

微型伺服電缸作為全新的機(jī)器人核心零部件，已經(jīng)被證明能夠幫助有精密控制需求但是受限于設(shè)備尺寸的企業(yè)達(dá)成自動(dòng)化改造，另外該產(chǎn)品在醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用，可以說跨行業(yè)應(yīng)用面廣，橫向延展能力非常強(qiáng)，該產(chǎn)品及相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的市場(chǎng)價(jià)值或許值得更進(jìn)一步研究。