微型伺服電缸，下一個機器人零部件風口？
http://www.moduwu.com 2023-08-02 09:44 來源：機器人大講堂
7月20日特斯拉財報電話會議上，馬斯克透露并確認了人形機器人的多項細節，執行器正式被馬斯克確定為人形機器人關鍵零部件。
其表示，目前，特斯拉已制作了大約10個Optimus機器人。但由于Optimus連執行器都需要重新設計和定制，這一部件正成為限制特斯拉產能提升的巨大挑戰。
馬斯克預計，可能要到今年11月份特斯拉才有可能解決這項難題，但采用新部件后，將快速進行行走測試，計劃明年在特斯拉工廠進行實用性測試。
為什么享譽全球的特斯拉會困于小小的執行器零部件?特斯拉人形機器人確定未來采用執行器這種全新的零部件，是否會帶來全新的產業鏈風口?
01 仿生設計帶來的改變
特斯拉的人形機器人中共有28個運動關節，包括三種旋轉執行器和三種線性執行器。分布于肩髖等需要大角度旋轉關節所采用的主要是旋轉執行器，而線性執行器主要分布于膝肘等擺動角度不大的單自由度關節，以及腕踝兩個雙自由度但是體積緊湊的關節。
有研究指出，特斯拉人形機器人之所以采取這兩種執行器部件，是因為運動執行器具有很高的扭矩密度和推力密度，這是機器人領域一種典型的“以小制大”技術，從而能夠讓機器人具有更輕的體重和一定的負載作業能力。
而不同部位采取不同執行器則是特斯拉考慮到實際應用場景來設計決定的。
這背后代表了一種全新仿生學的設計思路，也導致特斯拉很難通過傳統的工業品零部件開發流程來完成。
例如特斯拉人形機器人想要在家庭等場景中有著高動態響應能力以及長續航，那么整體采用電驅方式似乎就成了必然。
因為一個能續航數小時的人形機器人，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+模仿生物肌肉運動傳動，恰恰是目前世界上已經被證明最具優勢的方式。
而如果仔細觀察特斯拉機器人的行走運動方式能發現，其主要是由分布于大腿的線性執行器帶動膝關節運動，末端的結構普遍較為纖細、輕便。
這背后，腿部的線性執行器就充當了至關重要的角色。因為線性執行器可以通過絲杠機構將電機的旋轉運動轉化成直線運動，進而實現對機械裝置的直線位移。
直線式驅動的反向驅動力最大，其能用較小的扭矩或力量讓形體保持在一個位置上，從而擁有穩定負荷量以及較低的耗能，類似肌肉運動可以長時間穩定保持某一個狀態。
這種仿生學的設計，一方面減輕了肢體末端的重量，另一方面將整體重心前移，讓其移動的重心更靠近軀干位置，能夠大幅提升肢體的靈活性，也進一步減少了綜合能耗比例。
特斯拉不是最早發現這種線性執行器方案優勢并加以嘗試利用的企業。
早在2019年，國產機器人核心零部件企業-因時機器人推出的一款仿人五指靈巧手，采用的其實就是線性執行器加剛性連桿結構方案。
這款仿人五指靈巧手具有6個自由度和12個運動關節，亞毫米級定位精度和數千克的負載能力，可以模擬人手實現精準的抓取操作。
而實現這些的秘訣就在其內部集成的6個微型伺服電缸上，這種采用驅控一體化設計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±0.02mm。通過內置力傳感器，靈巧手還兼具可靠性和控制柔性。
特斯拉的執行器如果拆分開，內部其實也是由多種零部件組成，按照功能原理與價值量，主要由傳動裝置、驅動裝置、感知裝置、控制裝置等“四大主材”以及制動器與軸承等“輔材”組成。
而因時機器人所代表的微型伺服電缸技術，與特斯拉線性執行器所采取的技術路線非常相似，也是一種集成了伺服電機、減速器、絲杠、傳感器和驅動器的一體化運動單元，具有精度高和負載大的技術特點。
此前就有消息認為，因時機器人憑借著對微型伺服電缸相關技術高度的理解、完善的系統集成度和豐富的拓展能力，未來有望成為人形機器人量產的核心供應商之一。
因為微型伺服電缸本質上同樣就是一種線性執行器，這與特斯拉的執行器理念不謀而合。
以線性執行器作為核心零部件的靈巧手，在多個實驗室被證明具有非常顯著的低功耗、高精準度、高穩定性特征，是目前全球為數不多能夠做到類似性能的產品。并且因時機器人由于大部分零部件都是自主研制生產，靈巧手的成本也大幅降低。
當然，如果以因時機器人目前的產品作為成功案例來看，同樣證明了特斯拉所采取的執行器方案技術路線，有望真正在形體布置上實現零部件體積、重量和功率的均衡，提升肢體靈活性，動作復用性，完成功能性的拓展。
而這也恰好意味著，以線性執行器為核心制造的微型伺服電缸，極有可能成為下一個機器人零部件風口。
02 尋找突破瓶頸的方式
機器人大講堂了解到，當前特斯拉所遇到的執行器量產難題，非常有可能集中在行星滾柱絲杠這個細分部件上。這與幾年前因時機器人研發微型伺服電缸所遇到的瓶頸非常類似。
據因時機器人CTO介紹，2016年因時機器人就開始了微型電缸所需關鍵技術的基礎研發。2018年為了開發出具備全球競爭力的伺服電缸產品，因時機器人將目光就對準了微型行星滾柱絲杠技術，并投入重大資源進行技術攻關。
因為行星滾柱絲杠具有非常典型的優勢：效率高、承載能力和剛性優越、可靠且壽命較長，這就能在線性執行器中發揮出更好的作用。
但行星滾柱絲杠的開發對于生產設備要求非常高，而且制造工藝難度大，原先多用于軍事、航空領域，市場門檻高，批量化程度低，所以全球開發者較少，成本也一直居高不下。
在當時，全球僅歐洲、美國部分公司能夠生產行星滾柱絲杠，定制化價格非常高，這也使單臺微型伺服電缸光成本達到了數萬元，很難滿足批量化和成本控制要求。
在考察了全球市場后，因時機器人預判，在全球設備走向小型智能化趨勢下，未來機器人、汽車、半導體或者醫療行業都會對這種體積小、精度高、功率密度大的全新產品有著很高的需求。
基于此趨勢，因時機器人在成立初期就投入巨大的成本，購買各類生產加工設備，從零部件層面開始自主生產和研發更具潛力的微型伺服電缸。期間，開發了以行星滾柱絲杠為代表的絲杠傳動技術、微型減速技術、力位傳感技術和伺服控制技術。
事實證明，因時機器人的決策非常具有前瞻性。
通過多年的工藝創新和設計優化，產品定義、部件整合、設計重構、計算集成，因時機器人的技術逐步成熟，完成了微型伺服電缸從設計、工藝、生產、裝配等各環節的全面打通，并且實現了批量生產。
據悉，因時機器人目前已經能夠將無刷電機、行星減速機、行星滾柱絲杠、絕對位置檢測傳感器、力傳感器和驅動控制電路，高度集成為完整的模組解決方案，全面適應伺服控制系統的多樣化易用性發展方向。
同時，模組方案易于安裝維護及替換，可進一步滿足客戶快速開發、方便實用和易于更換的要求。
作為全球為數不多攻克了微型行星滾柱絲杠量產技術的企業，因時機器人已經能夠實現螺母直徑10mm以內的微型行星滾柱絲杠量產，并將這項技術應用到了靈巧手的驅動設計中。
行星滾柱絲杠相較于其他類型絲杠產品功率密度更高，在綜合驅動效率上是傳統絲杠方案的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可以說既保證了微型伺服電缸更小的體積，同時實現了更大的推拉力。
當前，因時機器人計劃通過更大范圍量產化進一步降低生產成本，鞏固產品的全球競爭力。
基于準確的產品定位和多年來的客戶積累，因時機器人已經在微型伺服電缸系列產品上形成成熟體系，產品廣泛應用于高精密醫療器械、工業自動化等領域，滿足了不同類型客戶的垂直需求。因時機器人也一直在捕捉市場變化，未來將能夠不斷開發更具適應性的新產品，滿足更多客戶需求。
因時機器人相信，通過大量的研發投入，特斯拉的人形機器人開發必然會不斷加速。正向設計會帶來遠超標準模塊的強大產品能力和自由度，讓特斯拉人形機器人更容易突破器件的性能限制，在功能性和成本上遠超從前。
因時機器人CTO也對機器人大講堂透露，基于多年的技術儲備，因時機器人目前已經在積極布局更大適用范圍的伺服電缸，未來將不斷開發出具備市場競爭力的新產品。
微型伺服電缸作為全新的機器人核心零部件，已經被證明能夠幫助有精密控制需求但是受限于設備尺寸的企業達成自動化改造，另外該產品在醫療、航空航天等領域也有廣泛應用，可以說跨行業應用面廣，橫向延展能力非常強，該產品及相關產業鏈的市場價值或許值得更進一步研究。
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