人形機器人量產(chǎn)醞釀期，需要怎樣的核心零部件？
2023年8月18日 來源：高工機器人 瀏覽 202 次 評論（0）
“地球上的機器人數(shù)量將會超過人類的數(shù)量?！?/span>7月初，馬斯克的一句話再度把人形機器人推上科技圈/投資圈的話題榜“榜一”。在不久的將來，人形機器人真的會迎來大爆發(fā)嗎？只能先打上一個問號。首先要探討的，或許是人形機器人核心零部件如何“跟上步伐”。在特斯拉2022 AI Day上，馬斯克正式介紹了特斯拉首款人形機器人“擎天柱 Optimus”。據(jù)業(yè)內(nèi)人士分析，Optimus 共有28個運動關(guān)節(jié)，內(nèi)置3種旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器和3種線性執(zhí)行器。其驅(qū)動原理主要分為兩種：一種基于“無框力矩電機+諧波減速器”的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)；另一種則是基于“力矩電機+行星滾柱絲杠”的線性關(guān)節(jié)方式。在發(fā)布會現(xiàn)場，特斯拉通過單個線性執(zhí)行器吊起一架重達(dá)半噸的鋼琴。這個執(zhí)行器究竟是什么？據(jù)業(yè)內(nèi)人士分析，從工作方式和結(jié)構(gòu)上來看，該執(zhí)行器與伺服電缸是一脈相通的，同樣是高度集成的一體化運動單元。有機構(gòu)分析，若每臺人形機器人需搭載28個伺服電機，中性預(yù)估2030年前人形機器人有望拉動伺服電機市場規(guī)模達(dá)85億元。然而，尚無公開信息顯示，特斯拉已有相關(guān)成型產(chǎn)品。近日馬斯克透露，Optimus的量產(chǎn)缺乏現(xiàn)成的執(zhí)行器，并表示預(yù)計到2023年11月，Optimus才能完成搭載自主設(shè)計的執(zhí)行器。那么市場上是否有企業(yè)的相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入量產(chǎn)階段了呢？有，是一家來自中國的企業(yè)——北京因時機器人科技有限公司。早在7年前，2016年，因時機器人就已布局微型伺服電缸，并于當(dāng)年成功自主研制了第一款樣機；2021年，累計銷量突破萬臺；2022年，年產(chǎn)量突破萬臺。目前，面向3C、自動化、新能源、生物醫(yī)療等領(lǐng)域，因時機器人已有LA系列、LAS系列、LAF系列、LASF系列、BLA系列，五大系列微型伺服電缸。“自從去年特斯拉入局人形機器人以后，無論是從市場熱度上來看，還是從行業(yè)討論度來說，微型伺服電缸的關(guān)注度都空前升高，也有一些公司正在著手入局?！币驎r機器人創(chuàng)始人蔡穎鵬如是說。但是最初因時機器人入局時，這個領(lǐng)域幾乎是“一張白紙”。當(dāng)時，因時機器人創(chuàng)始團隊發(fā)現(xiàn)機器人核心零部件的可選擇性較少，尺寸普遍較大且笨重。核心零部件如果不突破，機器人整機性能難有提升。從部分下游產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的方向來看，不少場景中的機器人都需要體積更小、精度更高、集成度更高的伺服產(chǎn)品。不僅如此，在醫(yī)療器械、自動化設(shè)備、半導(dǎo)體設(shè)備等領(lǐng)域，都有小型化伺服電缸產(chǎn)品應(yīng)用的機會。另一方面，小型化的伺服電缸并不是簡單的系統(tǒng)集成，它集成了高精密減速器、高性能空心杯電機、絲桿機構(gòu)、傳感器以及伺服控制系統(tǒng)，在保證更小體積的基礎(chǔ)上實現(xiàn)驅(qū)控一體化，具有體積小、精度高、負(fù)載大等技術(shù)特點。蔡穎鵬表示，電機、減速器、絲杠、位置傳感器、力傳感器、伺服控制器等主要的元器件都需要因時機器人進(jìn)行創(chuàng)新研發(fā)。不僅如此，整個系統(tǒng)集成同樣需要優(yōu)化設(shè)計。因此，微型伺服電缸具備較高的技術(shù)壁壘。過程中，因時機器人遇到了不少的難點。做原始設(shè)計方案時，市場上幾乎找不到符合尺寸需求的馬達(dá)、減速器、絲杠、傳感器等核心零部件的成熟供應(yīng)商，定制也不可行。因此，因時機器人只能自主開發(fā)，在反復(fù)的嘗試和調(diào)整中不斷摸索，并尋找量產(chǎn)可能性更高的工藝。
從每一個獨立的模塊來說，小型化的絲杠技術(shù)難度最大。絲杠主要分為三種：梯形絲杠、滾珠絲杠、行星滾柱絲杠。其中，行星滾柱絲杠的難度最高，也是因時機器人目前出貨電缸中用量最大的。“我們的技術(shù)方案及生產(chǎn)工藝，都與傳統(tǒng)的行星滾柱絲杠有較大的差異。在滾子、滾柱的結(jié)構(gòu)以及同步機構(gòu)的設(shè)計上都有創(chuàng)新。為克服行星滾柱絲杠自鎖能力弱的缺點，我們還開發(fā)了一套用于行星滾柱絲杠的自鎖方案，解決了某些場景下行星滾柱絲杠出現(xiàn)的不自鎖和滑動的缺點，這進(jìn)一步擴展了行星滾柱絲杠方案的應(yīng)用范疇。”蔡穎鵬表示。此外，因時機器人還在集成優(yōu)化中的各處“角落”下足了功夫。如保證從電機到最后傳動輸出過程中的高傳遞效率；將微型絲杠置于整體中，進(jìn)而進(jìn)行系統(tǒng)集成優(yōu)化。另一方面，因時機器人使用的空心微電機對轉(zhuǎn)速、負(fù)載能力要求高，對控制系統(tǒng)的算法開發(fā)也提出了更高的要求。耗時半年多，第一臺樣機終于試制成功，但是僅BOM成本就超萬元，精度也不如預(yù)期。好在，樣機的負(fù)載表現(xiàn)較好，證明研發(fā)大方向是正確的，這給了因時機器人信心。下一步需要解決的則是量產(chǎn)問題。前期所使用的大多數(shù)工藝都沒辦法進(jìn)入量產(chǎn)，因時機器人選擇繼續(xù)潛心鉆研，一項一項技術(shù)攻關(guān)。2018年，微型伺服電缸進(jìn)入了量產(chǎn)階段。相較于特斯拉Optimus中所使用的伺服電缸，因時機器人快“兩步”：四大技術(shù)優(yōu)勢；已經(jīng)實現(xiàn)了量產(chǎn)。具體來看，四大技術(shù)優(yōu)勢表現(xiàn)為：第一，行星滾柱絲杠尺寸更小。因時機器人在行星滾柱絲杠方面的技術(shù)和經(jīng)驗積累相對較為深厚。目前，因時機器人所研發(fā)的尺寸最小的行星滾柱絲杠，已經(jīng)實現(xiàn)螺母外徑≤10㎜，最高可以負(fù)載上百牛。“這也是我們在市場中看到的尺寸最小的行星滾柱絲杠。”蔡穎鵬表示。第二，集成度更高。蔡穎鵬表示，據(jù)觀察，特斯拉發(fā)布的伺服電缸主要由電機、減速器、行星滾珠絲杠3個部件構(gòu)成，這是構(gòu)成電缸傳動最重基礎(chǔ)三個部分。而因時機器人的微型伺服電缸集成度更高，將馬達(dá)、減速器、行星滾柱絲杠、位置傳感器、力傳感器、驅(qū)動控制等高度集成在一個模塊當(dāng)中。第三，工作精度更高。從傳動系統(tǒng)的角度來說，減速器和絲杠之間難免有傳動間隙。如果僅僅依靠電機編碼器進(jìn)行位置控制，無法消除末端的間隙誤差。因時機器人在末端加置了位置閉環(huán)傳感器，通過算法消除傳動間隙，精度則更高。第四，推重比更高。特斯拉人形機器人采用的自重較小的一款0.36公斤級別的驅(qū)動器推重比為1400N/KG，而因時機器人的自重0.1KG級別的微型伺服電缸推重比已達(dá)到4900N/KG。2018年，因時機器人的微型伺服電缸產(chǎn)品就開始在靈巧手中進(jìn)行驗證。微型伺服電缸如同手掌的肌肉，仿生性能較好，便于靈巧手仿生結(jié)構(gòu)布局。同時，它還解決了靈巧手以往存在的幾大痛點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、抓握力弱、可靠性差。“靈巧手以往常采用拉線方案，抓握能力弱，可靠性差。我們對靈巧手的傳動結(jié)構(gòu)做了大量的簡化，用剛性連桿去替代原來的方案。靈活操作依靠的就是內(nèi)置的六個微型伺服電缸，結(jié)構(gòu)簡化的同時，可靠性也提升了，成本也下降了。”蔡穎鵬介紹道，這套方案現(xiàn)在已經(jīng)是目前行業(yè)中較為主流的技術(shù)方案了。從自由度上來看，國外已經(jīng)有自由度更高（10+/20+）的靈巧手，主要用于科研領(lǐng)域。從商業(yè)化的思路出發(fā)去設(shè)計，必須要用更少的自由度去實現(xiàn)更強的抓握能力。力控型號的微型伺服電缸具有力控制和力反饋的功能，非常適用于需要高功率密度或者恒力控制的場景。使用微型伺服電缸解決方案后，盡管靈巧手的自由度只有6個，但是比起傳統(tǒng)的靠位置控制和角度控制，靈巧手的可靠性更高，成本也有所降低。截至目前，因時機器人的微型伺服電缸共有五大系列，分別為LA系列、LAS系列、LAF系列、LASF系列、BLA系列。不同系列的產(chǎn)品，面向不同的行業(yè)。其中，BLA系列針對工業(yè)自動化領(lǐng)域。從構(gòu)型上來看，部分應(yīng)用場景對微型伺服電缸的截面尺寸較敏感。針對這一需求，因時機器人研發(fā)了共軸型微型伺服電缸，即電機、減速器、絲杠的軸心同處一條線上。另一方面，部分應(yīng)用場景對微型伺服電缸的長度較敏感。因時機器人針對這一需求研發(fā)了旁軸型微型伺服電缸，即電機和絲杠平行排布。當(dāng)前，因時機器人已與機器人、自動化、3C、新能源、半導(dǎo)體、生物醫(yī)療領(lǐng)域的企業(yè)達(dá)成合作，累計客戶超一千家。其中，在機器人領(lǐng)域，因時機器人的微型伺服電缸主要用于人形機器人的靈巧手、復(fù)合機器人的末端執(zhí)行器及醫(yī)療手術(shù)機器人中。在自動化領(lǐng)域，客戶對產(chǎn)品使用壽命、生產(chǎn)節(jié)拍、精度等各方面都有較高的要求。微型伺服電缸應(yīng)用于生產(chǎn)線的多個場景之中：應(yīng)用于3C自動化和半導(dǎo)體等行業(yè)的精密裝配生產(chǎn)線上，可以對工件進(jìn)行精確定位和力控壓裝，提升良品率和生產(chǎn)效率；應(yīng)用于PCB壓貼焊接，可以實現(xiàn)對元器件的精準(zhǔn)力控壓貼，過程穩(wěn)定可靠，可大幅提升良品率；應(yīng)用于恒力打磨設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)對工件表面持續(xù)施加恒定壓力，保證打磨精度和效率。在生物醫(yī)療領(lǐng)域，微創(chuàng)手術(shù)器械和手術(shù)機器人等產(chǎn)品的伺服部分對體積比較敏感，對負(fù)載能力、力控制、精度要求也比較高。微型伺服電缸應(yīng)用于微創(chuàng)手術(shù)器械，可以減小設(shè)備尺寸，實現(xiàn)精準(zhǔn)的力控制和位置控制，并具備數(shù)據(jù)反饋功能，有效降低手術(shù)操作難度和風(fēng)險。“我們輻射的行業(yè)很多，涉及的細(xì)分場景非常多。雖然相較于其他傳統(tǒng)的零部件而言，目前微型伺服電缸的量還是比較小的，但是從長遠(yuǎn)的市場趨勢來看，在精密制造、醫(yī)療器械、手術(shù)機器人、人形機器人等高精尖制造領(lǐng)域，微型伺服電缸都有非常廣闊的市場前景。”蔡穎鵬如是說。在與客戶的交流中，因時機器人收到的最多的需求是：尺寸能不能再小一點？功率密度能不能再大一點？精度能不能再高一點？價格能不能再低一點？這同樣也是因時機器人技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)品研發(fā)的方向。據(jù)悉，因時機器人下一階段重點拓展的仍將是3C、自動化、新能源、生物醫(yī)療等領(lǐng)域。與此同時，因時機器人也將進(jìn)一步鉆研技術(shù)迭代，打磨產(chǎn)品。做專項技術(shù)攻關(guān)的同時，因時機器人也同步與行業(yè)內(nèi)優(yōu)秀的材料、元器件等供應(yīng)鏈合作伙伴共同進(jìn)行底層技術(shù)創(chuàng)新，突破行業(yè)技術(shù)極限。當(dāng)問及是否考慮做人形機器人總機時，蔡穎鵬表示尚無相關(guān)計劃，下一階段仍將繼續(xù)為行業(yè)提供核心零部件、靈巧手等解決方案，并推進(jìn)產(chǎn)能擴建。在市場開發(fā)方面，因時機器人透露，海外市場是今年的重點突破方向?！盁o論地區(qū)與行業(yè)，對產(chǎn)品的需求都是較為一致的。越來越多的外國企業(yè)認(rèn)可中國制造、中國產(chǎn)品，也會積極尋找中國供應(yīng)商。”蔡穎鵬表示，今年上半年，因時機器人分別參加了德國和日本的展會，均得到了良好的反饋。
