當(dāng)?shù)貢r(shí)間9.30日，特斯拉2022 AI Day在加州如期舉行，馬斯克預(yù)熱已久的人形機(jī)器人擎天柱Optimus在全球注目下被工程師緩緩?fù)屏顺鰜?lái)。這場(chǎng)長(zhǎng)達(dá)6個(gè)小時(shí)的發(fā)布會(huì)，從Tesla Optimus的結(jié)構(gòu)、原理、硬件、軟件、應(yīng)用和展望等眾多角度進(jìn)行了全方位細(xì)致的說(shuō)明。

雖然從現(xiàn)場(chǎng)表現(xiàn)來(lái)說(shuō)，特斯拉的人形機(jī)器人并沒(méi)有達(dá)到公眾對(duì)“鋼鐵俠”的預(yù)期，但這場(chǎng)發(fā)布會(huì)還是在驅(qū)動(dòng)原理、運(yùn)動(dòng)控制和硬件結(jié)構(gòu)等方面給我們帶來(lái)了一些新的啟示和技術(shù)路徑方向。

作為以電機(jī)驅(qū)動(dòng)為主要方式的人形機(jī)器人，擎天柱Optimus共有28個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，其中包括三種旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器和三種線性執(zhí)行器。驅(qū)動(dòng)原理一種是基于無(wú)框力矩電機(jī)+諧波減速器的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，另一種是基于力矩電機(jī)+滾柱絲杠的線性關(guān)節(jié)方式。

為了能讓機(jī)器人具有更輕的體重和一定的負(fù)載作業(yè)能力，運(yùn)動(dòng)執(zhí)行器需要具有很高的扭矩密度和推力密度，這是機(jī)器人領(lǐng)域典型的“以小制大”技術(shù)難關(guān)。在發(fā)布會(huì)現(xiàn)場(chǎng)特斯拉通過(guò)用單個(gè)線性執(zhí)行器拉起一架半噸的鋼琴，以此來(lái)展示特斯拉機(jī)器人腿部執(zhí)行器的強(qiáng)大拉力。

特斯拉人形機(jī)器人關(guān)節(jié)中所使用的線性執(zhí)行器也叫伺服電缸，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)，可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的速度控制、位置控制和力控制，是機(jī)器人的核心運(yùn)動(dòng)部件。伺服電缸取代液壓和氣動(dòng)的趨勢(shì)已久，尤其是在工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)展很大。隨著社會(huì)對(duì)人形機(jī)器人的期望越來(lái)越高，伺服電缸向微型化和小型化的發(fā)展趨勢(shì)也更加迫切，特別是尺寸很小重量很輕但精度、力量要求又很高的產(chǎn)品，由此因時(shí)機(jī)器人的微型伺服電缸應(yīng)運(yùn)而生，并在諸多應(yīng)用場(chǎng)景中得到驗(yàn)證。

比如在靈巧手中，為了讓靈巧手在外形尺寸與靈活性方面具有更好的仿生性，整只手的驅(qū)動(dòng)方式主要就靠6個(gè)微型伺服電缸來(lái)實(shí)現(xiàn)。

人形機(jī)器人Optimum的腿部關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)也是一樣的驅(qū)動(dòng)原理，這與傳統(tǒng)電伺服機(jī)器人差異較大，傳統(tǒng)諧波減速旋轉(zhuǎn)伺服在追求高動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)需要降低減速比提升傳動(dòng)機(jī)構(gòu)透明度，因此高性能帶來(lái)的是高耗能。而線性執(zhí)行的特點(diǎn)是傳動(dòng)透明度低，但等效減速比很大，能夠?qū)崿F(xiàn)大推力。同時(shí)當(dāng)螺桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理時(shí)還具有自鎖特性，即提升重物時(shí)只要不運(yùn)動(dòng)幾乎不耗能。而傳動(dòng)透明度低的問(wèn)題可以通過(guò)集成力傳感器檢測(cè)負(fù)載的方式進(jìn)行彌補(bǔ)。這種方案因時(shí)機(jī)器人通過(guò)力控系列微型伺服電缸進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證，完全能夠?qū)崿F(xiàn)精確力控。

在微型伺服電缸的推重比方面，特斯拉人形機(jī)器人線性關(guān)節(jié)采用的通用伺服推重比從1400N/Kg~4200N/Kg，達(dá)到了業(yè)內(nèi)較高的水準(zhǔn)。其中自重較小的一款0.36公斤級(jí)別的驅(qū)動(dòng)器可能受限于尺寸及集成化的難度，導(dǎo)致推重比較低為1400N/Kg，仍有提升空間。而因時(shí)機(jī)器人的自重0.1Kg級(jí)別的微型伺服電缸推重比已達(dá)到4900N/Kg。

因時(shí)機(jī)器人的微型伺服電缸得益于尺寸小，精度高，功率密度大的優(yōu)勢(shì)，在其他領(lǐng)域中也有廣泛的應(yīng)用空間。

在生物醫(yī)療領(lǐng)域：

微型伺服電缸應(yīng)用于微針設(shè)備，能有效減小設(shè)備尺寸和重量，精準(zhǔn)控制刺入深度，提升針刺速度，從而大幅提升用戶體驗(yàn)。

微型伺服電缸應(yīng)用于電子注射器，可以對(duì)給藥過(guò)程進(jìn)行精準(zhǔn)控制，提高安全性并能有效減小儀器尺寸，提升設(shè)備便攜性。

微型伺服電缸應(yīng)用于移液器，得益于體積小精度高的優(yōu)勢(shì)，可通過(guò)電缸矩陣式聯(lián)動(dòng)配合，實(shí)現(xiàn)多通道吸夜與分液過(guò)程的各自計(jì)量與控制。

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(shí)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(xiǎn)。

自動(dòng)化領(lǐng)域：

微型伺服電缸應(yīng)用于3C自動(dòng)化和半導(dǎo)體等行業(yè)的精密裝配生產(chǎn)線上，可以對(duì)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。

微型伺服電缸應(yīng)用于PCB壓貼焊接，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)元器件的精準(zhǔn)力控壓貼，過(guò)程穩(wěn)定可靠，可大幅提升良品率。

微型伺服電缸應(yīng)用于恒力打磨設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)工件表面持續(xù)施加恒定壓力，保證打磨精度和效率。

因時(shí)機(jī)器人多年來(lái)堅(jiān)持自主研發(fā)，不斷突破、創(chuàng)新各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，并在不同行業(yè)場(chǎng)景中打磨產(chǎn)品，形成了包括微型伺服電缸和機(jī)器人末端執(zhí)行器在內(nèi)的豐富產(chǎn)品矩陣，矢志追求更微小更精密的運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品，致力于為機(jī)器人、生物醫(yī)療及工業(yè)自動(dòng)化等行業(yè)提供高性能核心運(yùn)動(dòng)部件，為實(shí)現(xiàn)中國(guó)智造而不懈奮斗！

審核編輯 ：李倩