人形机器人关节模组执行器的原理、选型与产业瓶颈

在人形机器人中，执行器不只是把电能转化为机械能的电机，还涵盖了让关节运动起来的其他部件。执行器就是机器人的肌肉。

集成式执行器内部有什么？

集成式执行器模块。

集成执行器部件拆解动画。来源：RobStride 官方网站。

典型的集成式执行器通常由以下核心模块组成：

选择执行器时需要理解的基本术语

四类减速器的传动原理。

行星减速器

行星减速器与行星滚柱丝杠是不同类型的部件，不应混淆。

行星执行器是一类历史较久、效率较高的执行器。在人形机器人应用中，它们也是最便宜的类别。这类执行器也具备较好的抗冲击能力。它们的难点在于，很难在非常小的执行器尺寸内实现大扭矩和高减速比。通常需要多级行星齿轮，这会使齿轮箱变得更大、更长、更重，对人形机器人的整体设计不利。

第二个问题是，它们的齿隙较大。在大型或多级行星传动设计中，微小的齿隙就会导致肢体末端——手或脚——出现定位误差，影响精细抓取和步态稳定性。

宇树和智元等人形机器人企业采用了行星传动方案。跑步、跳跃与精细操作对关节性能的要求不同，不能仅凭减速器类型或演示动作判断整机的任务能力。

谐波减速器

人形机器人中常见的另一类执行器采用谐波减速器。谐波传动也称应变波传动，通过波发生器使柔轮周期性变形，利用柔轮与刚轮的齿数差实现减速。

谐波执行器可以在非常紧凑的结构中实现高扭矩和高减速比。较低的齿隙有利于精密运动，但实际精度还受到刚度、负载变形和控制系统的影响。传动中的摩擦等损耗会产生热量，效率和温升需要结合转速、负载、润滑及散热条件评估。

它们也比行星减速器昂贵得多，但比行星滚柱丝杠便宜。包括 Figure AI 在内的许多美国人形机器人企业使用谐波减速器。特斯拉 Optimus 的部分关节也使用谐波减速器。

动图来源：Visual Mechanics。

谐波减速器通常采用较高减速比，反驱表现还会受到摩擦、预紧和电机阻力的影响。用于存在冲击载荷的关节时，应重点校核柔轮强度、疲劳寿命和允许瞬时峰值扭矩。能否承受冲击取决于具体设计和载荷，不能仅凭减速器类型判断。

摆线减速器

摆线减速器（CR）依靠偏心输入带动摆线轮与针齿啮合实现减速；谐波减速器则通过波发生器使柔轮周期性变形。两者都能实现紧凑的大减速比传动，但摆线与谐波的工作原理不同。

动图来源：schanerdesigns。

RV（Rotary Vector）减速器

RV 减速器的两级传动与摆线轮啮合过程。来源：纳博特斯克（Nabtesco）官方原理视频。

RV 减速器是一种较少见、高效且紧凑的两级摆线减速器，将第一级行星齿轮传动与第二级摆线齿轮传动结合起来。它专为工业机器人底座轴等重载、高精度应用而设计，这些场景尤其重视负载能力。

准直驱（QDD）执行器

减速比为 8∶1 的 AKE90-8 准直驱执行器产品展示。来源：CubeMars。

准直驱（Quasi Direct Drive）通常将高扭矩电机与低减速比传动组合，以获得较好的反驱能力和动态响应。低于约 15∶1 是常见的经验范围，并非统一界限。它是一种执行器设计思路，不能仅凭输出扭矩是否接近指令来定义。

其他条件相近时，较低的减速比通常有利于反驱和动态响应。

准直驱常采用低减速比的行星结构，宇树机器人就采用了这类方案。较低的减速比可以降低折算到输出端的电机惯量，但也减少了齿轮对扭矩的放大作用：在相同输出扭矩要求下，电机需要提供更大的扭矩。能否举升重物、持续工作，还取决于电机尺寸、散热、传动效率和控制系统。

1X 已经设计、制造了一种近乎直驱、无需减速器却能产生所需高扭矩的执行器，并为其申请了专利。其前身、挪威公司 Halodi Robotics 的专利文件，介绍了早期 1X 机器人所采用的执行器。

直线执行器

在人形机器人的特定部位，可能需要直线执行器，例如膝关节和踝关节，或大腿和小腿连杆，以及上臂或肘关节。

特斯拉 Optimus，红色标出了直线执行器的位置。

常用的丝杠包括滚珠丝杠、行星滚柱丝杠（PRS）和反向式行星滚柱丝杠（IPRS）。PRS 和 IPRS 的多个滚柱参与承载，有利于分散接触载荷并提高轴向承载能力，但仍需按具体工况校核冲击载荷。特斯拉第二代 Optimus 使用 PRS。不过，PRS 和 IPRS 的价格约为滚珠丝杠的 4—5 倍。

为机器人尺寸的应用制造 PRS 和 IPRS 极具挑战，因为它们要求极小的公差：带螺纹的滚柱必须加工到微米级公差，还需要精密磨床，而全球只有少数厂商能够制造这类设备。知名制造商包括 Rollis、舍弗勒（Schaeffler）、NSK、THK、博世力士乐、Ewellix、北特科技和恒工精密。

行星滚柱丝杠能在紧凑结构中提供较大的轴向推力，并可通过连杆驱动旋转关节，适合特定的腿部和手臂布局。高承载能力不等于能够吸收冲击：冲击响应还取决于结构柔顺性、阻尼、控制和过载保护。采用旋转还是直线执行器，应根据关节布局、运动范围和载荷路径决定，并分别校核寿命、冲击载荷与热约束。

使用 PRS 的另一个原因是结构紧凑。它可以在较小直径下承受较大负载，其直径可以比谐波执行器小得多，有利于缩小壳体、保持肢体纤细。当多个执行器需要布置在人形机器人躯干或肢体的有限空间内时，这一点尤为重要。

机器人手中的执行器

G1 灵巧手的抓取与工具操作。来源：宇树 G1 官方页面。

腿部吸引了所有注意力，但手是一个更难的问题。扭矩、密度与反驱能力之间的关系，在这里比在其他部位体现得更加明显。事实上，许多企业要么专注于不含手部的人形机器人本体，要么只专注于机器人手；1X、Figure AI 和特斯拉等自行设计手部的企业则是例外。手是实现灵巧性的必要条件，它决定了机器人能否做一些有用的事情，例如搬运箱子或组装零部件，还是只能跳舞、跳跃、跑来跑去。目前，全球已经有超过 100 家机器人手企业。人形机器人手的成本可能在 4,000—20,000 美元之间。

直驱或准直驱有利于减小传动阻力，但只是手部驱动的可选方案。手部设计还要权衡输出力、尺寸、质量和散热。在材料、工艺和散热条件相近时，电机尺寸越小，可持续输出的扭矩通常也越小。

一只灵巧手可能具有 20—25 个自由度，但自由度数量不一定等于独立电机数量。有限的手部空间要求执行器尽量紧凑；使用减速传动可以放大电机扭矩，却可能增加摩擦和折算惯量，使反驱与精细力控更具挑战。较高减速比并不意味着完全失去反驱或力感知能力，还需要结合传动设计、传感器和控制来评估。高扭矩、高精度、低质量和小体积之间，需要作出取舍。一些企业把执行器放在前臂，通过腱绳或连杆传递作用力。Figure AI 等企业过去曾使用腱绳，现在正逐渐转向其他方案；另一些企业则仍在押注腱绳。

扭矩与减速比的最佳平衡点

AK45-36 的 36∶1 减速比及扭矩参数展示，仅作产品示例，不代表通用最佳减速比。来源：CubeMars。

采用约 15∶1 或更低减速比的方案，通常有利于反驱和动态响应。但在相同输出扭矩下，电机自身需要承担更大的扭矩，持续负载能力要结合电流和散热条件评估。

对同一电机，较高减速比可以放大输出扭矩，同时增大折算到输出端的电机惯量，并可能增加传动损耗和控制难度。输出力矩仍可通过传感器或模型估计获得；接触安全性和抗冲击能力还取决于结构、控制与过载保护。

作者给出的经验范围是 20∶1 到 50∶1，具体仍需结合关节任务与负载调整。减速比要与电机、负载、速度和热约束一起选择，没有适用于所有关节的最佳数值。

人形机器人的执行器问题究竟是什么？

执行器厂商的环境试验设备，画面未展示具体测试结果。来源：CubeMars 官方介绍。

供应链危机

执行器的机加工、自动化生产与测量环节。来源：CubeMars 官方介绍。

几乎没有供应商能够覆盖所有执行器规格或减速器类型。对于大批量订单，我见过执行器制造商根据机器人企业的需要提供定制。有些供应商专注于行星减速器，有些专注于谐波减速器，也有一些新兴执行器企业同时生产这两类产品。还有一些企业专门制造直线形式的行星滚柱丝杠。在我的研究中，还没有发现哪家公司能够同时制造无刷直流电机、谐波减速器、行星减速器和滚柱丝杠。

大多数执行器企业位于中国，中国以外、尤其是美国的企业较少。中国从密集的供应链中获得了巨大优势，因此能够快速制造低成本执行器。越来越多美国企业采用中国硬件，再为硬件赋予智能，但关税增加了进口难度。供应链问题也不只是执行器价格够不够低，还包括交货周期。例如，许多企业无法立即按数十台的数量，提供所需的三种不同型号的执行器。

中国人形机器人与相关产业的供应链图谱。原图署名：Kyle Chan / High Capacity。

电动汽车、电池和无人机等上游产业，为人形机器人提供了现成的零部件与供应商网络。

如何选择执行器

如果你准备单独购买无框电机，并自行装配减速器，一般原则是选择无框无刷直流电机。它有内转子和外转子两种设计。对于人形机器人及大多数应用，内转子可能是通常的选择。

为人形机器人选择执行器是一件需要谨慎处理的事。常见错误包括：只关注扭矩和转速，执行器规格选得过大或过小，忽略惯量、电机效率，以及电机在负载下的动态行为。因此，执行器选型不能作为一个孤立的设计问题来考虑。

如果接触交互和柔顺性非常重要，应同时评估传动阻力、弹性设计和力矩反馈控制。准直驱是一种可选方案，再根据负载、扭矩和功率需求确定执行器规格。

规格书中需要认真关注以下几项：

AK80-9 的扭矩、转速、减速比、重量与尺寸参数展示。来源：CubeMars。

把各个部分整合起来

G1 在步行和复杂地面运动中的整机协调。来源：宇树 G1 官方页面。

让人形机器人工作起来的，不是某一个单独的部件，而是整个系统能够在物理规律施加的约束下协调运行。

髋部等承载关节会影响整机布局，需要与其他关节协同设计。根据运动范围、载荷路径和安装空间选择旋转或直线执行器，再共同确定电机、减速比和传动方案：动态响应、举升能力、反驱表现与冲击载荷都要校核。从设计第一天起就考虑实际热约束，而不是事后补救。让手部具备完成任务所需的感知与操作能力。

目前所有制造人形机器人的企业，都在应对这些相同的取舍，只是侧重点略有不同。宇树注重速度和动态性能；特斯拉和 Figure 注重负载能力与连续运行；Agility 使用串联弹性执行器，兼顾能量效率和抗冲击能力。

它们面对的物理规律都是一样的。真正区分它们的，是它们愿意作出哪些妥协，以及首先为哪些问题找了解决方案。