一、人形机器人：科技发展新潮流

       人形机器人作为科技发展的新潮流，正逐渐走进人们的视野。其发展历程源远流长，从古代的传说到现代的科技创新，人形机器人的发展历经了多个阶段。

       早在上世纪 60 年代，人形机器人就开始了早期探索。在这个阶段，人形机器人可以行走，并在手部功能上实现外观仿形和简单运动。随着时间的推移，人形机器人进入了智能化起步阶段，具备了初级感知功能，可以有限度地与外界环境互动，运动自由度也有所提升。2016 年至今，人形机器人进入智能化进阶阶段，搭载起人工智能、机器学习和计算机视觉系统等先进技术，提升了感知和认知功能，能够灵活敏捷地适应外界环境，并且具备通识理解能力。

       人形机器人的发展目标是成为像人一样的智能机器助手，在工业生产、医疗健康、科学探索等领域发挥重要作用。目前，全球人形机器人研发竞争激烈，很多国家和地区已将发展人形机器人产业提升至国家战略高度。我国人形机器人研究与产业尚处培育期，但已呈现出加速发展趋势，涌现出一批具有国际竞争力的人形机器人企业，部分技术成果已接近国际领先水平。

       人形机器人在各领域都受到了广泛关注。在工业领域，人形机器人可以承担繁重危险的任务，提高生产效率和质量。在医疗健康领域，人形机器人可以辅助医生进行手术、康复治疗等工作，为患者提供更好的医疗服务。在科学探索领域，人形机器人可以在恶劣的环境中进行探测和研究，为人类探索未知世界提供帮助。

       总之，人形机器人作为科技发展的新潮流，具有广阔的发展前景和应用价值。随着技术的不断进步，人形机器人将在更多领域发挥重要作用，为人类带来更多的便利和福祉。

二、关键技术与挑战

（一）伺服控制

       人形机器人的伺服控制技术至关重要，它直接决定了机器人的精准动作和姿态控制能力。就如同人类的肌肉能够精确地控制身体的每一个动作一样，人形机器人需要伺服控制技术来实现各种复杂的动作，如行走、跑步、跳跃等。伺服控制技术可以对人形机器人的关节和身体部位进行精细控制，确保机器人的动作准确无误。例如，在工业生产中，人形机器人需要精确地抓取和放置物品，这就要求伺服控制技术能够提供高精度的位置和速度控制。根据相关数据，目前一些先进的人形机器人的伺服控制精度可以达到毫米级别，这为机器人在复杂环境下的操作提供了有力保障。

（二）人工智能

       人工智能在人形机器人中扮演着核心角色。它赋予了人形机器人感知环境的能力，通过摄像头、传感器等设备，机器人可以识别人脸、物体、语言和情感状态等。同时，人工智能还能让机器人做出决策，根据环境变化和任务需求自主选择行动方案。例如，在家庭服务场景中，人形机器人可以通过人工智能技术理解主人的指令，完成洗衣、浇花、煮咖啡等复杂任务。在智能制造领域，人形机器人结合人工智能大模型，能够不断提升在汽车工厂的工作效率，预计未来 1 至 2 年内，效率有望接近 100%。

（三）运动控制

       运动控制技术是确保人形机器人稳定性和平衡性的关键。人形机器人要像人类一样在各种地形和环境中行走和执行任务，就必须具备良好的运动控制能力。通过传感器和算法，运动控制技术可以实时监测机器人的运动状态，并进行调整，以保持机器人的稳定。例如，微机电系统（MEMS）惯性测量单元（IMU）技术为人形机器人的平衡与运动控制提供了强大支持。MEMS IMU 结合了陀螺仪、加速度计和磁力计等多种传感器的功能，能够在不依赖外部信号的情况下，实时监测机器人的姿态变化，并通过算法进行调整，以保持机器人的稳定行走。预计到 2035 年，全球及中国人形机器人用 MEMS IMU 市场规模将分别接近 36 亿和 9 亿美元。

（四）主要挑战

       人形机器人的发展面临着动力和能源管理、机械设计、感知处理等六大主要挑战。在动力和能源管理方面，人形机器人通常需要大量的能量来驱动各种电动关节和传感器，如何实现高效的能源管理是一个重要挑战。在机械设计方面，人形机器人需要具备复杂的机械结构和精确的运动控制能力，以模仿人类的运动和动作，这涉及到动力学、运动学和控制理论等复杂问题。在感知与感知处理方面，人形机器人需要能够感知周围环境和自身状态，例如使用视觉传感器、触觉传感器和声音传感器，并处理这些感知数据来做出适当的决策和行为。在智能决策与规划方面，人形机器人需要具备智能的决策和规划能力，能够在不同的环境中做出正确的选择和行为，涉及机器学习、人工智能和运动规划等领域的研究。在人机交互与安全性方面，人形机器人需要能够理解人类的语言和行为，并能够与人类进行安全的互动，确保人形机器人的安全性和用户体验是一个重要挑战。在成本和可用性方面，人形机器人的研究和开发成本通常较高，目前尚未有普及的消费市场。

三、伺服系统：核心动力源

（一）市场现状

       近年来，伺服系统市场规模呈现稳步增长态势。根据相关数据，2020 年我国伺服系统市场规模接近 130 亿元，去年已突破 200 亿元。从全球范围来看，伺服系统市场的主力军仍为日本玩家，2022 年他们在全球的市场份额接近三成，但较五年前的 50% 已有显著下滑。这表明国内玩家在不断追赶，蚕食日系玩家的市场份额。

       目前，我国伺服系统产业起步较晚，但增长迅速。随着我国工业自动化的推进以及新兴产业的发展，对伺服系统的需求持续增加。在市场竞争格局方面，日系、欧美系和国产厂商各有优势。日系企业如安川、三菱、三洋、欧姆龙、松下等，主要在小型功率和中型功率产品方面具有优势。欧美系品牌如西门子、博世力士乐、施耐德等在大型伺服领域占据优势地位。而国产厂商近年来发展迅速，市场份额不断提升。

（二）国内发展

       汇川技术作为国内伺服系统领域的重要企业，从 2008 年的 0.1% 市场份额提升至 2022 年的 21%，成为份额提升幅度最大的国产厂商。2023 年上半年，汇川技术营业收入和净利润分别同比增长了 20% 和 5%，产品毛利率超过 36%。其中通用伺服系统实现销售收入 29 亿元，占据总营业收入的 1/4 左右。

       微光股份在伺服电机领域也取得了显著进步。2023 年全年伺服电机实现收入 0.9 亿元，同比增长 62.27%，占收入比例提升至 7.13%。伺服电机销售收入同比增 41.05%，且用在机器人行业的比重在逐渐上升，目前占比是 31%。此外，工信部、发改委等六部门联合印发《工业能效提升行动计划》，计划于 2025 年将新增高效节能电机占比达到 70% 以上，这将极大地推动国内高效节能电机的需求，为微光股份等企业的伺服电机业务增长带来机遇。

（三）人形机器人应用

       在人形机器人中，伺服电机起着至关重要的作用。人形机器人适配的电机主要是伺服电机和步进电机，伺服电机常被用于驱动机器人的关节进行精确的运动，同时可以快速调整关节的力矩和位置，使机器人更加稳定。单从特斯拉发布的人形机器人来看，单台的电机用量预计会超过 40 个，实现对颈部、手臂、手指等部位的控制，电机数量较传统工业机械人和服务机器人有大幅提升。

       我们可以进行简单测算，特斯拉人形机器人的硬件成本大约是 46 万元，其中电机的价值量占硬件成本的比例大约是 22%。如果再拆分到伺服电机，在人形机器人销量达到 100 万台时，对应的人形机器人电机用量达到 4000 万台，这或许就是接近 500 亿元的增量市场空间，妥妥的蓝海市场。此外，空心杯电机作为伺服电机的一种特殊类型，体积小、重量轻、节能等特点使其天然适配于人形机器人手指关节。在人形机器人销量达到 100 万台的中性假设下，对应空心杯电机需求量为 600 万台。

四、驱动器技术

（一）技术阶段

       传统刚性驱动器：这是最早应用于人形机器人的驱动器类型，主要由电机、高传动比减速器、编码器等组成。其优点是控制简单，然而功率密度有限，难以达到生物肌肉的水平，约为 200 - 300W/kg，远低于动物肌肉的 500W/kg。并且在受到外部冲击时，机器人的耐冲击性较差。例如在一些复杂的工业环境中，传统刚性驱动器的人形机器人可能会因为意外碰撞而受损。

       弹性驱动器：1995 年由麻省理工学院提出，通过在电机和输出端之间加入弹性元件，模拟肌肉的弹性，提高了机器人关节的柔顺性和能量效率。这种驱动器能够实现更流畅的动作，但控制难度较高。在实际应用中，弹性驱动器可以让机器人在与人类交互时更加安全，减少意外伤害的风险。比如在医疗康复领域，弹性驱动器的人形机器人可以更好地辅助患者进行康复训练。

       准直驱驱动器：近年来逐渐受到关注，它依靠电机的开环力控，不依赖于外部力或力矩传感器，能够直接感知机器人与外界的交互力。这种驱动器具有高响应性和抗冲击能力，适合力控精度要求高、响应快、抗冲击的场合。例如在一些需要快速反应和高精度操作的场景，如电子制造行业，准直驱驱动器的人形机器人可以更高效地完成任务。但需要解决断电后如何回到零位的问题。

（二）组成部分

       电机（Actuator Motor）：作为驱动器的动力来源，电机将电能转换为机械能，驱动机器人关节的运动。电机的类型可以是直流电机、交流电机、步进电机或无刷电机等。不同类型的电机适用于不同的场景，例如直流电机在一些小型人形机器人中应用广泛，因为其控制简单、成本较低；而无刷电机则在需要高功率输出和长寿命的大型人形机器人中更具优势。

       减速器（Reducer）：减速器用于增加电机输出扭矩，通常采用谐波减速器、RV 减速器或行星减速器等。通过减速增扭，可以使电机在较低转速下提供更大的力矩。在人形机器人中，减速器的作用至关重要。比如在人形机器人的腿部关节，需要较大的扭矩来支撑机器人的重量和实现行走动作，此时谐波减速器或 RV 减速器就能够发挥重要作用。

       编码器（Encoder）：编码器用于检测电机轴的旋转位置和速度，提供反馈信号给控制系统，以实现精确的速度和位置控制。编码器的精度直接影响到人形机器人的动作精度。在一些需要高精度操作的任务中，如精密装配或手术辅助，高精度的编码器能够确保机器人关节能够达到准确的位置。

       控制器（Controller）：控制器接收来自机器人主控系统的指令，并根据这些指令调节电机的运行状态，实现对驱动器的精确控制。控制器就像是人形机器人的大脑，它根据不同的任务需求，对电机的速度、扭矩等参数进行实时调整，以确保机器人能够高效地完成任务。

       传感器（Sensor）：除了编码器，驱动器可能还会配备其他类型的传感器，如力矩传感器、压力传感器或位置传感器等，用于检测和反馈机器人关节的实时状态。传感器可以让机器人更好地感知周围环境和自身状态，从而做出更准确的决策。例如，力矩传感器可以检测机器人关节所承受的力，当机器人在搬运重物时，力矩传感器可以实时监测关节的受力情况，防止过载损坏。

       传动机构（Transmission Mechanism）：传动机构包括齿轮、皮带、联轴器等，负责将电机的旋转运动传递到机器人关节，并可能在传递过程中进行运动形式的转换。传动机构的设计直接影响到机器人的运动效率和稳定性。例如，在一些需要高速运动的人形机器人中，采用皮带传动可以减少噪音和振动，提高运动的平稳性。

       弹性元件（Elastic Element）：在某些驱动器设计中，如系列弹性驱动器（SEA），弹性元件被用来模拟肌肉的弹性特性，提供关节的柔顺性和冲击吸收能力。弹性元件可以让机器人在与环境或人类交互时更加安全，减少意外伤害的风险。例如，当人形机器人不小心撞到障碍物时，弹性元件可以吸收冲击能量，保护机器人的关节和其他部件不受损坏。

       执行机构（Actuation Mechanism）：执行机构直接与机器人的关节相连，将电机的运动转换为关节的实际运动，如液压缸、气缸或其他机械臂。执行机构的性能直接决定了机器人的运动能力和精度。例如，在一些需要高精度和高速度运动的人形机器人中，采用液压缸作为执行机构可以提供更大的力和更快的响应速度。

       功率放大器（Power Amplifier）：在某些驱动器设计中，功率放大器可能被用来增强电机的输出功率，以满足机器人关节在重载或高速运动时的需求。功率放大器可以提高机器人的运动能力和效率。例如，在一些需要搬运重物的人形机器人中，功率放大器可以增强电机的输出功率，使机器人能够轻松地搬运重物。

（三）难点挑战

       高功率密度需求：人形机器人的驱动器需要在有限的空间内提供足够的动力，这就要求驱动器具有高功率密度。然而，传统刚性驱动器由于电机和减速器的限制，其功率密度很难达到生物肌肉的水平。目前，研究人员正在努力提高电机和减速器的性能，以提高驱动器的功率密度。例如，采用新型材料和制造工艺，提高电机的扭矩密度和效率；研发新型减速器，减小体积的同时提高传动效率。

       能量效率与缓冲冲击能力：驱动器需要具备高能量利用效率以及良好的缓冲冲击能力，特别是在机器人进行快速运动或受到外部冲击时。为了提高能量效率，研究人员正在探索新型的电机控制算法和驱动器结构，以减少能量损失。同时，通过在驱动器中加入弹性元件或采用准直驱驱动器等方式，提高机器人的缓冲冲击能力。例如，在一些需要频繁启停和快速运动的人形机器人中，采用准直驱驱动器可以提高机器人的响应速度和抗冲击能力，同时减少能量损失。

       控制复杂性：随着驱动器技术的发展，如弹性驱动器的引入，控制系统变得更加复杂。弹性驱动器虽然能提供柔顺性和安全性，但其控制难度较高，尤其是在机器人腿部使用时。为了解决控制复杂性问题，研究人员正在开发更加先进的控制算法和控制系统，以提高机器人的运动稳定性和精度。例如，采用深度学习和强化学习等人工智能技术，让机器人能够自主学习和适应不同的环境和任务需求。

       集成度与成本问题：驱动器的集成度需要提高，同时还要控制成本，这对于大规模商业化生产尤为重要。尤其是对于高端伺服驱动器，国内厂商在技术实力方面相对薄弱，成本较高。为了提高集成度和降低成本，研究人员正在探索新型的驱动器设计和制造工艺，以实现驱动器的小型化、轻量化和低成本化。例如，采用模块化设计和集成制造技术，将电机、减速器、编码器等部件集成在一起，减小体积的同时降低成本。

       传感器集成与感知能力：人形机器人需要集成多种传感器以提高其感知能力，但目前触觉、力觉传感器的集成度低、价格昂贵，体积也较大，限制了其在机器人领域的普及。为了解决传感器集成与感知能力问题，研究人员正在研发新型的传感器技术和集成方法，以提高传感器的性能和集成度。例如，采用微机电系统（MEMS）技术，制造小型化、低成本的触觉和力觉传感器；开发新型的传感器融合算法，将多种传感器的数据进行融合，提高机器人的感知能力和决策精度。

五、伺服电机技术

       人形机器人的伺服电机技术在机器人的运动控制中起着至关重要的作用。以波士顿动力为例，其在人形机器人的研发中采用了独特的伺服电机方案。

       波士顿动力早期机器人主要是电机通过齿轮驱动连杆机构，对于没有载荷要求的机器人而言足够。但随着对机器人性能要求的提高，尤其是像 BigDog 这类以内燃机为动力且需搭载较大负荷的机器人产品，原有设计方案无法满足。为了提高机器人运行的效率、减小功率消耗以及提高运动稳健性，波士顿动力通过判断关节承受的载荷类型和大小，以选择适当的液压或电动制动器，使得机器人的功率消耗最低。

       从其动力来源看，最主要依靠的驱动方式仍为液压驱动，在腿部上肢和下肢的连接处采取的多以液压执行器为主。相比于纯电动执行器，在降功耗、提效率上仍存在一定不足。然而，波士顿动力也在不断探索改进伺服电机技术的方法。

       例如，波士顿动力通过优化电机的控制算法，提高电机的响应速度和精度，从而更好地实现对机器人关节的精确控制。同时，他们也在研究新型的电机材料和制造工艺，以提高电机的性能和可靠性。

       此外，波士顿动力还注重电机与其他部件的协同工作。他们通过将伺服电机与先进的传感器技术相结合，实现对机器人运动状态的实时监测和反馈，从而进一步提高机器人的运动稳定性和安全性。

       总之，波士顿动力在人形机器人伺服电机技术方面的探索和实践，为整个行业提供了宝贵的经验和借鉴。随着技术的不断进步，相信人形机器人的伺服电机技术将会不断完善，为机器人的性能提升和广泛应用奠定更加坚实的基础。

六、未来展望

       人形机器人伺服运动控制技术作为人形机器人发展的关键技术之一，具有巨大的发展潜力和重要性。

       从技术发展趋势来看，随着人工智能、机器学习、传感器技术等的不断进步，人形机器人伺服运动控制技术将更加智能化、精准化和高效化。例如，通过深度学习算法，伺服电机可以更好地适应不同的工作环境和任务需求，实现自主学习和优化控制。同时，新型传感器的应用将为人形机器人提供更加准确的环境感知和自身状态监测，进一步提高运动控制的精度和稳定性。

       在市场需求方面，随着人口老龄化、劳动力成本上升以及对个性化服务需求的增加，人形机器人的市场前景广阔。而伺服运动控制技术作为人形机器人的核心技术之一，其市场需求也将随之增长。据相关机构预测，未来几年人形机器人市场规模将持续扩大，这将为伺服运动控制技术的发展提供强大的动力。

       此外，政策支持也将为人形机器人伺服运动控制技术的发展带来机遇。各国政府纷纷出台政策，鼓励和支持人形机器人产业的发展，加大对相关技术研发的投入。例如，我国工信部出台的《人形机器人创新发展指导意见》指出人形机器人集人工智能、高端制造、新材料等先进技术于一体，将深刻变革人类生产生活方式，支撑现代化产业体系建设，重塑全球产业发展格局。

       在未来，人形机器人伺服运动控制技术的发展将推动人形机器人在更多领域的应用。在工业领域，人形机器人可以承担更加复杂和危险的任务，提高生产效率和质量。在医疗领域，人形机器人可以辅助医生进行手术、康复治疗等工作，为患者提供更好的医疗服务。在家庭服务领域，人形机器人可以成为人们的生活助手，完成家务劳动、照顾老人和儿童等任务。

       总之，人形机器人伺服运动控制技术具有巨大的发展潜力和重要性。随着技术的不断进步、市场需求的增长和政策支持的加强，人形机器人伺服运动控制技术将迎来更加广阔的发展前景，为人类社会的发展和进步做出更大的贡献。