隨著特斯拉人形機器人擎天柱Optimus原型機的發布，人形機器人的討論掀起了又一輪高潮。外行看熱鬧，內行看門道，這場發布會上除了Optimus量產價格將低于2萬美元，能完成澆花、搬運等工作這些信息之外，對一些重要的技術實現方案也做了說明。
人體結構是相當精妙復雜的，看似簡單的行走運動，除了骨骼、關節的支撐驅動之外還需要肌肉的配合。相較之下把機器人做出仿生外形也許容易些，但是想要像人類一樣靈活的行走、彎腰和轉動則非常難，更不用說讓機器人能擁有一雙靈巧的手。
特斯拉Optimus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。旋轉執行器主要分布于肩髖等需要大角度旋轉的關節，線性執行器分布于膝肘等擺動角度不大的單自由度關節和腕踝兩個雙自由度但是體積緊湊的關節。其中旋轉關節的分布方式和傳統仿人型機器人基本一致，而線性執行器的分布卻與以Asimo為代表的傳統電伺服機器人差異較大。究其原因和Optimus實用化的設計理念相關，特斯拉需要的是一個結構可靠、低耗能的機器人，目標是能夠充一次電工作一整天，因此高動態響應并不是核心訴求。
擎天柱腿部的線性執行器主要分布負責支撐和承力的髖關節、膝關節及踝關節，具有前后擺動自由度。采用線性執行器驅動器關節的第一個優勢是空間利用率高，相比傳統旋轉執行器分布于關節附近，線性執行器可以縱向布局，最大限度利用腿部內部空間，布置更大更長的電機，提供更大的推動力，如會上展示的一臺執行器可以吊起一臺鋼琴。這也與機器人進行零件搬運的工作目標相吻合。第二個優勢是線性執行器的螺桿傳動機構通過合理設計可以具備自鎖能力，即下半身不動時可以自動鎖定姿態，不耗能，形成一個低功耗且穩定的底部支架。如果采用傳統抱閘制動電機方案，制動器占用額外重量且提供的制動力矩也較小。
上肢的肘關節屈伸采用線性執行器的理由和腿部原理一致，低耗能高推力，讓擎天柱擁有強壯的二頭肌。前臂的兩個線性執行器構成并聯關節主要目的是降低腕關節的尺寸。纖細的腕關節有兩個好處。第一個是在抓握時降低關節與工件的干涉，提高抓握路徑的靈活性。第二個是降低前臂對視覺構建及視覺位置反饋的干擾，提升控制精度。
為什么線性執行器可以實現低能耗高負載？傳統諧波減速旋轉伺服在追求高動態響應時需要適當降低減速比提升傳動機構透明度，通過馬達的高峰值電流獲得大扭矩，同時通過電流環近似計算出關節的受力狀態，高性能勢必帶來高能耗。而線性執行的特點是傳動透明度低，但等效減速比很大，能夠實現大推力的同時還具有自鎖特性（只要合理設計螺桿傳動機構即可）。特斯拉在線性執行器上集成力傳感器直接檢測螺桿負載，以此來彌補傳動透明度低的不足。因時機器人很早就發現了這個方案的優勢，通過集成微型力傳感器及力閉環的阻抗和導納控制算法讓線性執行器兼具自鎖節能與精確力控。
發布會中的推桿采用了反向行星滾柱絲杠技術，反向的意思為螺母旋轉，螺桿不動。剖面圖可以看到伺服電機轉子直接帶動螺母旋轉。該方案特點是行星滾子與螺母多點咬合滾動配合，承載能力極強，壽命超長，比常規滾柱絲杠提升一個數量級。但難點是滾子及螺母磨制工藝復雜耗時，裝配時需要匹配不同滾子的相位，操作難度大，因此成本很高。但通過特殊的設計和工藝，其實是可以在保證性能的前提下將成本降低。因時機器人通過多年的研究已經將該技術應用于微型伺服電缸，突破了螺母直徑10mm以下的滾柱絲杠的量產技術。該技術有望成為與常規諧波減速方案關節相互補充的主流技術方案，價格下降后在工業自動化領域的潛力也十分巨大。
當然，特斯拉的這款線性執行器也不是全無劣勢。從圖片結構看，Optimus所使用的直線伺服電缸為半閉環系統，即驅動器只控制伺服電機及螺母的位置，而最終的推桿末端位置精度通過絲杠來保證。這給末端控制精度的穩定性埋下了隱患，隨著工作時間延長絲杠會產生磨損，末端精度和背隙也將發生變化。為了克服這一問題，建議在線性執行器的末端增加絕對位置傳感器形成全閉環，通過算法補償絲杠磨損帶來的變化，可以在全生命周期中都保持高精度。因時機器人的微型伺服電缸就是通過末端位置反饋方案解決精度變化問題的。
很多人把擎天柱與波士頓動力的阿特拉斯相比，吐槽其行動遲緩。這和擎天柱低功耗高可靠性和低成本的設計理念有關，阿特拉斯性能雖好但可靠性較差，容易漏液倒地，液壓系統中的伺服閥價格也很高，所以電伺服還是現階段很有推廣潛力的方案。
誠然從瞬時功率密度的角度看，現有的電伺服系統的功率密度還遠低于液壓伺服系統，無法支持奔跑與空翻。但從物理原理的角度看電伺服還有很大的提升空間，如提升馬達轉速可以增加單位時間內電磁能量轉換的次數。比如高速吸塵器中10萬轉的馬達，雖然體積只有幾十克，但可以持續輸出100瓦以上的功率，而同樣輸出功率的工業低速伺服馬達重量多在1000克以上。因此高轉速馬達加大減速比減速機構的方案有望進一步提升電伺服功率密度，因時機器人一直認為高動態性能的電伺服仿人機器人未來可期。因時機器人發明的一種特殊行星螺母方案可以實現0.3mm以下的螺距，常規同體積螺母螺距不小于1mm。這相當于提升了3倍以上的減速比，更適合高速電機的參數匹配，是微型伺服電缸高功率密度的法寶之一。
在發布會上另一個讓人驚艷的硬件就是擎天柱的五指靈巧手了。靈巧手作為機器人實現操作的終端工具，十分重要且復雜，設計面臨的最大難題是空間極小而驅動自由度極多。人手（不含腕關節2個自由度及4個被動自由度）共有21個主動自由度，如果將21個執行器完全布置于掌內，現有技術根本無法實現。當下解決這個難題有兩個方向：一種是采用欠驅動方式，犧牲一定靈活性減少電機數量。另一種是將電機布置轉移至前臂，采用拉線方式從遠端控制靈巧手的關節，如英國的shadow手，但這個方案的缺陷是拉線機構隨著使用，精度會逐漸變化，機構復雜易損壞，因此尚不具備實用性。
特斯拉機器人靈巧手采取了折中的方案，使用較為經典的六電機驅動方式，拇指采用雙電機驅動彎曲和側擺，其它四指各用一個電機帶動。電機采用蝸桿傳動機構的目的與腿部直線伺服如出一轍，采用機構自鎖降低能耗。為追求形態美觀及自適應性，手指采用拉線的傳動機構，但由于線驅動可靠性和精度的隱患，預測后期該結構會進行改進，估計也是緊迫開發周期下的權宜之計。因時機器人仿人五指靈巧手也是從實用性的設計理念出發，同樣的6電機驅動，不過靈巧手采用了剛性連桿結構，通過內置力傳感器，使得靈巧手兼具可靠性和控制柔性。
在因時機器人看來，特斯拉發布的擎天柱原型機再一次印證了一個趨勢，那就是機器人核心零部件今后的發展方向勢必是向小體積、大功率密度、低成本和可量產去靠攏的。畢竟特斯拉想要造出來的只是一臺能夠代替人類完成一些簡單重復工作的機器人，而不是一個真正的“鋼鐵俠”。考慮到核心零部件的功耗、成本以及空間比等因素，選擇電驅執行器也就順理成章了。微型伺服電缸作為因時機器人研發出來的一種微小型電驅執行器，不僅被我們用作機器人的運動執行部件，在需要高精度的生物醫療領域，亦或在3C自動化、新能源等領域也有廣泛的應用空間。
也許特斯拉optimums沒有實現大眾的幻想，但是人形機器人除了自身的商業價值之外，更多的是代表了最先進的技術，而這些技術將會在機器人領域之外大放異彩，改變我們當下的生產方式甚至是生活方式。未來已來，你準備好了嗎？
