主要人形机器人厂商的电机驱动与传感系统对比

人形机器人电机驱动与传感技术现状与趋势

1. 电机驱动关键技术与趋势

伺服电机：人形机器人关节常采用闭环伺服系统，包含无刷电机、减速器、编码器和驱动器。例如优必选的关节驱动集成了高密度无框力矩电机、谐波减速器、双位置编码器等于一体，可支持≥200?Nm的峰值扭矩。伺服驱动器能够实现高精度的角度/速度/力矩控制，是机器人运动的基础。

无刷直流电机 (BLDC)：BLDC电机具有高效率、高功率密度和长寿命等优点，被广泛用于机器人各关节驱动中。其静音、响应快、控制精度高，适合需要精细运动的任务。现代机器人常在BLDC电机基础上增加谐波减速器或同轴减速结构，提高输出力矩和稳定性。

力矩电机 (Torque Motor)：力矩电机是无框架、高扭矩的直驱电机，可直接驱动负载而无需大型减速器。该类电机扭矩密度高、惯量小，常用于要求高精度力控或快响应的场景。随着材料和磁路设计优化，力矩电机在机器人关节（如手腕或踝关节）应用越来越多。某些高端伺服模块已将力矩电机、控制器和传感器高度集成，实现直接驱动和闭环力控。

柔性执行器与QDD：近年来，串联弹性执行器（SEA）和准直接驱动（QDD）技术得到推广。QDD系统使用低速大扭矩电机配合低比谐波减速器，在实现高力控带宽的同时保持效率和精度。Boston Dynamics的Atlas新一代机器人即从液压转向全电驱动，采用这种高集成方案。总体上，随着电机材料与控制技术进步，电驱动方案正成为主流趋势，逐渐克服传统液压的复杂性和能耗劣势。

控制算法

PID控制：经典的比例-积分-微分控制依然是各关节基础的反馈控制方法，用于位置、速度和力矩闭环调整。设计简单且实时性好，但对模型误差和外扰鲁棒性较弱。

模型预测控制 (MPC)：MPC通过建立机器人动力学模型，在有限时域内优化关节轨迹和力分配，可协调全身多关节运动。Boston Dynamics等团队在Atlas和Spot上应用MPC等优化算法提升动态平衡和规划能力。MPC适合对步态或大动作进行优化，但计算量较大。

自适应与学习控制：为了应对参数变化和未知扰动，自适应控制、非线性控制或基于强化学习的方法日益受到关注。例如结合深度强化学习、混合前馈+可变阻抗反馈等策略，可让机器人在不确定环境中实现更鲁棒的运动和操控（参见Boston Dynamics的新AI工具）。机器学习算法也被用于感知与控制协同，提高对复杂情景的适应性。

驱动一体化趋势

一体化关节模组：为减小体积并提升功率密度，新一代人形机器人关节趋向高度集成。典型如ANYbotics（达闼）的SCA智能柔性关节，将电机、驱动器、编码器和减速器集成在一个紧凑模块中，体积仅为传统伺服系统的十分之一。类似设计通过FPGA或专用芯片实现高带宽、低延迟的控制通信，可在关节层面完成精确的运动和力控。

伺服电缸等：部分机器人应用将伺服电机和滚珠丝杠/导轨一体化，形成线性驱动单元（伺服电缸），进一步简化传动结构，降低噪声并提高响应速度。这类模块化线性执行器尤其适合替代笨重的液压缸。

趋势总结：综上，未来电机驱动将沿着高集成、模块化和智能化方向发展，通过集成化设计和先进的控制硬件，实现更高的扭矩密度、带宽和可靠性。同时，软件与硬件协同优化（如边缘计算、机器人操作系统）会进一步提升驱动性能和开发效率。

2. 传感技术关键部件与融合策略

视觉/深度传感器：主要包括RGB摄像头和深度相机（TOF、结构光、立体视觉等）。当前主流方案为飞行时间（TOF）和多目立体视觉。例如，特斯拉Optimus主要采用多摄像头立体视觉模块进行3D感知；优必选WalkerX则采用基于多目视觉的三维定位；小米CyberOne搭载自研Mi-Sense深度模组（iToF+RGB+可选IMU）；波士顿动力Atlas头部则配备两个摄像头，其中一个为TOF深度相机。工业级视觉模块对精度和稳定性要求高，而消费级深度相机则更强调成本控制。整体来看，三维视觉方案正在向更高帧率和集成化（如SOC化深度摄像头）的方向发展。

惯性测量单元 (IMU)：IMU包括陀螺仪和加速度计，用于实时获取角速度和线加速度信息，是姿态、平衡和定位的核心传感器。全球MEMS惯性市场由少数大厂占据，中国企业如汇顶动联科、明皓传感等也在快速追赶。机器人通常采用工业级MEMS IMU满足航向和加速度测量需求。IMU数据可与视觉、编码器等多传感器融合，用于位置估计和状态反馈。例如通过IMU与相机融合，可补偿单目视觉的尺度漂移，提高定位精度。

力/力矩传感器：多自由度力/力矩（F/T）传感器多安装在机器人手腕、脚踝等部位，用于测量接触力和力矩。高精度六轴力传感器可帮助机器人实现力控制、碰撞检测与环境交互，例如在抓取或行走时精准感知接触状态。国内头部厂商虽在IMU和视觉领域已有一定技术实力，但六轴力传感器与国际龙头仍有差距。未来，传感器阵列和智能柔性触觉“皮肤”也在研发中，可进一步丰富机器人触觉感知能力。

位置与速度传感器：关节位置传感器通常为高分辨率编码器（旋转或线性编码器），与伺服电机配合实现闭环控制。现代机器人常用绝对值编码器保证开机即定位的能力。与此同时，通过轮速传感器、足部压力传感器等也可辅助估计移动状态，支持行走控制。

传感融合策略：人形机器人需将多源信息融合以构建对环境和自身状态的准确认知。常见策略包括扩展卡尔曼滤波（EKF）、无迹卡尔曼（UKF）或视觉惯性里程计（VIO）等技术，将IMU、编码器和视觉数据互补融合。例如，将IMU数据与电机编码器和相机融合，可精准预测机器人速度和轨迹、保持动态平衡并避障。此外，机器学习方法（如深度SLAM、语义分割）也逐渐应用于多传感器融合，使机器人在不确定环境中获得更丰富的感知能力。

3. 主要厂商方案对比

波士顿动力（Boston Dynamics）Atlas新一代机器人已由液压系统转为全电驱动，采用高扭矩电机及低比减速器（Quasi-Direct-Drive）实现灵活动作。其控制算法结合模型预测控制和强化学习，可在复杂环境中完成高难度运动。Atlas配备双目视觉（其中一只为TOF深度摄像头）、激光雷达、IMU和力传感器，用于实时感知和决策。Atlas的核心竞争力在于动态机动性和强大的整合控制能力，能够执行双手双足复杂操作，并与工业级软件系统结合实现场景自适应。

以下表格总结了波士顿动力、特斯拉、优必选、小米等主要人形机器人厂商在电机驱动与传感系统方面的设计选型和特点：

由上表可见，各家厂商在驱动与传感方案上各有侧重：波士顿动力注重极致的动态性能与稳定可靠性，采用顶尖的电机与全身传感组合；特斯拉依托自动驾驶技术积累，强调大规模生产和AI控制；优必选则构建了开放的国产平台，提供高性价比的伺服关节与成熟传感器；小米整合了自有生态优势，采用自主开发的高性能执行器和深度视觉模组。总体来看，未来人形机器人产业将沿着电驱动化、高集成化及智能化方向发展，各厂商的核心竞争力分别体现在技术创新、供应链整合和软硬件生态等方面。

表格：主要人形机器人厂商的电机驱动与传感系统对比（数据来源：如上所引技术资料和厂商发布信息）