人形机器人 · Series
第三篇 · 技术

技术解剖:壳子里头在发生什么

从平衡的物理,到电机与减速器、人工智能,再到电池。把那层光滑的外表,一层层揭开来看。

Published 2026·06·20 · 16 min read · by Lucky Please Editorial
Prologue

在光滑的外表之下

正如第二篇结尾所见,今日人形机器人的外形,无论属于哪个阵营,都正日益趋同;以两腿、五指、头上一台摄像头为框架,这一大轮廓事实上已收敛为一,于是真正的竞争,便在那层光滑的外皮之下、在零部件与算法的层面上展开。本篇将打开这层壳子,依次审视真正让人形机器人动起来的五大核心。

次序由身体的外侧向内侧推进。我们先从"行走"这一动作为何如此之难的物理问题出发,经过真正生成该动作的电机与减速器,抵达"看什么、如何判断"的人工智能领域,最后停在那个支撑一切运转数小时、却最不受瞩目的电池面前。

Chapter I

行走这件事的物理学

第一篇曾简短提及本田的ZMP,但既然这一概念是人形机器人行走的起点,便有必要再精确地交代一次。无论是人还是机器人,双足站立时脚掌触地的区域称为"支撑区域",而把作用于全身的力与惯性折算为一点的零力矩点(即ZMP),只要停留在这一支撑区域之内,机体便不会倾倒。

Balance = keep the ZMP under the foot CoM STABLE ZMP inside the foot CoM TIPS OVER ZMP past the edge
行走的核心条件。把全身之力折算为一点的ZMP若落在脚的支撑区域之内,便稳定(左);一旦越过边界,便会倾倒(右)。示意图:Lucky Please。

难点在于,这一条件须在"行走之中"而非静立时保持。抬起一只脚的瞬间,支撑区域便缩窄为另一只脚的面积,身体时时刻刻都在向前倾倒,因此控制器必须每秒数百乃至上千次地重新计算数十个关节的角度与速度,把ZMP不断拉回脚的范围之内。早期人形机器人之所以走得那样缓慢小心,近年的机体之所以能奔跑、甚至跳跃,归根结底都取决于这一计算做得有多快、多精。

Chapter II

替代肌肉之物:执行器

当保持平衡的指令下达,把它化为实际动作的,是嵌在每个关节里的执行器,亦即"人造肌肉"。正如第一篇的液压式Atlas所示,以油压产生巨力的液压方式一度是动态性的象征,但因其笨重、昂贵、精密控制困难等弱点,2020年代几乎所有人形机器人都转向了电机。

其核心,是通常称为BLDC的高性能电机。它在相同重量下能输出更大的转矩,可作精细控制,在散热与效率管理上亦更占优;不过,仅靠电机直接输出的转矩,远不足以支撑人的体重去行走。电机本就擅长"转得快、力气小",因此必须有一个把这种高速旋转变为"转得慢、力气大"的装置,那便是下一章的主角——减速器。

Chapter III

最昂贵的一小撮:减速器

减速器,顾名思义,是把电机的高速旋转降下来、从而成比例地产生更大转矩的部件,是事实上决定人形机器人关节性能与精度的核心。其中最为广泛使用的,是名为谐波减速器(Harmonic Drive)的精密减速器;一只薄而柔韧的带齿杯,被椭圆形的输入轴压迫,仅在两点与坚硬的外圈啮合——正是这一独特结构,使它在又小又轻的同时,几乎没有齿间的旷量(背隙),从而产生精细的运动。

Harmonic drive reducer Circular spline rigid · fixed Flex spline flexible · OUTPUT Wave generator elliptical · INPUT Reduction 50:1 – 160:1 · near-zero backlash
谐波减速器的剖面示意图。椭圆形输入轴(波发生器)压迫柔性带齿杯(柔轮),使其与坚硬外圈(刚轮)在两点啮合,从而在又小又轻之中获得没有背隙的大减速比。示意图:Lucky Please。

这一部件之所以重要,并不只因其技术上的卓越。谐波减速器制造不易,少数企业事实上垄断了市场,而一台人形机器人里,每个关节都要装上数十个这样的精密减速器,因此,一旦机器人进入量产,由谁来供应这"最昂贵的一小撮",本身便会成为一桩巨大的生意。技术问题就此径直转为金钱问题——正是这一点,使它处在下一篇所要谈的股市价值链的正中央。

Chapter IV

会看会判断的头:传感器与人工智能

无论腿脚多么结实、关节多么精密,若没有一个判断"看什么、如何动"的"头",机器人便只是一台不断重复既定动作的机器。第一篇的ASIMO与今日人形机器人之间的决定性差别正在于此:当摄像头、惯性测量单元(IMU),以及感知力与扭矩的传感器不断采集周遭与姿态的信息,人工智能便加以解读、决定下一动作,而该指令又重新下达至电机——这一循环每秒重复数百次。

① SENSE Camera · IMU · Force / Torque sensors ② THINK (AI) Perception · Balance · Planning ③ ACT Motors + Reducers drive the joints ④ BODY Joints · limbs move, posture changes closed loop · up to ~1 kHz
人形机器人的控制环路。人工智能解读传感器采集的信息并决定动作,电机与减速器驱动身体,结果又回到传感器——这一闭环每秒重复数百次。示意图:Lucky Please。

近来最大的变化,在于打造这颗"头"的方式本身。过去,人必须把每一个动作一一编程;如今,重心已转向让机器人借助海量视频与仿真自行学习动作。尤其随着把视觉、语言与行动捆为一体来学习的新型人工智能模型的出现,机器人听懂"把杯子递给我"这一句话、并在从未见过的环境中加以完成,正一点点成为现实——第二篇所见诸企业之所以各自为自研人工智能押上全部,原因也正在于此。

Epilogue

这些部件,很快就会变成钱

保持平衡的控制、输出力量的电机、把这股力量加以打磨的减速器、负责判断的人工智能,以及支撑一切的电池。人形机器人作为一台机器,归根结底是这五个层次的精密合奏,其中任何一处羸弱,整体便会停摆。

然而,静静端详这份部件清单,它同时也是一张庞大的产业地图。造电机的公司、垄断减速器的公司、卖人工智能芯片的公司、供应电池的公司,各自把守着这一流向上的要隘。下一篇,我们将把这张技术解剖图原样翻转过来,沿着股市的价值链,去看一看在人形机器人量产的时代,钱究竟在何处流动。

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  1. 第1篇 · 历史 — 从发条人偶到ASIMO与HUBO
  2. 第2篇 · 当代巨头 — Atlas·Optimus·Figure·宇树
  3. 第3篇 · 技术解剖 — 双足行走·执行器·减速器·AI·电池
  4. 第4篇 · 股市价值链
  5. 第5篇 · 美国
  6. 第6篇 · 日本
  7. 第7篇 · 韩国
  8. 第8篇 · 中国

参考资料 · Sources

  1. 关于双足行走控制与ZMP(零力矩点)的机器人学标准文献。
  2. 关于电动与液压执行器、以及BLDC电机转矩密度与控制特性的技术资料。
  3. 关于谐波减速器(谐波齿轮)结构及精密减速器市场的资料。
  4. 关于机器人学习(模仿学习·强化学习)与视觉-语言-行动(VLA)模型的公开研究。
  5. 关于人形机器人耗电与电池续航极限的报道与企业披露。

示意图 · Diagrams

  1. 平衡·谐波减速器·控制环路示意图三幅 — Lucky Please 自制(用于概念说明的示意图)。