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2025-05-07 具身智能的 “关节革命”：高性能执行器如何重塑人形机器人的未来

来源：机器人产业应用

一场围绕机器人关节设计展开的 “关节革命”，正以高性能执行器技术为核心，彻底改写人形机器人的运动性能边界。

作者：张艺凡出品：机器人产业应用

在科幻电影《机械姬》中，艾娃以灵动的肢体语言与人类对话，流畅的关节转动、细腻的动作表现，让观众惊叹于未来机器人的拟生魅力。如今，随着具身智能技术的突破，科幻场景正加速照进现实。而在这场科技革命中，一场围绕机器人关节设计展开的 “关节革命”，正以高性能执行器技术为核心，彻底改写人形机器人的运动性能边界。

揭开 PSA 执行器的神秘面纱：

精密传动的进化密码

在机器人关节设计领域，PSA 执行器（行星滚柱丝杠执行器）堪称 “工业关节的心脏”。传统滚珠丝杠传动中，滚珠与丝杠为点接触，承载能力与精度受限；而 PSA 执行器创新采用行星滚柱结构，通过多线接触设计，将接触面积提升 30 倍以上。

这种结构上的革新，使得力的传递更为均匀，极大降低了局部磨损。据国际权威机构测试数据显示，搭载 PSA 执行器的关节，其传动效率较传统方案提升 25%，负载能力增强 50%，定位精度可达 ±0.01mm，近乎达到微米级的控制水准。

| 行星滚柱丝杠示意图

| 传统丝杠

为保证性能，PSA 执行器的滚柱和丝杠通常会选用结实耐用的高强度合金钢，并通过特殊工艺处理表面。比如渗氮处理，能在金属表面生成一层超硬的氮化层，让耐磨能力提升 60%；而激光熔覆技术，则是给关键部位 “穿上” 特殊合金 “防护衣”，增强抗疲劳能力。

在生产制造上，五轴联动加工中心发挥了大作用，它可以精准加工出滚柱上的螺旋槽，误差不超过 0.005mm，确保每个零件都能严丝合缝地配合在一起。

PSA 执行器的精准传动能力，在仿生髋部设计上展现得十分出色。人的髋关节一秒钟要调整 12 到 15 次，才能在各种复杂路面上正常行走。仿生髋部装上 PSA 执行器后，搭配高精度传感器和伺服系统，就像长了 “眼睛” 和 “大脑”，能快速收集地面信息，在 0.02 秒内调整角度和力度。

在 2024 年国际机器人运动比赛里，用了 PSA 执行器的仿生机器人，在模拟山地、台阶这些难走的地方，走路稳定性高达 98.7%，比普通机器人更会适应复杂地形。

在机器人关节里，除了关键的 PSA 执行器，谐波减速器同样是不可或缺的重要零件。谐波减速器的工作原理，是通过能灵活变形的特殊部件，把运动和力量传递出去。它的优势很明显，体积小巧不占地方，能实现大幅度的速度转换，而且控制精度非常高。

在实际应用中，谐波减速器和 PSA 执行器就像默契的搭档：谐波减速器先 “发力”，把转速降下来，同时增大输出的力量；接着 PSA 执行器 “接力”，负责精准调整位置、输出动力。两者相互配合，让机器人关节既能输出强劲动力，又能做出精细准确的动作。

| 谐波减速器

伽南科技 Adam 的惊艳表现：

太极表演背后的技术突破

伽南科技人形机器人 Adam 在 2025 中关村论坛年会上的太极表演，成为技术与艺术融合的典范。Adam 能完成单腿转圈、掌心托物慢慢下蹲这些高难度动作，就像专业运动员一样厉害，这都要归功于它身上一套特别的 “关节黑科技”—— 自主研发的 7 自由度复合关节系统。

这套系统就像是 Adam 的 “关节大脑”，里面藏着 3 组 PSA 执行器和 4 组谐波减速器。PSA 执行器就像超有劲的 “动力小马达”，能提供强大的力量；谐波减速器则像个 “精准调节员”，可以把动力调整得更合适。它们相互配合，让 Adam 的关节既有力气又能灵活运动。

再加上一套精密的 “力量控制算法”，就像给 Adam 的关节装上了 “智能开关”，能把力量控制得特别精准，哪怕只需要改变 0.1N・m 的微小力量，它都能准确做到。这样一来，Adam 就能稳稳完成各种高难度动作，不会出现用力过猛或者力量不够的情况。

| Adam机器人动作展示视频

研发团队透露，为还原太极 “缠丝劲” 的力学特性，Adam 关节采用了仿生肌肉束结构设计，通过 32 组微型传感器实时监测关节应力分布。在太极 “云手” 动作中，Adam 的手臂能灵活地转动 270°，比人类手臂转动幅度还要大。不仅转得够灵活，它的手部动作还特别精准，误差不超过半毫米，所以打太极时每个动作都圆融流畅，完全没有生硬感。

此外，Adam 身上还装了 “聪明的小助手”—— 惯性测量单元（IMU），就像它的 “身体感知器”，能时刻知道自己站得稳不稳、动作做到哪儿了。再搭配上它的 “眼睛”（视觉传感器），就能看清周围环境。有了这些 “装备”，Adam 就能提前规划好动作，就像我们提前想好下一步怎么走一样，保证整套太极动作又连贯又稳当，不会出现卡顿或摔倒的情况。

| Adam机器人打太极视频

这场表演不仅证明了高性能执行器在复杂动作控制中的可行性，更标志着人形机器人从 “能运动” 向 “会表演” 的质变跨越。Adam 的成功背后，是对机器人动力学、控制理论、材料科学等多学科的深度融合与创新应用。

前沿技术探索：执行器的未来发展方向

除了现有的成熟技术，执行器领域还有许多前沿技术正在探索和发展。其中，软体执行器备受关注。软体执行器采用柔性材料，如形状记忆合金、介电弹性体等，能够实现更加灵活、仿生的运动。例如，介电弹性体在电场作用下会发生形变，通过控制电场强度和方向，可以实现复杂的变形动作，这种特性使得软体执行器在医疗机器人、救援机器人等领域具有广阔的应用前景。

在这一领域，北京软体机器人科技有限公司（SRT）表现突出，作为国内首家研发量产柔性夹爪的公司，也是全球仅有的两家量产企业之一，其产品源于对章鱼、水母等生物的仿生研究，利用柔性材料解决异形、易损物品的抓取难题，广泛应用于 3C、动力电池、食品等行业，还涉足医疗领域推出手部康复机器人。

| SRT柔性末端执行器

智能材料的应用也为执行器带来新的可能。例如，磁流变材料在磁场作用下，其流变性能会发生迅速、可逆的变化，利用这一特性可以开发出响应速度快、控制精度高的磁流变执行器。

此外，自修复材料的研究进展，有望解决执行器在长期使用过程中出现的磨损、损坏等问题，提高执行器的可靠性和使用寿命。

在智能材料应用方面，金发科技股份有限公司作为化工新材料龙头，自主研发的 PEEK、PA66 等高性能工程材料，凭借耐磨、耐热等特性，可用于机器人执行器的关键部件；南山智尚科技股份有限公司则在纺织新材料领域深耕，其研发的抗蠕变超高分子量聚乙烯纤维处于国内领先水平，还通过创新联合体为人形机器人提供传动和皮肤材料等。

| 金发科技无卤阻燃增强PA66

在驱动方式上，除了传统的电动驱动，液压驱动和气动驱动也在不断改进和创新。液压驱动具有功率密度大、响应速度快的特点，适合应用于需要大负载、高动态性能的机器人关节；气动驱动则具有成本低、清洁无污染的优势，在一些对环境要求较高的场合，如食品加工、医疗等领域，有着独特的应用价值。

未来，多种驱动方式的融合与协同控制，将为机器人关节的性能提升带来新的突破。三花智控积极布局机器人产业，聚焦仿生机器人机电执行器业务，在电机驱动技术研发上持续发力；美国的 Tolomatic 公司自 1954 年成立以来，在电动直线运动和气动执行器技术上处于领先地位，其产品高度耐用可靠，广泛应用于包装、医疗等多行业。