特斯拉人形机器人Optimus结构及驱动方案分析

特斯拉人形机器人 Optimus采用电机驱动，身体拥有 28个执行器。

1.特斯拉人形机器人 Optimus 的 AI 赋能分析

1.1 软硬件不断迭代升级，核心为优化成本和效率

特斯拉人形机器人 Optimus问世，核心为优化成本和效率。2021 年 8 月，马斯克首次 发布特斯拉人形机器人（Tesla Bot）计划，代号“擎天柱”（Optimus）。在 2022 年 9 月底 举办的特斯拉 AI DAY 上，马斯克公开了人形机器人 Optimus 原型机，人形机器人体重 73kg， 静坐 100W 功耗，快走 500W 功耗，全身自由度 200+，手部自由度 27，搭载与特斯拉车辆 相同的完全自动驾驶（FSD）大脑，2.3KWh 电池组（集成充电管理、传感器、冷却系统） 可以满足一天的工作需要。特斯拉人形机器人的核心为在满足功能的前提下降低成本和能耗， 即尽可能减少零部件数量和每个元件的功耗，例如减少四肢的感应和线路。马斯克称特斯拉 机器人有望在 3-5 年时间内交付，产量可以达到数百万台，价格可能不到 2 万美元。 人形机器人 Optimus软硬件不断迭代升级。2023 年 5 月特斯拉股东大会发布人形机器 人 Optimus 最近进展，包括机器人走路、利用视觉感知周围的环境、手臂精确控制力道不打 碎鸡蛋、手掌抓取线束等柔性物体、人类演示训练 AI、机器人修理机器人等场景，表明人形 机器人 Optimus 的硬件和软件性能得到进一步提升。

特斯拉人形机器人 Optimus 类似“汽车立起来装上脚”，因此可以复用大量汽车相关技 术进行迭代升级： 1）感知系统：可采用和汽车类似的计算机视觉技术。根据最新的特斯拉股东大会， Optimus 摄像头方案为 7 个摄像头配置（前方 3 个，两侧各 1 个，下方各 1 个），通过不同 方向上的摄像头观察到的点来确定位置，投射到向量空间，让机器人感知、识别并且理解周 围环境。 2）驱动系统：14 个旋转线性执行器+14 个线性执行器； 3）末端执行系统：“灵巧手”共 12 个空心杯关节； 4）能源供应：2.3KWh 电池组（集成充电管理、传感器、冷却系统）；5）运算系统及软件：搭载与特斯拉车辆相同的完全自动驾驶（FSD）大脑，将 FSD 使 用到的神经网络和模拟仿真训练技术迁移到机器人，唯一需要改变是训练数据集，通过处理 视觉数据，做出决策，包括路径规划、路径记忆、环境互动、导航充电等。

1.2 AI 多次模拟，优化设计方案

车辆碰撞模型技术横向迁移，保护机器人的“大脑”。2022 年 9 月，在特斯拉 AI Day 上，技术人员展示了如何借助现有的 AI 碰撞模型对人形机器人部件排布进行优化。车辆碰 撞模型会先记录一次实体碰撞时各个传感器的数据，然后将车辆数据和碰撞数据传入系统中， 生成一份数据库，再由 AI 将车辆拆分成超过 3500 个自由度，模拟上万次不同角度、力度的 碰撞，最后将所有碰撞数据汇总，找到车辆现有构型的缺点并加以改进。工程师将此技术用 于机器人部件排布设计，将重要部件放置在远离碰撞受损核心处，并将外壳设计成更能抵抗 外力的形状，保证机器人即使意外摔倒也不会影响到躯干内的核心零部件。

AI 仿真模型寻找成本和效率的最佳组合。人类有超过 200 个自由度，手部 27 个自由度， 同时快走功耗只有 500W，低功耗的同时又具有高度的灵活性。在设计机器人时，需要机器 人在完成具体任务的情况下，尽可能降低成本，在运动能力和低成本间找到最佳平衡点。特 斯拉为机器人设计了全身 28 个执行器（不含手部），用以完成 Pitch（绕 X轴旋转）、Yaw（绕 Z轴旋转）和 Roll（绕 Y 轴旋转）等不同动作，再通过 AI 仿真模型和实际验证，在低功耗、 低成本和最轻质量的目标下，选取一个关节的最佳设计。

提高零部件通用程度，将 28 个关节简化为 6 种执行器。特斯拉工程师使用多个场景模 拟机器人的工作状态，计算出每种场景下执行器的消耗和质量，并将其抽象为一个点，求解 整个质点云的帕累托最优，得到可以满足多种使用场景的关节设计。经过 AI 的分析优化， 将关节选型做到复用，最终实际的执行器减少到 6 种，包含 3 种规格的旋转执行器和 3 种规 格的线性执行器。

1.3 FSD+Dojo 加持，提高机器人执行力

FSD 技术助力机器人感知世界。FSD 算法是指特斯拉的全自动驾驶（Full Self-Driving） 系统采用的算法，用以实现车辆自主导航和自动驾驶功能，让车辆能够在各种交通环境下进 行感知、决策和控制。FSD 算法主要依赖神经网络和计算机视觉技术，通过处理和分析传感 器获取的实时数据，提取有关道路、车辆、行人和障碍物的信息，实现环境识别功能。目前 特斯拉已经打通 FSD 和机器人的底层模块，将 FSD 技术复用至机器人，在机器人感知、决 策、控制方面起到重要作用。

占据网络让机器人“擦亮”双眼。在感知层面，FSD 使用占据网络（Occupancy Network） 对 3D 空间内的障碍物进行持续检测，来估计障碍物的位置、大小、运动情况。FSD 算法可 以帮助机器人感知周围环境，识别物体、人和障碍物。

FSD 海量数据库可提供 AI 学习所需要的数据基础。AI训练需要大量数据作为底层支撑， 而特斯拉的 FSD Beta 已在北美普及了超过 40 万台车辆，庞大的用户实测数据为 AI 的训练 提供了帮助。根据特斯拉股东大户展示的数据，FSD Beta 数据库目前拥有将近 2 亿英里（3.2 亿千米）的自动驾驶数据，这将对后续机器人的 AI 训练提供支持。

特斯拉超算 Dojo有望在 2024 年跻身世界前五。2023 年 6 月，Tesla AI 公布了一张算 力预期图：2023 年 7 月 Dojo 会正式投产，随后算力将进入快速增长期，2024 年 2 月 Dojo 算力规模将进入全球前五，2024 年 10 月算力总规模将达到 100 Exa-Flops，相当于 30 万块 英伟达 A100 显卡的算力总和。

Dojo 计算架构为训练机器人路径规划和执行提供算力支持。Dojo 能够处理海量的视频 数据，不仅能够加速特斯拉 FSD 系统的迭代，还能为人形机器人 Optimus 提供算力支持。 同时 Dojo 可以训练 AI 解决零样本新问题的能力，如设定“搬起箱子”动作的程序后，面对 斜侧箱子时，AI 会将动作拆分，使机器人在不转身的情况下拿起斜侧摆放的箱子。据 Dojo 项目负责人介绍，Dojo 相比于业内其他芯片，同成本下性能提升 4 倍，同能耗下性能提高 1.3 倍，占用空间节省 5 倍。

2.特斯拉人形机器人 Optimus 的驱动方案分析

2.1 身体：14 个旋转线性执行器+14 个线性执行器

特斯拉人形机器人 Optimus采用电机驱动，身体拥有 28个执行器，并且使用旋转执行 器和线性执行器两种方案。1）基于无框力矩电机+谐波减速器+力矩传感器+双编码器+交叉 滚子轴承+角接触球轴承的旋转执行器；2）基于无框力矩电机+编码器+行星滚柱丝杠+力传 感器+深沟球轴承+四点接触轴承的线性执行器。通过进行共性研究减少使用驱动器的种类， 目前 Optimus 使用 6 种执行器，旋转和线性各 3 种，其中一款线性执行器可以举起 500 斤 的钢琴。

身体拥有 28个执行器，14个旋转执行器+14 个线性执行器。分布如下：1）左臂+右臂： 7+7，其中肩部 3（×2）个旋转执行器，肘部 1（×2）个直线执行器，手腕 1（×2）个旋 转执行器+2（×2）个直线执行器；2）左腿+右腿：6+6，其中髋部 2（×2）个旋转执行器 +1（×2）个线性执行器，膝盖 1（×2）个线性执行器，脚踝 2（×2）个线性执行器；3） 腰部：2 个旋转执行器。

旋转执行器采用无框力矩电机+谐波减速器+力矩传感器+双编码器+交叉滚子轴承+角 接触球轴承的方案。1）无框力矩电机：使用特斯拉自主研发的永磁电机（Bespoke Permanent Magnet Machine）。2）减速器：使用谐波减速器，结构简单，减速比大，传动精度和传动 效率较高。3）位置传感器：使用两个，即双编码器，包括输入位置编码器、输出位置编码 器。4）力矩传感器：使用一个非接触式扭矩传感器。5）轴承：使用角接触轴承、交叉滚子 轴承。

线性执行器方案采用无框电机+行星滚柱丝杠+力传感器+编码器+深沟球轴承+四点接 触球轴承的方案。1）电机：使用特斯拉自主研发的永磁电机（Bespoke Permanent Magnet Machine）。2）丝杠：使用行星滚柱丝杠（Planetary Rollers），具有较强刚性。3）编码器： 使用一个位置传感器。4）力传感器：由于丝杠没有反驱性，配置力传感器。5）轴承：使用 深沟球轴承、四点接触球轴承。

人形机器人 Optimus 身体核心零部件市场空间测算：1）谐波减速器：单台机器人谐波 减速器数量为 14 个，单价从 2026 年的 1300 元下降到 2030 年 600 元，2030 年乐观/中性/ 悲观情景下市场空间分别为 168/126/67 亿元；2）行星滚柱丝杠：单台机器人行星滚柱丝杠 数量为 14 个，单价从 2026 年的 4000 元下降到 2030 年 2000 元，2030 年乐观/中性/悲观 情景下市场空间分别为 560/420/224 亿元；3）伺服电机：单台机器人伺服电机数量为 28 个， 单价从 2026 年的 500 元下降到 2030 年 300 元，2030 年乐观/中性/悲观情景下市场空间分 别为 168/126/67 亿元。

2.2 灵巧手：12 个空心杯关节

Optimus 手掌采用空心杯电机+微型行星齿轮箱+绳驱+蜗轮蜗杆+力传感器的方案。机 器人 Optimus 一只手掌拥有 6（×2）个执行器（大拇指 2 个，其余各 1 个），11 个自由度 （大拇指内转+屈伸共 3 个自由度，其余屈伸各 2 个自由度），能够负荷 20 磅。1）空心杯电 机：拥有功率密度高、体积小、无齿槽效应等优势，一般和微型行星齿轮箱配套。2）绳驱： 绳驱（tendon-driven）可以理解为，电机通过收缩金属线来控制手指的弯曲，驱动拉紧金属 线—手指握住，电机驱动松开金属线—弹簧使得手指张开。绳驱结构的优势在于能够实现消 隙，消隙的带来的好处是让手指在运动时更加连贯，缺点在于不耐用。3）蜗轮蜗杆：蜗轮 蜗杆结构具有自锁性，即蜗杆可以轻易转动蜗轮，但蜗轮无法转动蜗杆（这是因为蜗轮蜗杆 的结构和传动是通过摩擦实现造成的）。蜗轮蜗杆的这种自锁性使得机器人能够在不打开手 的情况下能够进行活动，具体体现为电机驱动使得手握紧—锁止。4）传感器：由于没有反 驱性，因此需配置力传感器。

人形机器人 Optimus 手部核心零部件市场空间测算：1）空心杯电机：单台机器空心杯 电机数量为 12 个，单价从 2026 年的 1000 元下降到 2030 年 400 元，2030 年乐观/中性/悲 观情景下市场空间分别为 96/72/38 亿元；2）微型行星齿轮箱：单台机器人行星滚柱丝杠数 量为 12 个，单价从 2026 年的 400 元下降到 2030 年 200 元，2030 年乐观/中性/悲观情景 下市场空间分别为 48/36/19 亿元。