老板让我找个低成本的网关方案，我试了一下，还真有

前两天分享了一款芯片体积小、性能爆。我发现大厂最近发布的这颗芯片，让机器人续航直接起飞，实实在在帮机器人把续航提上去了。这几年，人形机器人产业大爆发。就拿咱们国内来说，宇树科技、智元机器人、众擎机器人、‌优必选和傅利叶智能‌，随便一数就是一大串，当然还有很多其它的公司，这里就不一一罗列了。说实话，我翻了这些公司的公开资料，发现一个有意思的现象——大家的硬件方案越来越像，真正拼的还是算法和落地场景。有粉丝朋友希望我出一期机器人的科普，说网上的信息虽然很多，但知识点比较零散，还是比较喜欢看我写的科普文章。我没做过机器人整机产品，但是机器人内部的核心部件——比如RK3588主板、电机以及各类传感器，都是咱们电子人日常打交道的东西。图源：众擎机器人然后我自己去学习，了解，也参考了一些大厂官网的公开资料，于是有了这篇文章。今天咱们就从一个硬件工程师的角度，把一台典型的人形机器人从头到脚拆开，跟你聊聊它主要由哪些部分构成。这篇文章尽量写得通俗、全面，目标是成为全网最全的那一篇。文章有点长，一口气看完有点难。开头会碰到一些专业名词，这很正常——篇幅有限，我没法细讲，但后面会尽量说得通俗易懂。建议先收藏，之后再慢慢看。01总框架和难点先拉个总纲。一台 完整的人形机器人，从硬件系统角度，可以粗暴地切分成五大块：1、感知系统（眼睛、耳朵、身体感觉）：让机器人知道周围有什么、我现在是什么姿势。核心部件包括深度相机、激光雷达、惯性测量单元（IMU）、关节编码器、六维力传感器、触觉传感器。2、决策与控制系统（大脑）：处理信号、跑算法、下指令。相当于一个实时战斗指挥部。核心部件是工控机/嵌入式板卡（如RK3588）、实时通信总线（如EtherCAT）。3、执行系统（肌肉与关节）：把电转化为力、再转化为动作。核心部件是无刷电机 + 减速器（谐波/行星）+ 伺服驱动器，这三者集成封装成一个关节模组，再加上灵巧手里的微型驱动与腱绳。4、能源与配电系统（心脏与血液）：供电、稳压、保护电路。核心部件是高倍率锂离子电池组、BMS、多路隔离稳压电源板。5、结构与散热（骨骼与皮肤）：承重、减重、隔热、排热。材料有铝合金/碳纤维骨架、导热硅脂/散热片、风冷或水冷散热。我自己画过几块工控板，有个体会特别深：机器人内部这五大块不是独立存在的，你动一个地方，有可能其他几个都得跟着调。这也是为什么小厂很难攒出一台好用的整机。框架清楚了，再说几个真正卡住行业脖子的技术点，理解它们，你就理解了人形机器人80%的难度。第一个难点：关节的能量密度与散热。电机扭矩和体积/重量天生矛盾。你要让机器人像人一样灵活，就得用很多小关节，但小电机扭矩不够；用大电机又太重，膝盖扛不住。难点是在巴掌大的体积内，塞进能输出几十牛米扭矩的电机加减速器，同时还要把发热迅速散掉，否则电机退磁导致工作异常了。我以前调试过一款大功率电源板，温度一过90多度，管子就很危险了。机器人关节比那更苛刻——塞在壳子里还没地方装大散热片。第一个难点：实时同步控制与动平衡。机器人走路时，零点几毫秒内，全身几十个电机必须同步响应，否则就像一群人抬轿子步调不一致，立刻晃倒。在高性能机器人中，依赖EtherCAT级别的高速总线，算法上要把IMU、关节编码器、脚底压力数据融合到一块，毫秒级算出质心位置并调整步态。第三个难点：能量管理与续航。人形机器人全身几十个电机同时发力，功率轻松上几百瓦甚至上千瓦，但电池能量密度几十年没大突破。目前普遍只能跑2到4小时，而且电量低了扭矩就掉，走路姿态会变，这是一个很难解决的矛盾。第四个难点：手部精细操作。人手有20多个自由度，传感器密度极高。要在机器人手上实现类似功能，既要十几个微型驱动，又要密集的触觉反馈，还要控制抓握力度不捏碎东西。很多所谓灵巧手到了真实场景就是一抓就掉或者一捏就碎，比走路还难解决。清楚了总框架和难点，我们现在从头到脚，一个一个拆。02机器人的组成部分先看头部咱们从头开始。人形机器人的头里，最重要的不是CPU，而是传感器群。最核心的是视觉系统。绝大多数人形机器人会用双目或RGB-D深度相机，比如Intel RealSense系列或者奥比中光的深度相机。两个摄像头像人的两只眼睛，通过视差算出物体的距离。头部通常还有惯性测量单元（IMU）。这东西一般由三轴陀螺仪加三轴加速度计组成，告诉你头现在往哪转、加速度是多少。整个身体的姿态稳定，在一定程度上靠头部的IMU做初判。部分高端机型还会在头部加3D激光雷达（LiDAR），比如宇树H1头上顶的那颗。激光雷达直接扫描周围环境，生成点云地图，用来做SLAM定位和导航。图源：宇树那脑子，也就是主控计算机放在哪？不一定在头部。很多设计会把它塞进胸腔，防止头部过重导致脖子电机负荷太大。主控计算机通常是x86（比如Intel Core i7/i9 / Ultra 系列）或者ARM架构的SoC（如 NVIDIA Jetson、瑞芯微 RK3588、高通骁龙），跑Linux + ROS 2。这块板子负责传感器数据处理、决策规划、电机指令下发。简单说，它就是机器人的大脑。脖子和关节，全是执行器往下走就是脖子。脖子一般有2到3个自由度，能抬头低头、左右转头。每个自由度背后是一个无刷直流电机（BLDC）加谐波减速器或者行星减速器的组合。这里要重点说一下关节。人形机器人最贵、最核心的硬件就是关节执行器。一个典型的关节模组长这样：无刷电机 + 力矩传感器 + 编码器 + 减速器 + 驱动电路，全部集成在一个圆柱形壳子里。典型产品如动易科技的 ‌PhyArc 系列‌（摆线关节模组）。图源：世界机器人博览会电机是无刷直流电机，扭矩大、效率高、寿命长。为什么不用有刷电机？因为电刷会磨损，机器人要长期运行，无刷是必须的。减速器有两种主流选择：谐波减速器（绿的谐波、HD哈默纳科）和行星减速器。谐波减速器精度高、传动比大，但贵；行星减速器便宜一些，抗冲击更好。宇树Unitree G1拥有23-43个自由度，其关节电机用的是行星减速器，为了兼顾成本，性能和集成化设计需求‌。图源：宇树编码器用来知道电机转了多少圈、当前角度是多少。现在主流是磁编码器或光编码器，新的还有电感编码器。高端关节分辨率能做到19位以上。力矩传感器装在‌关节减速器的输出端‌或‌靠近负载侧，实时测量关节输出的扭矩。这个很重要，没有力矩反馈，机器人不知道用了多大力，抓个鸡蛋会捏碎，扶墙会自己摔倒。驱动电路（也叫伺服驱动器）接收主控发来的指令，通过六步换相或FOC算法控制电机转动。高级的驱动器还直接做电流环、速度环、位置环的闭环控制。所以一个关节，本质上就是一个高度集成的伺服系统。举个例子：宇树H1全身有18个自由度（不算手），每个自由度对应一个关节模组。图源：宇树躯干里藏着电源、主控和散热拆开胸口，你会看到几样东西：主控计算机：前面说了，通常是一块NVIDIA Jetson Orin或者x86板子。OrinX的算力在200 TOPS左右，用于跑AI模型、视觉处理、路径规划。电池包：人形机器人一般用48V或72V的锂离子电池组，容量要看续航。宇树H1电池容量:15Ah(0.864kWh)，能跑大概1.5小时。电池组带BMS，监控电压、温度、过流保护。电源管理板：把电池电压转换成各种电压轨，比如给主控供12V/5V/3.3V，给电机供48V，给传感器供5V。电源设计要特别注意预留余量，因为电机启动瞬间电流极大，电压不能掉。实时控制器：有时候主控来不及处理所有电机的高频闭环，会加一块FPGA或者高性能MCU（比如STM32H7系列）专门做底层电机同步控制。主控负责任务级的路径规划，决定机器人下一步要去哪个位置；实时控制器负责关节级的运动执行，告诉电机怎么转到位。还要考虑散热。十几个电机同时转，主控芯片发烫，所以里面会有风冷（风扇加散热片），更高端的会用液冷。宇树的H2用了风冷方式。图源：宇树手臂和手，精度比力气更重要手臂一般每侧5到7个自由度：肩关节3个（俯仰、滚转、偏航），肘关节1个，腕关节2到3个。每个关节依然是电机加减速器。手部是最复杂的部分之一。人形机器人最简单的是两指夹爪，两个指头，能捏能放。高级的比如灵心手巧L20的手，有16个自由度，每个手指独立驱动。但注意，绝大多数灵巧手不是每个指节一个电机，而是通过腱绳（像自行车刹车线一样的钢缆）从手掌或手腕里的电机远程驱动指节。这样可以把电机集中放在前臂，手指做得很细很灵活。图源：灵心手巧手指上会贴触觉传感器。抓物体时，传感器实时反馈接触力，控制器调整手指力度，防止打滑或捏碎。另外手腕处通常装一个六维力传感器。这个传感器能测出空间三个方向的力和三个方向的扭矩。为什么需要它？比如说机器人拧螺丝，手腕感觉到反作用力，就知道螺丝有没有拧到位。腿部负责走路，比胳膊更吃控制腿部结构每侧一般5到6个自由度：髋关节3个，膝关节1个，踝关节2个。髋关节的电机功率最大，因为要支撑全身重量。图源：宇树膝盖是单自由度的，但承受冲击最大。走路时膝盖承受的力是体重的2到3倍，所以膝关节的减速器和外壳都要强化。脚踝有两个自由度（俯仰、滚转），保证脚底能完全贴合地面。脚底板会装脚底压力传感器，检测脚掌与地面的接触情况。机器人的平衡控制，很大一部分靠脚底压力数据和IMU数据融合来做。图源：优必选脚底板材质一般用铝合金或碳纤维，表面使用‌高性能改性TPU‌作为防滑层，增加摩擦力。03其它内部走线你可能会想，十多个关节、几十个传感器，线怎么走？不是每根线都单独拉到主控。人形机器人内部用现场总线（CANopen或者EtherCAT）。每个关节模组内部集成一个EtherCAT从站芯片，所有关节通过一条网线串起来。主控发一条命令，所有关节几乎同时收到（微秒级延迟）。传感器也是一样，通过I2C或SPI转CAN的模块挂到总线上。图源：优必选电源线是另外走的粗线。48V电池出来，分到每个关节的驱动器。低压电源通过DC-DC转换器供给主控和传感器。外壳材料外壳不是简单为了好看。关键部位用铝合金（6061或7075）或者碳纤维，比如小腿、手臂骨架。非承重部位会用工程塑料或者镁合金，为了减重。人形机器人对重量极其敏感，要求尽量轻量化。结尾以上是对人形机器人的简单介绍，一台人形机器人，本质上就是一群高精度伺服关节 + 一个带传感器的主控系统 + 一套靠谱的电源和总线 + 一堆算法。硬件上最难的，不是单个电机多牛逼，而是几十个电机要毫秒级同步动作，同时维持整机动平衡。这需要硬件、底层驱动、上层算法三层完美配合。这两年国产机器人大爆发，供应链已经比较成熟。真正拉开差距的地方在于：整机控制算法、关节散热设计、成本控制这些环节。好了，今天就写到这儿。以上是我作为一个硬件工程师的观察，肯定有没讲到或者讲不准确的地方。如果你也是搞硬件的，或者就在机器人行业里搬砖，欢迎在评论区聊聊。参考内容：宇树科技、智元机器人、众擎机器人、优必选、灵心手巧来源：硬件笔记本