机器人对关节驱动电机的要求
发布时间：
2024-10-09 11:46
来源：
工业机器人：自动化产线的核心环节之一，工业生产性能优越
工业机器人是一种能自动定位控制、可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机。工业机器人可以通过编程和指导自动工作，拥有多个关节和自由度，具备视觉、力觉、位移检测等感知功能，能够对环境和工作对象进行自主判断和决策，是代替人工在各种严酷的、无聊的、有害的环境中进行体力劳动的自动化机器。我国已形成完整的工业机器人产业链，未来机器人与人合作工作成为可能，协作机器人与人形机器人将会逐渐运用在工业生产中。
协作机器人与工业机器人对比
| 工业机器 | 协作机器人 | |
| 安全性 | 不能主动对周围环境变化 做出反应 |
感知周围环境 |
| 性能 | 高精度、高速度、大负载、 工作范围大 |
灵活性、易用性、人机协作 |
| 应用场 景 |
焊接、打磨、喷涂等 | 多品种，少批量生产及常 更换机器人使用工序与位 置 |
| 员工需 求 |
需要长期专业的工程师 | 普通工程师 |
人形机器人关节使用的电机是无框力矩电机。特斯拉人形机器人全身共有28 个执行器，执行器分布在肩部6 个、肘部2 个、腕部6 个、躯干2 个、髋部6 个、膝部2 个、踝部4 个，其中旋转执行器和线性执行器各14 个。旋转执行器：主要由无框力矩电机+谐波减速器+扭矩传感器+位置传感器+轴承(角接触球轴承+交叉圆柱滚子轴承)+编码器组成；旋转执行器分布在肩部6个、腕部2个、髋部4个、躯干2个。特斯拉人形机器人包含3种不同扭矩的旋转减速器，扭矩分别为20Nm/110Nm/180Nm。
空心杯电机是机器人灵活手的关键零件。以特斯拉2023年开始生产的擎天柱Optimus的人形机器人为例，空心杯电机占单台机器人成本的4.43%，属于占比较高的零部件环节。特斯拉Optimus单手有11个自由度，采用6个执行器，采用空心杯电机+蜗轮蜗杆+金属肌腱驱动的方案，空心杯电机占手部执行器成本的54.5%。
劳动力短缺的问题逐渐显露，老龄化程度不断加深，适龄劳动人口占比不断下降，部分岗位用工短缺问题将日益凸显，机器人换人由“可选”逐步切换为“必选”。在追求快速高效和经济性能的前提下，市场对人形机器人相对应的电机有以下要求：
1、快速性，电动机从获得指令信号到完成指令所要求的工作状态的时间应短。响应指令信号的时间愈短，电伺服系统的灵敏性愈高，快速响应性能愈好，一般是以伺服电动机的机电时间常数的大小来说明伺服电动机快速响应的性能。
2、调速范围宽，能使用于1：1000～10000的调速范围。
3、体积小、质量小、轴向尺寸短。
4、控制特性的连续性和直线性，随着控制信号的变化，电动机的转速能连续变化，有时还需转速与控制信号成正比或近似成正比。
5、能经受得起苛刻的运行条件，可进行十分频繁的正反向和加减速运行，并能在短时间内承受过载。
6、起动转矩惯量比大，在驱动负载的情况下，要求机器人的伺服电动机的起动转矩大，转动惯量小。
概括起来，人形机器人对驱运动电机要求主要有以下几个方面：
减速器能够显著提升关节输出扭矩
人形机器人旋转驱动器在实际应用中需要解决大扭矩问题，搭载减速器是必选项。在齿轮传动中，啮合处的齿面作用力大小相等、方向相反，通过改变齿轮的半径可以改变输出扭矩。人形机器人要
求关节体积小，且在实际应用中面临大扭矩场景，单纯依靠电机难以实现。通常来看，减速器能够显著提升扭矩输出值，适配相应高扭矩密度的应用场景。
目前提升扭矩密度主要通过两种方式：①提升电机输出扭矩密度，②提高减速器减速比。
电机提升扭矩密度的难度较高
从电机角度来看，提升扭矩密度主要可以通过三种方式：①采用外转子结构；②扩大电机半径；③通过绕线结构提升电机功率密度。
增大半径能显著提升扭矩，但此方案对人形机器人关节而言不现实。提升电机半径可以直接提高电机的输出扭矩数值，但是人形机器人对关节体积有要求（不能过大），所以难以通过大幅提升电
机半径来提高扭矩。
外转子方案是增大电机扭矩密度的较好选择
电机绕线方式能够在一定程度上影响电机扭矩密度。增加线圈匝数能提升功率密度，从而间接提升电机扭矩密度。但是目前由于技术原因，在人形关节紧凑的空间中，电机绕线瓶颈难以突破。
相同体积下，外转子电机比内转子电机的输出扭矩更高。内转子电机线圈固定在外壳，主轴为转子，通常极数少、转速快，转动惯量更小，扭矩小。外转子电机的线圈在内部，相对而言极数更多、
转速更慢，转动惯量更大，相同电流下输出的扭矩更大。无框力矩电机的扭矩密度较高，是人形机器人关节电机的较优选择。
力矩透明度是决定是否加装力矩传感器的关键
大力矩输出密度和动态物理交互能力是足式机器人关节驱动器设计的关键因素，目前驱动器方案主要分为刚性驱动器方案、弹性驱动器方案和准直驱驱动器方案。不同方案由于存在力矩透明度差
异，所以存在是否采用力/力矩传感器的区别。
谐波减速器减速比高，存在非线性摩擦力矩，力矩透明度低。仅依靠电流环进行关节末端的力反馈难以进行建模，需要额外添加力矩传感器。
行星减速器减速比低，刚性强，非线性摩擦力可忽略不计，关节输出扭矩和电流之间呈较好的线性关系，易于建模，可用电流环控制。
国内主机厂采用谐波+行星减速器方案
和特斯拉不同，国内主机厂大多采用准直驱驱动方案。相比刚性驱动方案，准直驱关节采用电流环控制，关节末端不使用力矩传感器，成本更低，动态响应能力更强。
当下人形机器人即将迎来量产，关节驱动的技术路线尚未固化。硬件降本成为人形机器人产业化的关键因素，准直驱方案具有成本优势。而针对工业场景应用，出于负载和关节体积之间的权衡，
准直驱方案的应用范围有望进一步扩大。因此我们认为，未来国内主机厂在驱动方案上更可能根据关节特性不同而同时选择谐波和行星减速器方案。
空心杯电机公司目前国内主要有：鸣志电器、伟创电气、拓邦股份；无框力矩电机公司，步科股份、昊志机电、禾川科技。在原材料中，空心杯电机的永磁材料以高端钕铁硼(第三代稀土永磁)为主，2022年钕铁硼永磁材料中高端型占比43%。不同永碰体的特点和性能存在差异，在保证产生的磁场稳定的同时，需根据应用场县对工作温度、环垃的要求，合理的配置永磁材料，达到电机的性能和成本效应最大化。
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