人形机器人的未来：准直驱执行器技术革命！（免费下载）
文摘
科技
2024-11-11 16:47
广东
在科技飞速发展的今天，人形机器人正逐渐从科幻电影走进现实。它们不仅在工业领域大放异彩，更在服务、医疗、教育等多个领域展现出巨大潜力。而这一切，都离不开一个关键技术——准直驱执行器。今天，我们就来揭开这项技术神秘的面纱，一探究竟！人形机器人的关节技术经历了从刚性执行器、弹性执行器到准直驱执行器的三大发展阶段。准直驱执行器，作为一种不依赖力/力矩传感器，仅依靠电流环开环力控就能感知机器人与外界交互力的执行器，以其低成本、高响应的特点，成为未来人形机器人执行器方案中的佼佼者。 ![]()
核心优势：简单、高效、低成本准直驱执行器由高扭矩密度电机、低传动比减速器和编码器等构成，结构简单，成本低廉。这种设计不仅减少了零部件的数量，也降低了维护的复杂性和成本。准直驱执行器的高透明度意味着电流环控制的实现成为可能，这使得执行器在正驱和反驱时都能保持较高的性能，大大增强了机器人的适应性和灵活性。低传动比减速器带来的低惯性，使得准直驱执行器在运行时更加轻盈，控制带宽更高，响应速度更快，这对于需要快速反应的人形机器人来说至关重要。![]()
核心部件：电机、减速器、轴承、控制器和编码器准直驱执行器所用电机需要非常大的扭矩密度与扭矩惯性比，常用无刷直流电机。这种电机具有更高的扭矩密度、效率、可靠性，更低的噪音，更长的寿命。准直驱执行器使用低减速比减速器，如行星减速器和摆线针轮减速器，其高透明度使得电流环控制成为可能，同时减少了传动摩擦和反射惯性。控制器的核心硬件是控制芯片，如MCU、FPGA、DSP等，它们负责执行控制程序，如PID程序和智能算法，确保电机的精确控制。编码器负责获取和传递电机转子的位置和转速信息，双编码器方案解决了回零位问题，更适合准直驱执行器。![]()
技术取舍：成本、精度与扭矩的平衡准直驱执行器相较于刚性和弹性执行器成本更低，主要得益于减速器成本的降低和力/力矩传感器成本的节约。虽然准直驱执行器的力控精度低于刚性执行器，但高于弹性执行器，存在2%-5%的误差，但在具备低摩擦和低惯性的执行器上，电流环力控才能带来精确控制。准直驱执行器使用小减速比减速器，扭矩放大作用小，因此舍弃了更高的扭矩，但在快速响应和动态性能上有所提升。![]()
发展方向：扭矩密度和带宽的双重提升使用铁钴合金等高饱和磁通密度合金材料可以提高电机扭矩密度，同时轻量化材料如PEEK和连铸球铁也有助于提高执行器扭矩密度。增加电机间隙半径可以增加扭矩密度，使用外转子电机方案可以增加扭矩体积比。轴向磁通电机相比径向磁通电机具有更大的扭矩密度和扭矩体积比。准直驱执行器在输出大扭矩时会产生大量焦耳热，需要高效的散热系统。风冷系统成本低、可靠性高，但噪声大；液冷系统散热效率高、噪声小，但质量大。电流环响应的快速性决定了整个系统响应速度。采用计算速度更快的控制器和改进的PID、滑模控制等算法，可以提升带宽，增强执行器的动态响应能力。![]()
案例分析：MIT Cheetah、宇树科技A1、智元PowerflowMIT Cheetah四足机器人的髋关节、膝关节上使用了准直驱执行器，展现了出色的动态性能和力量控制。宇树科技A1四足机器人搭载准直驱执行器，以其卓越的性能和成本效益，成为市场上的热门选择。智元远征A1两足机器人搭载Powerflow关节执行器，以其超高的扭矩密度和响应速度，引领行业发展。![]()
相关公司：双环传动、三花智控、银轮股份、中大力德、禾川科技、本末科技双环传动控股子公司环动科技在机器人关节高精密减速机领域占据领先地位，产品覆盖3Kg-1000Kg工业机器人用减速机。三花智控在制冷控制元器件和汽车热管理系统领域全球领先，正在积极布局机器人业务，推动GDR项目在瑞士交易所上市。银轮股份主要经营热交换器和汽车空调等热管理产品，连续多年为特斯拉供货，未来或将切入机器人热管理市场。中大力德从事减速电机、减速器等机器人零部件的生产和销售，产品包括精密行星减速器，在研精密摆线针轮减速器。禾川科技是国内领先的机器人编码器制造厂商，主要产品中包含磁编码器与光编码器，技术领域已获得多项专利。本末科技致力于提供无减速器的直驱精准动力方案，产品具备结构紧凑、安装方便、运行稳定等优点。准直驱执行器技术的发展，为人形机器人的商业化和应用提供了强有力的支撑。随着技术的不断进步和创新，我们有理由相信，人形机器人将在未来扮演更加重要的角色，成为我们生活中不可或缺的一部分。让我们拭目以待，见证这场技术革命如何改变世界！![]()
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