機器人對關(guān)節(jié)驅(qū)動電機的要求
發(fā)布時間：
2024-10-09 11:46
來源：
工業(yè)機器人：自動化產(chǎn)線的核心環(huán)節(jié)之一，工業(yè)生產(chǎn)性能優(yōu)越
工業(yè)機器人是一種能自動定位控制、可重復編程的、多功能的、多自由度的操作機。工業(yè)機器人可以通過編程和指導自動工作，擁有多個關(guān)節(jié)和自由度，具備視覺、力覺、位移檢測等感知功能，能夠?qū)Νh(huán)境和工作對象進行自主判斷和決策，是代替人工在各種嚴酷的、無聊的、有害的環(huán)境中進行體力勞動的自動化機器。我國已形成完整的工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)鏈，未來機器人與人合作工作成為可能，協(xié)作機器人與人形機器人將會逐漸運用在工業(yè)生產(chǎn)中。
協(xié)作機器人與工業(yè)機器人對比
| 工業(yè)機器 | 協(xié)作機器人 | |
| 安全性 | 不能主動對周圍環(huán)境變化 做出反應 |
感知周圍環(huán)境 |
| 性能 | 高精度、高速度、大負載、 工作范圍大 |
靈活性、易用性、人機協(xié)作 |
| 應用場 景 |
焊接、打磨、噴涂等 | 多品種，少批量生產(chǎn)及常 更換機器人使用工序與位 置 |
| 員工需 求 |
需要長期專業(yè)的工程師 | 普通工程師 |
人形機器人關(guān)節(jié)使用的電機是無框力矩電機。特斯拉人形機器人全身共有28 個執(zhí)行器，執(zhí)行器分布在肩部6 個、肘部2 個、腕部6 個、軀干2 個、髖部6 個、膝部2 個、踝部4 個，其中旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器和線性執(zhí)行器各14 個。旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器：主要由無框力矩電機+諧波減速器+扭矩傳感器+位置傳感器+軸承(角接觸球軸承+交叉圓柱滾子軸承)+編碼器組成；旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器分布在肩部6個、腕部2個、髖部4個、軀干2個。特斯拉人形機器人包含3種不同扭矩的旋轉(zhuǎn)減速器，扭矩分別為20Nm/110Nm/180Nm。
空心杯電機是機器人靈活手的關(guān)鍵零件。以特斯拉2023年開始生產(chǎn)的擎天柱Optimus的人形機器人為例，空心杯電機占單臺機器人成本的4.43%，屬于占比較高的零部件環(huán)節(jié)。特斯拉Optimus單手有11個自由度，采用6個執(zhí)行器，采用空心杯電機+蝸輪蝸桿+金屬肌腱驅(qū)動的方案，空心杯電機占手部執(zhí)行器成本的54.5%。
勞動力短缺的問題逐漸顯露，老齡化程度不斷加深，適齡勞動人口占比不斷下降，部分崗位用工短缺問題將日益凸顯，機器人換人由“可選”逐步切換為“必選”。在追求快速高效和經(jīng)濟性能的前提下，市場對人形機器人相對應的電機有以下要求：
1、快速性，電動機從獲得指令信號到完成指令所要求的工作狀態(tài)的時間應短。響應指令信號的時間愈短，電伺服系統(tǒng)的靈敏性愈高，快速響應性能愈好，一般是以伺服電動機的機電時間常數(shù)的大小來說明伺服電動機快速響應的性能。
2、調(diào)速范圍寬，能使用于1：1000～10000的調(diào)速范圍。
3、體積小、質(zhì)量小、軸向尺寸短。
4、控制特性的連續(xù)性和直線性，隨著控制信號的變化，電動機的轉(zhuǎn)速能連續(xù)變化，有時還需轉(zhuǎn)速與控制信號成正比或近似成正比。
5、能經(jīng)受得起苛刻的運行條件，可進行十分頻繁的正反向和加減速運行，并能在短時間內(nèi)承受過載。
6、起動轉(zhuǎn)矩慣量比大，在驅(qū)動負載的情況下，要求機器人的伺服電動機的起動轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)動慣量小。
概括起來，人形機器人對驅(qū)運動電機要求主要有以下幾個方面：
減速器能夠顯著提升關(guān)節(jié)輸出扭矩
? 人形機器人旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器在實際應用中需要解決大扭矩問題，搭載減速器是必選項。在齒輪傳動中，嚙合處的齒面作用力大小相等、方向相反，通過改變齒輪的半徑可以改變輸出扭矩。人形機器人要
求關(guān)節(jié)體積小，且在實際應用中面臨大扭矩場景，單純依靠電機難以實現(xiàn)。通常來看，減速器能夠顯著提升扭矩輸出值，適配相應高扭矩密度的應用場景。
? 目前提升扭矩密度主要通過兩種方式：①提升電機輸出扭矩密度，②提高減速器減速比。
電機提升扭矩密度的難度較高
? 從電機角度來看，提升扭矩密度主要可以通過三種方式：①采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；②擴大電機半徑；③通過繞線結(jié)構(gòu)提升電機功率密度。
?增大半徑能顯著提升扭矩，但此方案對人形機器人關(guān)節(jié)而言不現(xiàn)實。提升電機半徑可以直接提高電機的輸出扭矩數(shù)值，但是人形機器人對關(guān)節(jié)體積有要求（不能過大），所以難以通過大幅提升電
機半徑來提高扭矩。
外轉(zhuǎn)子方案是增大電機扭矩密度的較好選擇
? 電機繞線方式能夠在一定程度上影響電機扭矩密度。增加線圈匝數(shù)能提升功率密度，從而間接提升電機扭矩密度。但是目前由于技術(shù)原因，在人形關(guān)節(jié)緊湊的空間中，電機繞線瓶頸難以突破。
? 相同體積下，外轉(zhuǎn)子電機比內(nèi)轉(zhuǎn)子電機的輸出扭矩更高。內(nèi)轉(zhuǎn)子電機線圈固定在外殼，主軸為轉(zhuǎn)子，通常極數(shù)少、轉(zhuǎn)速快，轉(zhuǎn)動慣量更小，扭矩小。外轉(zhuǎn)子電機的線圈在內(nèi)部，相對而言極數(shù)更多、
轉(zhuǎn)速更慢，轉(zhuǎn)動慣量更大，相同電流下輸出的扭矩更大。無框力矩電機的扭矩密度較高，是人形機器人關(guān)節(jié)電機的較優(yōu)選擇。
力矩透明度是決定是否加裝力矩傳感器的關(guān)鍵
? 大力矩輸出密度和動態(tài)物理交互能力是足式機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動器設(shè)計的關(guān)鍵因素，目前驅(qū)動器方案主要分為剛性驅(qū)動器方案、彈性驅(qū)動器方案和準直驅(qū)驅(qū)動器方案。不同方案由于存在力矩透明度差
異，所以存在是否采用力/力矩傳感器的區(qū)別。
? 諧波減速器減速比高，存在非線性摩擦力矩，力矩透明度低。僅依靠電流環(huán)進行關(guān)節(jié)末端的力反饋難以進行建模，需要額外添加力矩傳感器。
? 行星減速器減速比低，剛性強，非線性摩擦力可忽略不計，關(guān)節(jié)輸出扭矩和電流之間呈較好的線性關(guān)系，易于建模，可用電流環(huán)控制。
國內(nèi)主機廠采用諧波+行星減速器方案
? 和特斯拉不同，國內(nèi)主機廠大多采用準直驅(qū)驅(qū)動方案。相比剛性驅(qū)動方案，準直驅(qū)關(guān)節(jié)采用電流環(huán)控制，關(guān)節(jié)末端不使用力矩傳感器，成本更低，動態(tài)響應能力更強。
? 當下人形機器人即將迎來量產(chǎn)，關(guān)節(jié)驅(qū)動的技術(shù)路線尚未固化。硬件降本成為人形機器人產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵因素，準直驅(qū)方案具有成本優(yōu)勢。而針對工業(yè)場景應用，出于負載和關(guān)節(jié)體積之間的權(quán)衡，
準直驅(qū)方案的應用范圍有望進一步擴大。因此我們認為，未來國內(nèi)主機廠在驅(qū)動方案上更可能根據(jù)關(guān)節(jié)特性不同而同時選擇諧波和行星減速器方案。
空心杯電機公司目前國內(nèi)主要有：鳴志電器、偉創(chuàng)電氣、拓邦股份；無框力矩電機公司，步科股份、昊志機電、禾川科技。在原材料中，空心杯電機的永磁材料以高端釹鐵硼(第三代稀土永磁)為主，2022年釹鐵硼永磁材料中高端型占比43%。不同永碰體的特點和性能存在差異，在保證產(chǎn)生的磁場穩(wěn)定的同時，需根據(jù)應用場縣對工作溫度、環(huán)垃的要求，合理的配置永磁材料，達到電機的性能和成本效應最大化。
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