人形机器人专家会议，解读旋转关节方案之争
夜长梦山
2023-06-21 13:52:54
【广发机械】人形机器人专家会议，解读旋转关节方案之争
1.#刚性关节和准直驱关节为主流的旋转关节路线，各有利弊。当前的三个旋转方案，分别是80年代的刚性关节、90年代的弹性关节和2016年MIT提出的准直驱关节。其中，刚性关节是最为传统的双足机器人关节，优点是扭矩密度高、控制框架稳定，缺点是输出转速低。准直驱关节，优点是功率高、不需要传感器（可以用电机电流判断力矩），通过电流直接做力矩控制，价格上有优势，劣势是控制难度增加、同时外径增加、末端精度更差。弹性关节，整体用得较少。
2.#人形更多采用带谐波的刚性关节方案，例如特斯拉。本田Asimo、特斯拉、小米都采用了谐波的刚性关节，仅美国Digit公司用的刚性关节、但关节里用的是摆线针轮减速器。准直驱在人形的案例较少，控制方面还不成熟，需要一定的技术突破——达闼过去的机器人是轮式，现在在尝试准直驱关节，还有一些高校机器人（UCLA、浙江大学）采用了准直驱关节。
3.#未来方案替代性？需要时间进行控制技术的积淀。刚性关节积累了更多的控制经验、更加稳定成熟，新进入者更偏好采用（例如特斯拉）；而准直驱关节的控制体系较新，采用的是力位混合控制，根据电流进行力矩控制，专家猜测技术探索至少需要5年时间。准直驱关节可能替代预留空间较大的关节部位（腰部、髋部、肩部等）。同时刚性关节采用的是谐波减速器，末端精度较高，预计准直驱仅用于替换精度要求相对较低的场景。
4.#关节构成
刚性关节：力矩无框电机+高传动比减速器（多用谐波、很少用摆线针轮）+力传感器+【刹车+力矩传感器】（可选），特斯拉的旋转关节包括了刹车和力矩传感器。
弹性关节：串联式是力矩无框电机+谐波减速器+弹性编码器；并联式是在刚性关节上加上了储能单元，形式比较多样。
准直驱关节：外转子力矩电机+一级/二级行星减速器+1个力编码器，无力矩传感器，结构比较简单。
1.#刚性关节和准直驱关节为主流的旋转关节路线，各有利弊。当前的三个旋转方案，分别是80年代的刚性关节、90年代的弹性关节和2016年MIT提出的准直驱关节。其中，刚性关节是最为传统的双足机器人关节，优点是扭矩密度高、控制框架稳定，缺点是输出转速低。准直驱关节，优点是功率高、不需要传感器（可以用电机电流判断力矩），通过电流直接做力矩控制，价格上有优势，劣势是控制难度增加、同时外径增加、末端精度更差。弹性关节，整体用得较少。
2.#人形更多采用带谐波的刚性关节方案，例如特斯拉。本田Asimo、特斯拉、小米都采用了谐波的刚性关节，仅美国Digit公司用的刚性关节、但关节里用的是摆线针轮减速器。准直驱在人形的案例较少，控制方面还不成熟，需要一定的技术突破——达闼过去的机器人是轮式，现在在尝试准直驱关节，还有一些高校机器人（UCLA、浙江大学）采用了准直驱关节。
3.#未来方案替代性？需要时间进行控制技术的积淀。刚性关节积累了更多的控制经验、更加稳定成熟，新进入者更偏好采用（例如特斯拉）；而准直驱关节的控制体系较新，采用的是力位混合控制，根据电流进行力矩控制，专家猜测技术探索至少需要5年时间。准直驱关节可能替代预留空间较大的关节部位（腰部、髋部、肩部等）。同时刚性关节采用的是谐波减速器，末端精度较高，预计准直驱仅用于替换精度要求相对较低的场景。
4.#关节构成
刚性关节：力矩无框电机+高传动比减速器（多用谐波、很少用摆线针轮）+力传感器+【刹车+力矩传感器】（可选），特斯拉的旋转关节包括了刹车和力矩传感器。
弹性关节：串联式是力矩无框电机+谐波减速器+弹性编码器；并联式是在刚性关节上加上了储能单元，形式比较多样。
准直驱关节：外转子力矩电机+一级/二级行星减速器+1个力编码器，无力矩传感器，结构比较简单。
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