机器人能跑能跳的秘密武器：揭秘伺服驱动器的宿世此生

机器人能跑能跳，能上下楼梯，端茶倒水的秘密武器是什么？ 答案是伺服驱动器。

伺服驱动器是完成机器人运动才能的中心部件，在机器人体系中的功用等同于人体的关节安排，因而又被称为“关节驱动器”。此外，它还要承当一部分感知才能，感知外界的力之后再给外界一个力反馈，然后完成柔性操控，保证机器人在外界不断改变的环境中安全、顺利地作业。

服务型机器人伺服驱动器技能门槛高，因为装置空间和运用工况的约束，不只需求体积小、分量轻，还得具有大扭矩、高精度的特色，往往占到机器人总成本50%以上。

跟着服务机器人市场需求的快速增长，作为典型“高精尖”零部件的伺服驱动器正在遭到广泛重视。国际标准化安排齿轮技能委员会（ISO/TC60）委员、教育部长江学者特聘教授石照射博士和优必选人形机器人立异中心专家丁宏钰撰写了《双足仿人机器人驱动器——演进、现状与远景》一文。

这篇文章探讨了伺服驱动器的开展进程，剖析了双足仿人机器人关节的运动特色并提出了其间心技能指标。双足仿人机器人被誉为“制造业皇冠上的明珠”，机器人关节驱动器（也称为机器人一体化关节）是双足仿人机器人要害部件，而机器人按动力来历又能够分为液压、气动、电机驱动、回忆金属、生物类（心肌细胞）等。

本文只评论电机驱动的驱动器，该驱动器由电机、减速器、编码器、操控板和操控软件等组成。双足仿人机器人在许多运用场合能够帮忙或替代人类作业，如家庭帮手、灾祸救援、防爆和反恐等。研讨人员希望其挨近乃至到达人类的运动功能，但无论是本田的ASIMO，仍是波士顿动力ATLAS，亦或是意大利技能研讨院的Walk-Man都没有全面到达人或动物的运动功能。

双足仿人机器人关节运动特色和人类相似，如运动速度快、机动功能好、步幅和步频改变、能量推陈出新改变、离散着地点、高速磕碰等，这些运动特色都要求驱动器具有高功率密度、高呼应性、高能量运用功率和耐冲击性等特性。

本文对刚性驱动器、弹性驱动器、准直驱驱动器3种干流技能道路的国内外研讨现状进行具体论说，归纳比较这3种驱动器技能，剖析当时遇到的问题，以及下一步的开展趋势。

01.30年研发进程技能会集于四大范畴

1971年，早稻田大学加藤一郎教授成功研发出国际上第1台三维双足机器人WAP-3，该机器人能够完成静步行走，此举揭开了双足仿人机器人研发的前奏。

双足仿人机器人相对于传统轮式和履带式机器人有许多杰出的特色，如双足仿人机器人具有地上适应性好、能耗小、作业空间大、双足或多足行走等优势，这些特色也对机器人的机械结构及驱动器有很高的要求。

双足仿人机器人驱动器的研讨已有30多年前史，其类型和前史如图1所示，其研讨进程中有3个要害事情：1）1983年，早稻田大学研讨的WL-10R机器人运用刚性驱动器TSA（traditional stiffness actuator）。自此双足仿人机器人开端广泛运用刚性驱动器为关节动力源。2）1995年，麻省理工学院的Pratt等人提出了弹性驱动器SEA（series elastic actuator）的概念，拉开了弹性驱动器研讨的前奏。美国宇航局的机器人Valkyrie和意大利技能研讨院的机器人Walk-Man都运用了弹性驱动器。3）2016年，Wensing等提出了准直驱驱动器PA（proprioceptiveactuator）的概念,并将其运用于四足机器人Cheetah和双足机器人Hermes，准直驱驱动器成为最近几年研讨的热门。

▲图1 驱动器类型和前史

曩昔30多年驱动器技能的开展，首要会集在以下几方面：1）驱动器和整机联系方面，阅历了驱动器独立规划和整机交融的开展。2）全体规划方面，阅历了刚性驱动器到弹性驱动器和准直驱驱动器的开展。3）减速器方面，阅历了大传动比减速器到小传动减速器的演化。4）操控方面，阅历了从方位操控到力位混合操控和阻抗操控的演化。

02.3种驱动器技能迭代，仍无法类比生物肌肉运动

驱动器技能范畴有三种干流技能道路，分别为刚性驱动器、弹性驱动器和准直驱驱动器，本文对这三种技能道路开展进行了论说和归纳比较，一起剖析了下一阶段驱动器原理的新研讨方向和现有驱动器技能的开展趋势。

1 、刚性驱动器：规划面对瓶颈，功率密度无法对抗生物肌肉

刚性驱动器首要由电机、高传动比减速器、编码器、力矩传感器和操控板等组成，其间，力矩传感器是可挑选项。

▲图2 刚性驱动器

全体规划方面，Sebastian等为机器人LOLA规划了驱动器，如图2所示，包含无刷电机、谐波减速器、肯定编码器和增量编码器等。

Iribe等为SDR 机器人开发了驱动器，此驱动器包含内转子电机和精细减速器，它的特色是具有高反驱动才能。为了便利规划布局和拆装，Park等还提出了驱动器模块化规划概念。

表1所示是现在首要刚性驱动器装备比较，除韩国Robotis的Dynamixel Pro Series的驱动器选用摆线针轮减速器外，其他均选用谐波减速器，为了节约轴向尺度空间刹车和力矩传感器不是必选的，一切的规划都运用了肯定式编码器，因为一般机器人本领会装有陀螺仪IMU(inertial measurement unit)，驱动器很少别的再装设IMU。

▲表1 刚性驱动器装备比较优化

规划方面，Huber等提出了一种依据执行器的功能特征，来挑选最适合给定使命的执行器类型的办法。Van de Straete等提出驱动器的新规划办法，将规划分为可行性和优化阶段，为伺服驱动器体系供给了快速，自动化的规划程序，一起能够图表显现成果。

Roos等就减速器传动比对驱动器功能影响、伺服电机和减速器集成优化、机械和操控整合规划进行了研讨。Vaculik等研讨了驱动器的规划流程，树立电机和减速器参数模型。

为了平衡电机和减速器参数，Zhou等还开发了由MSC.ADAMS动力学模型和Matlab代码优化算法组成的协同仿真渠道，该渠道经过电机和减速器不同组合完成五轴机械臂的分量轻量化。Budinger等树立了依据模型的机电执行器初步规划的预算模型。Rezazadeh等研讨了一般负载下，机器人体系中驱动器电动机和传动装置的机电挑选优化解决方案。

Saerens等针对机器人最大接连输出扭矩和转动惯量，依据减速器级数、传动比和不同类型的尺度参数，拟定了份额规律。由上述剖析可知，刚性驱动器的全体规划方面现已较难有立异，更多研讨会集在电机和减速器全体优化规划上。

但是因为元器件工艺和原理上的约束，传统刚性驱动器的功率密度很难到达生物肌肉的水平500W/kg，一起也解决不了机器人受外部冲击时零部件强度问题，继而弹性驱动器应运而生。

2、弹性驱动器：凭借肌肉力学模型，关节运动可模仿肌肉运用刚性驱动器

TSA的机器人在行走、奔驰、跳动等运动才能上远远没有到达人类和动物的水平，而人类和动物完成这些运动才能是依托肌肉体系完成的。

动物能够运用刚柔并济的肌肉骨骼体系在运动过