在人工智能與高端制造的浪潮中，人形機(jī)器人正從科幻想象加速邁向現(xiàn)實(shí)。從特斯拉Optimus的工廠分揀到優(yōu)必選Walker的養(yǎng)老陪護(hù)，人形機(jī)器人憑借類人形態(tài)與智能交互能力，正在工業(yè)、醫(yī)療、家庭服務(wù)等領(lǐng)域掀起革命。而這一變革的核心驅(qū)動(dòng)力，正藏匿于機(jī)器人的“運(yùn)動(dòng)心臟”——關(guān)節(jié)電機(jī)。

人形機(jī)器人新浪潮：開啟智慧新時(shí)代

高盛研究部指出，全球人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)正加速邁向全方位生態(tài)系統(tǒng)的成熟。在基本情景假設(shè)下，迅速增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求預(yù)計(jì)到2035年將釋放高達(dá)380億美元的潛在市場(chǎng)空間。此外，鑒于人形機(jī)器人仍處于早期發(fā)展階段，并存多種技術(shù)路徑，高盛預(yù)測(cè)行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局將持續(xù)演進(jìn)，不斷推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

工信部印發(fā)《人形機(jī)器人創(chuàng)新發(fā)展指導(dǎo)意見》，明確指出，人形機(jī)器人有望成為繼計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)、新能源汽車后的顛覆性產(chǎn)品。到 2025 年，人形機(jī)器人創(chuàng)新體系初步建立，“大腦、小腦、肢體”等一批關(guān)鍵技術(shù)取得突破，確保核心部組件安全有效供給。到 2027 年，人形機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新能力顯著提升，形成安全可靠的產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈體系，構(gòu)建具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，綜合實(shí)力達(dá)到世界先進(jìn)水平。

關(guān)節(jié)電機(jī)：賦予人形機(jī)器人生命之動(dòng)

在人形機(jī)器人系統(tǒng)中，關(guān)節(jié)電機(jī)承擔(dān)著至關(guān)重要的作用，是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人靈活運(yùn)動(dòng)和高精度操控的核心驅(qū)動(dòng)單元。作為“智能關(guān)節(jié)”，關(guān)節(jié)電機(jī)直接決定了機(jī)器人關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)性能、能效水平以及整體協(xié)作能力，其技術(shù)水平直接影響人形機(jī)器人的應(yīng)用廣度和發(fā)展前景。

宇樹旗下的G1通用人形機(jī)器人，可實(shí)現(xiàn)720度回旋踢和多種武打動(dòng)作。G1機(jī)器人單腿自由度為6，單手臂的自由度為5，單手自由度為7，可選手腕自由度為2，共用23-43個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)模組。

云深處旗下山貓全地形機(jī)器人在傳承云深處在具身智能方面的技術(shù)積累的同時(shí)，基于"山貓"的形態(tài)針對(duì)性進(jìn)行特色化適配，在特殊地形下表現(xiàn)優(yōu)異，如樓梯、斜坡、石板路、碎石路穿越。山貓全地形機(jī)器人共用12個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)模組。

中科本原推出面向人形機(jī)器人的關(guān)節(jié)電機(jī)解決方案

BenYuan關(guān)節(jié)電機(jī)采用了一體化設(shè)計(jì)方式，包含了無(wú)框力矩電機(jī)、行星減速器、驅(qū)動(dòng)器、編碼器、鋁合金傳動(dòng)件及外殼。電機(jī)整體重量為378g，尺寸為?80*40。

電機(jī)參數(shù)

BenYuan關(guān)節(jié)電機(jī)額定扭矩為5N·m，峰值扭矩為11N·m，提供了更強(qiáng)大的承載能力和更迅速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。額定轉(zhuǎn)速120rpm與最大轉(zhuǎn)速420rpm提高了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的靈活性。此外，板載編碼器精度達(dá)到了16bit，提高了關(guān)節(jié)角度控制的精準(zhǔn)度。更多參數(shù)詳情見下表1。這些參數(shù)共同作用，使關(guān)節(jié)電機(jī)能夠滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景需求，為人形機(jī)器人提供更自然、更高效的運(yùn)動(dòng)能力，助力其在工業(yè)、醫(yī)療、服務(wù)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛應(yīng)用。

表1 FDM關(guān)節(jié)電機(jī)參數(shù)詳情

驅(qū)動(dòng)板介紹

關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板是連接控制系統(tǒng)與電機(jī)的關(guān)鍵部件，負(fù)責(zé)接收控制信號(hào)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，并實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的扭矩、速度和位置控制。作為人形機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)的核心驅(qū)動(dòng)模塊，其性能直接影響機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)流暢度、響應(yīng)速度和能耗效率。

BenYuan關(guān)節(jié)電機(jī)內(nèi)部集成了一款自研的關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板。驅(qū)動(dòng)板以FDM320R035高性能數(shù)字信號(hào)處理器為核心，搭建了一套高效電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的電機(jī)控制。該驅(qū)動(dòng)板專為高精度伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具備強(qiáng)大的計(jì)算能力、精準(zhǔn)的電流采樣與驅(qū)動(dòng)能力，為人形機(jī)器人等高端應(yīng)用提供可靠的動(dòng)力支持。

核心控制單元采用FDM320R035，具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，能夠高速執(zhí)行磁場(chǎng)定向控制（FOC）算法，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高精度扭矩、速度和位置控制。其高速運(yùn)算能力確保機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)流暢，提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和能效。整體控制框架見圖5。

圖5 FDM關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器框架 該關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器板卡如圖6所示：

圖6FDM關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器板卡

驅(qū)動(dòng)算法介紹

在機(jī)器人關(guān)節(jié)控制中，傳統(tǒng)的位置控制能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的軌跡跟蹤，但在涉及人機(jī)交互、復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)、精密裝配等應(yīng)用時(shí)，僅靠位置控制難以滿足柔性、安全和適應(yīng)性的需求。因此，BenYuan關(guān)節(jié)電機(jī)采用了基于FOC的力位混合控制，用于平衡剛性控制與柔性控制的需求。

圖7 控制算法框圖

核心思想是通過(guò)數(shù)學(xué)變換，將三相電流轉(zhuǎn)換為直流分量，隨后使用PD控制器將電機(jī)在位置上的偏差反饋到力矩輸出上，實(shí)現(xiàn)更精確的扭矩、速度和位置控制，同時(shí)提高效率并減少能耗。

BenYuan關(guān)節(jié)電機(jī)包含以下 5 個(gè)控制指令：

1）前饋力矩：

2）目標(biāo)角度位置：

3）目標(biāo)角速度：

4）位置剛度：

5）速度剛度：

在力位混合控制中，使用PD控制器將電機(jī)在輸出位置的偏差反饋到力矩輸出上：

公式中，為關(guān)節(jié)電機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)子輸出力矩；為當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)子的角度位置；為當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)子的角速度。

除算法外，我們還提供簡(jiǎn)單易用的上位機(jī)和豐富的API以方便用戶調(diào)試和進(jìn)行系統(tǒng)集成調(diào)用。

總之，我們提供了從芯片、關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和算法的完整解決方案，為用戶的機(jī)器人產(chǎn)品開發(fā)提供全方位服務(wù)。

關(guān)節(jié)電機(jī)演示

以下是關(guān)節(jié)電機(jī)的正弦自動(dòng)化測(cè)試：

從工廠到家庭：關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)智能未來(lái)

隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，關(guān)節(jié)電機(jī)作為核心驅(qū)動(dòng)部件，正推動(dòng)人形機(jī)器人從工業(yè)場(chǎng)景走向更廣闊的應(yīng)用空間。無(wú)論是在智能制造、醫(yī)療康復(fù)、物流搬運(yùn)，還是未來(lái)的家庭服務(wù)、教育陪伴領(lǐng)域，先進(jìn)的關(guān)節(jié)電機(jī)都在賦予機(jī)器人更高的靈活性、精準(zhǔn)性和智能性，為人類社會(huì)帶來(lái)深遠(yuǎn)變革。在工業(yè)領(lǐng)域，BenYuan關(guān)節(jié)電機(jī)可廣泛應(yīng)用于智能工廠。傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人多采用剛性傳動(dòng)，而BenYuan關(guān)節(jié)電機(jī)結(jié)合力控和位置控制技術(shù)，使機(jī)器人能在復(fù)雜環(huán)境中柔順作業(yè)，適應(yīng)柔性制造的需求。此外，高扭矩密度和精準(zhǔn)控制能力的特點(diǎn)，使得BenYuan關(guān)節(jié)電機(jī)能處理更精細(xì)的操作，例如電子元件裝配、汽車制造等高要求場(chǎng)景。

然而，BenYuan關(guān)節(jié)電機(jī)的應(yīng)用并不止步于工廠。隨著人形機(jī)器人正加速進(jìn)入家庭場(chǎng)景，成為未來(lái)智能助手。家用機(jī)器人需要在復(fù)雜環(huán)境中自主移動(dòng)、執(zhí)行多任務(wù)操作，如協(xié)助家務(wù)、照顧老人、陪伴兒童等。相比傳統(tǒng)電機(jī)，本原關(guān)節(jié)電機(jī)具備更輕量化、更高效的特性，使家庭機(jī)器人擁有接近人類的自然動(dòng)作能力。例如，BenYuan關(guān)節(jié)電機(jī)可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人輕松完成精細(xì)抓取，安全地與人互動(dòng)，而不會(huì)造成誤傷。

在醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域，外骨骼機(jī)器人和康復(fù)機(jī)器人依賴關(guān)節(jié)電機(jī)提供穩(wěn)定的輔助力，幫助患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練或增強(qiáng)行動(dòng)能力。高精度的力矩控制和響應(yīng)速度，使這些機(jī)器人能夠適應(yīng)不同患者的需求，提供更個(gè)性化、更安全的康復(fù)體驗(yàn)。

從工廠的高效生產(chǎn)到家庭的智能陪伴，關(guān)節(jié)電機(jī)正在驅(qū)動(dòng)人形機(jī)器人從工業(yè)向生活延伸，塑造未來(lái)的智能世界。隨著技術(shù)不斷突破，機(jī)器人將更加靈活、智能、安全，讓智能生活真正走進(jìn)千家萬(wàn)戶。