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一文熟悉人形机器人运动控制的关键硬件:执行器

时间:2024-06-11

来源:中国传动网

导语:人形机器人的核心零部件在价值量、行业壁垒和国产化率方面存在差异,但国产企业正通过技术创新和市场拓展,逐步提升在这些领域的竞争力。随着技术进步和市场需求的增长,预计国产化率将进一步提高,推动整个产业链的发展。

  人形机器人的执行器也成为一体化关节,是其硬件系统中非常关键的部件,主要负责将能量转化为机器人的机械运动。执行器可以按照不同的方式进行分类:

  按运动类型:分为旋转执行器(Rotary Actuator)和直线/线性执行器(Linear Actuator)。旋转执行器用于使机器人的关节进行旋转运动,而直线执行器则用于推拉动作,如手臂的伸展。

  按动力来源:分为液压(Hydraulic)、气动(Pneumatic)或电机执行器(Electric)。在人形机器人中,电机执行器因其精度高、噪音小和易于联网反馈信息而常用。

  按驱动方式:分为刚性执行器(Traditional Stiffness Actuator, TSA)、弹性执行器(Series Elastic Actuator, SEA)和准直驱执行器(Proprioceptive Actuator, PA)。刚性执行器主要由电机、减速器、编码器和力矩传感器等组成。弹性执行器模拟肌肉系统,提供柔顺性和高能量效率。准直驱执行器则不依赖于附加力或力矩传感器,能够直接感知机器人与外界的交互力。目前刚性执行器是主流方案,准直驱动执行器是近几年的研究热点。

执行器原理.png

执行器原理,来源:《智能电动执行器关键技术的研究和开发(2012 年)》

  01、关键技术参数

  人形机器人的技术参数反映了其可胜任的工作、具有的最高操作性能等情况。主要包括自由度、额定负载、工作空间、工作精度等,以下是一些主要技术参数的详细解释:

  1、自由度(Degrees of Freedom, DOF):

  指的是机器人能够独立控制的运动方向的数量,是根据其用途设计的。人形机器人通常模仿人类的动作,自由度越多,机器人就越能接近人手的动作机能,通用性越好,可用直线移动、摆动或者旋转动作的数目来表示。自由度越多,结构越复杂,对机器人的整体要求越高。

  2、额定负载(Rated Load):

  也称有效负荷,指机器人在正常操作条件下能够持续承载的最大重量。这通常影响机器人的搬运和操作能力。当负载较大时,提高电机的功率不划算,可以在适宜的速度范围内,通过减速器来提高输出扭矩。

  3、工作空间(Work Space):

  又称工作范围、工作行程,描述机器人能够到达的所有位置的区域。工作空间的大小和形状取决于机器人的设计和关节的自由度,反映了机器人工作能力的大小,它不仅与机器人各连杆的尺寸有关,还与机器人的总体结构有关。

  4、工作精度(Working Accuracy):

  指机器人执行任务时能达到的位置精度和重复性。重复定位精度取决于机器人关节减速机及传动装置的精度,绝对精度取决于机器人控制算法、编码器精度、减速及传动装置精度等的综合表现。高精度的机器人适合执行需要精细操作的任务。

  其他参数还有工作速度(Working Speed)、控制方式(Control Mode)、驱动方式(Actuation Method)、安装方式(Mounting Method)、动力源容量(Power Source Capacity)、本体质量(Robot Mass)、环境参数(Environmental Parameters)等,这些参数决定了机器人能够在何种环境下工作。这些技术参数共同定义了人形机器人的性能特征,决定了它们在特定应用场景中的适用性和效率。设计和选择人形机器人时,需要根据任务需求和工作环境来考虑这些参数,以确保机器人能够满足预期的工作要求。

  02、案例:特斯拉Optimus执行器技术框架

  2022年10月1日,在特斯拉AI Day上发布Optimus;2023年12月14日 Tesla 发布了Optimus-Gen2。

  1、主体自由度:Optimus包括28个自由度,包括14个旋转自由度(旋转执行器)、14个线性自由度(线性执行器);Optimus Gen2在脖颈处增加2个自由度,全身具备30个自由度。

  2、灵巧手自由度:Optimus灵巧手具有6个主动自由度、5个被动自由度;Optimus-Gen2增加至11个主动自由度,并在每个手指(指尖处)增加触控式传感器。

执行器原理.jpg

  特斯拉 Optimus Gen2 执行器方案来源:本末研究,机器人之心,特斯拉官网,长城证券产业金融研究院 注:数字单位为个

  线性执行器

  特斯拉 Optimus 线性执行器的配置为:无框力矩电机*1+行星滚柱丝杠*1+力传感器*1+编码器*1+驱动器+球轴承*1+四点接触球轴承*1。

  其中 1)电机:使用特斯拉自主研发的永磁电机。2)丝杠:使用反向式行星滚柱丝杠,具有较强刚性。3)编码器:使用一个位置传感器。4)力传感器:由于丝杠没有反驱性,配置力 传感器。5)轴承:使用深沟球轴承、四点接触球轴承。

直线执行器构造.jpg

特斯拉 Optimus 直线执行器构造,来源:特斯拉


  旋转执行器

  特斯拉 Optimus 旋转执行器的配置为:无框力矩电机*1+谐波减速器*1+力矩传感器*1+编码器*2+驱动器*1+交叉滚子轴承*1+角接触球轴承*1。

  其中 1)电机:使用特斯拉自主研发的永磁电机。2)减速器:使用谐波减速器,结构简单,减速比大,传动精度和传动效率较高。3)位置传感器:使用两个,即双编码器,包括输入位置编码器、输出位置编码器。4)力传感器:使用一个非接触式扭矩传感器。5)轴承:使用角接触轴承、交叉滚子轴承。


直线执行器.jpg

特斯拉 Optimus 的旋转执行器构造,来源:特斯拉

  03、细分核心零部件

  执行器核心零部件包括电机、减速器、丝杠、编码器、力矩传感器等。

  1、电机(Motor):执行器系统的“血管”。

  它根据所接收的力矩、速度、位置等指令信号,带动机械部件实现特定运动。同时电机中的多种传感器,如编码器、力传感器等,还会将电机与机械部件的实时运作信息反馈给驱动器和控制器,从而完成精准运动控制。执行器的驱动源,可以是直流电机、交流电机、步进电机或伺服电机,选择取决于所需的扭矩、速度、精度和控制要求。人形机器人主要采用集成度高、运动控制精度高、扭矩输出效率高的无框力矩电机。

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  2、减速器(Reducer):电机和传动装置之间的桥梁。

  其作用是将伺服电机输出的高转速、低转矩的动力转换为低转速、高转矩的动力,从而使机器人能够承受更大的负载,驱动机器人关节运行。受限于电机工艺技术,目前在机器人执行器中,减速器和电机通常搭配使用。常见的减速器类型包括谐波减速器、行星减速器和RV减速器等。

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  一文熟悉人形机器人成本占比最高的零部件:减速器

  3、丝杠(Lead Screw):直线执行器末端的线性传动装置。

  对于直线运动的执行器,丝杠将电机的旋转运动转换为直线运动。通常与螺母配合使用,可以是滚珠丝杠或滑动丝杠,提供精确的线性定位。受益于机器人等高端制造领域快速发展,高负载的行星滚柱丝杠具备较大发展潜力。

  4、编码器(Encoder):驱控信息的反馈装置。

  用于测量和反馈执行器的位置、速度和加速度。安装在伺服电机上,通过将角位移(码盘)或直线位移(码尺)转换成电信号的方式反馈转子位置和速度,将所获得的运动信息转换为脉冲信号并发送给驱动器,以便其进行信息比对,确保完成闭环控制。编码器可以是光电的、磁性的或机械的,提供必要的反馈信息以实现闭环控制。常用于机器人的有光电编码器、磁编码器。目前光电编码器技术更成熟,更达的精度更高。磁编码器理论成本更低,未来前景可观。

  5、力矩传感器(Torque Sensor):电机输出力矩的反馈装置。

  是用在执行器末端的一种接触式传感器,用于测量执行器关节的力矩输出,对于需要精确控制力矩的应用至关重要。力矩传感器可以集成在电机轴或减速器输出端。其核心零部件是弹性体(感应元件)和应变片(电阻转换)。当扭矩作用于传感器时,传感器内部的感力元件会发生变化,从而产生电荷/电压信号,这个信号与扭矩大小成正比,因此可以通过测量电压信号来确定扭矩大小。

  此外还有接收指令信号并控制电机的运行的控制器(Controller);确保确保执行器运动部件的平稳运行,减少摩擦和磨损的轴承(Bearing);接收来自控制器的信号并将其转换为适合电机的电流和电压,以控制电机的速度和扭矩的驱动器(Driver)。

  下面从价值、行业壁垒、国产化程度进行横向对比各零部件:

  价值量对比:力矩电机、行星滚柱丝杠、减速器、六维力/力矩传感器及芯片/算力/大模型的价值量较大,其次为空心杯电机和力传感器。

  行业壁垒对比:行星滚柱丝杠、六维 力/力矩传感器、惯性和触觉/柔性传感器以及芯片/算力/大模型的行业壁垒很高,其次为电机和其他零部件等。

  国产化率对比:行星滚柱丝杠、惯性和触觉/柔性传感器的国产化率较低,但总体各零部件国产企业均处于追赶国际龙头的过程中,部分环节技术水平达到国际领先人形机器人各零部件的价值量、行业壁垒和国产化率的对比。

执行器.jpg

 

资料来源:特斯拉,浙商证券研究所


  整体来看,人形机器人的核心零部件在价值量、行业壁垒和国产化率方面存在差异,但国产企业正通过技术创新和市场拓展,逐步提升在这些领域的竞争力。随着技术进步和市场需求的增长,预计国产化率将进一步提高,推动整个产业链的发展。

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