Moteur d’articulation humanoïde : pourquoi la conception de l’articulation est plus importante que la puissance du moteur

人形机器人仅仅使用更大功率的电机，并不会因此获得更好的性能。真正的工程挑战在于，如何将有限的电能、机械空间和整机重量转化为受控、精确且可靠的关节运动。

因此，人形机器人关节电机远不只是一台电动机。它是一套集成运动系统，其中电机、减速器、编码器、驱动器、轴承系统、制动器和机械壳体协同工作，以满足特定机器人关节的要求。

随着人形机器人从原型阶段走向商业化生产，执行器设计越来越关注扭矩、速度、重量、尺寸、精度、效率、热性能和控制响应之间的整体平衡，而不再只是单纯追求更高的电机功率。

人形机器人关节电机是系统级权衡的结果

比较人形机器人执行器时，最常见的错误之一是只关注某一项规格，尤其是峰值扭矩。能够产生 300 Nm 扭矩的执行器，如果明显更重、更大或效率更低，并不一定比产生 200 Nm 扭矩的执行器更好。

重量对于人形机器人尤其重要，因为机器人必须承载并驱动自身的执行器。更重的肩部执行器会增加手臂的惯量，而更重的腿部执行器则会增加髋关节和膝关节需要控制的负载。

同样的原则也适用于传动设计。较高的减速比可以使相对紧凑的电机提供较高的输出扭矩，但同时也会影响反驱性、效率、折算惯量和动态响应。

因此，正确的问题并不只是执行器能够产生多大的扭矩。工程师需要确定，人形机器人关节电机能否在目标关节可用的重量、体积、热容量和控制带宽范围内，提供所需的扭矩和速度。

为什么扭矩密度比最大扭矩更重要？

当需要更大扭矩时，传统工业设备通常可以容纳更大的电机或齿轮箱。人形机器人的限制要严格得多，因为每个执行器都会成为机器人运动质量的一部分。

这使得扭矩密度尤为重要。工程师不应只关注绝对输出扭矩，还需要考虑执行器相对于其重量和体积能够提供多少有效扭矩。

在肩部、肘部、腕部以及其他安装空间有限的紧凑型人形机器人关节中，高扭矩密度尤其有价值。能够提供足够扭矩的紧凑型执行器，有助于在保持所需运动能力的同时减轻机器人重量。

这也是无框扭矩电机、精密谐波减速器和集成式反馈系统组合架构在人形机器人领域受到越来越多关注的原因之一。目标并不是简单地让电机更强，而是从更小的机械封装中获得更多可用的关节扭矩。

减速器的作用不只是提高扭矩

减速器通常被简单描述为一种降低电机转速并提高输出扭矩的部件。虽然这一解释在技术上是正确的，但并不能充分说明减速器在人形机器人关节中的重要性。

传动比和减速器架构会影响关节的多项特性，包括输出速度、扭矩、回差、机械刚度、效率、反驱性、折算惯量和动态响应。

例如，较高的减速比可以让相对较小的电机产生较高的输出扭矩。然而，并不是每个关节都适合采用可用的最高减速比。

精密腕部关节可能优先考虑低回差、紧凑尺寸和精确定位，而动态腿部关节可能更加重视输出速度、效率、连续扭矩、热性能和动态响应。

因此，应根据特定人形机器人关节的运动曲线和工作条件选择减速器，而不是简单选择最高减速比。

谐波减速器和 QDD 解决的是不同的执行器问题

基于谐波传动的执行器与 QDD（准直接驱动）执行器之间的比较，常常被简化为哪种技术更好的问题。实际上，它们代表了电机与传动之间权衡的不同方法。

基于谐波减速器的执行器

谐波减速器采用相对较高的减速比，将电机的速度和扭矩特性转换为机器人关节所需的输出特性。这种架构可以提供高扭矩密度、低回差、高定位精度和紧凑封装。

这些特性使谐波传动特别适用于对空间、精度和输出扭矩有重要要求的精密机器人关节。

QDD 执行器

QDD 架构通常将相对较低的减速比与高扭矩密度电机结合使用。这种设计更加重视保留电机动态特性、反驱性和控制响应能力。

因此，有意义的工程问题并不是谐波减速器或 QDD 执行器哪一种普遍更好。更有价值的问题是，针对特定人形机器人关节，哪种传动架构能够在扭矩、速度、反驱性、效率和控制响应之间提供适当的平衡。

为什么不同的人形机器人关节需要不同的执行器设计？

一台人形机器人可能包含数十个驱动自由度，但这并不意味着每个关节都应使用完全相同的执行器。

不同关节的工作机械条件差异很大。

髋关节可能需要高连续扭矩、高峰值扭矩和较强的热容量。腕部关节可能更加重视紧凑尺寸、低回差、定位精度和中空走线。手指关节可能优先考虑极小直径和低重量，因为执行器尺寸会直接影响机械手的整体尺寸和灵活性。

因此，在整台机器人中采用一种过大的执行器架构，可能会增加不必要的重量和成本。

更高效的方法是根据扭矩、速度、尺寸、工作循环和控制要求，开发或选择针对具体关节的执行器平台。这样，机器人制造商可以优化整机，而不是强迫每个关节使用相同的规格。

热性能可能比峰值扭矩更重要

峰值扭矩是比较不同执行器产品时最容易关注的规格之一，但人形机器人并不会持续以峰值扭矩运行。

行走、站立、下蹲、搬运物体、攀爬和操作工具，都要求关节在一段时间内反复运行。因此，连续扭矩和热性能尤其重要。

执行器可能在短时间内提供非常高的峰值扭矩，但如果电机、驱动器或减速器在连续运行过程中达到热极限，那么这一峰值规格的实际价值就十分有限。

当电机、减速器、驱动器和反馈部件集成到紧凑型关节模块中时，挑战会更加严峻。可用空间越小，散热就越困难。

因此，评估人形机器人关节电机时，工程师不仅应考虑峰值扭矩，还应考虑连续扭矩、工作循环、热阻、冷却方式和工作温度。

控制带宽会影响人形机器人的运动方式

另一个重要特性是控制带宽。两款具有相近扭矩和速度额定值的执行器，可能产生完全不同的运动特性，因为它们的传动、反馈和控制架构对负载与运动变化的响应方式可能不同。

人形机器人会持续响应身体加速度、外部扰动、接触力和平衡状态的变化。因此，关节需要的不仅是精确的位置控制，还必须能够快速响应扭矩、速度和位置的变化。

这使得减速比、编码器反馈、反驱性、驱动器响应和控制带宽之间的关系变得越来越重要。

对于动态人形机器人应用，评估执行器性能时，不仅要看关节能够产生多大的扭矩，还要看关节能够以多快的速度和多高的精度改变其运动状态和扭矩状态。

集成不仅仅是为了节省空间

集成式执行器设计通常因其能够减少安装空间而受到推广。虽然紧凑性很重要，但系统集成还能够带来其他优势。

当电机、减速器、编码器、驱动器、制动器、轴承和壳体作为一个完整的关节系统进行设计时，这些部件之间的接口可以从一开始就得到优化。

编码器可以根据关节的实际反馈要求进行布置。驱动器可以与电机的电气特性相匹配。壳体可以同时针对轴承支撑、结构刚度、散热、电机安装和电缆走线进行设计。

这使得简单组装部件与设计集成式关节系统之间形成了重要区别。

对于人形机器人而言，后者有助于降低机械复杂度，同时改善封装、可靠性和整体系统性能。

为什么中空轴设计在人形机器人中很重要？

人形机器人包含大量动力电缆、编码器电缆、通信线路和传感器连接线。这些电缆必须在机器人关节反复旋转的整个过程中随关节一起运动。

外部电缆走线可能引起弯曲、张力、磨损和干涉，尤其是在持续运动的关节周围。

中空轴架构允许电缆穿过传动系统的中心，从而简化内部电缆走线，并减少肩部、腕部及其他旋转关节周围的干涉。

因此，中空谐波关节电机不应仅被视为一种封装方案。中空轴设计可能影响机器人的内部电缆架构、装配流程、维护要求和整体机械布局。

更高的减速比并不自动意味着更高的精度

另一个常见误解是，更高的减速比会自动带来更精确的人形机器人关节。

较高的减速比可以提高输出扭矩，并改善关节输出端的有效角分辨率，但同时也会影响反驱性、效率、折算惯量和动态响应。

因此，正确的方法是先确定关节所需的输出扭矩、输出速度、运动范围和控制特性，然后选择适当的传动比。

在比较基于谐波减速器的执行器与低减速比 QDD 架构时，这一点尤为重要。不同关节可能需要扭矩密度、精度、动态响应和交互能力之间完全不同的组合。

人形机器人关节电机的未来将更加面向具体应用

人形机器人技术的未来不太可能依赖一种适用于所有关节的通用执行器架构。相反，机器人制造商可能会针对机器人的不同部位，采用经过优化的不同执行器平台。

髋部和膝部可以采用高扭矩关节模块，肩部、肘部和腕部则可以使用紧凑型精密谐波关节模块。微型谐波传动系统可以服务于机械手和手指，而在更加重视动态响应和反驱性的关节中，则可能优先采用低减速比电机架构。

这种面向具体应用的方法使工程师能够优化整台人形机器人，而不是围绕同一种执行器规格优化每个关节。

选择人形机器人关节电机时，工程师应比较哪些因素？

仅凭额定扭矩不足以评估人形机器人关节电机。工程师应将执行器作为完整系统进行考虑，并比较扭矩重量比、扭矩体积比、连续扭矩和峰值扭矩、输出速度、减速比、回差、反驱性、控制带宽、热容量、编码器配置、关节刚度、中空孔径尺寸、制动器配置、通信接口和关节总重量等参数。

例如，200 Nm 执行器并不一定比 100 Nm 执行器更好。如果 200 Nm 执行器的重量是后者的两倍，并且需要更复杂的热管理，那么较轻的执行器可能为机器人提供更好的整体解决方案。

因此，最佳执行器是在目标关节机械和电气约束范围内提供所需性能的执行器。

HONPINE：将关节开发为完整的运动系统

对于 HONPINE 而言，人形机器人关节电机不仅是电机与减速器的组合。其目标是围绕机器人关节的要求，开发一套集成式运动系统。

HONPINE 的机器人关节解决方案可以将无框扭矩电机、谐波减速器、编码器、制动器、驱动器和传感器等技术集成到紧凑型执行器架构中。

这种集成方法可以根据扭矩、速度、重量、尺寸、精度和控制响应等不同要求，开发不同的关节模块。

对于人形机器人而言，这一区别十分重要。目标并不是简单地安装更强的电机，而是为其在机器人中的特定位置打造一套能够提供适当动力、传动、反馈和控制组合的关节。

结论：最佳的人形机器人关节电机并不只是最强的电机

人形机器人技术正在改变工程师评估电机和执行器的方式。

工程师不再只问“这台电机能够产生多大的扭矩？”，而是越来越需要关注完整关节如何将电能高效转化为精确、可控且可重复的机械运动。

因此，高性能人形机器人关节电机需要在扭矩密度、传动比、精度、反驱性、控制带宽、热性能、重量和集成度之间取得平衡。

谐波减速器可能是某个关节的正确解决方案，而 QDD 架构可能更适合另一个关节。与最大扭矩相比，微型谐波传动可能对机器人手指更有价值，而对于髋关节或膝关节，连续扭矩和热容量可能更加重要。

不存在一种适用于所有人形机器人关节的单一最佳执行器。最佳解决方案是与特定关节要求相匹配的执行器架构。

随着人形机器人从演示原型走向可靠、轻量化且具备商业规模化能力的产品，这种面向具体应用和系统级的开发方法将变得越来越重要。