機(jī)器人深度報(bào)告：減速器旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)的紐帶，機(jī)械力量之承載

2023-07-15 08:00 作者:報(bào)告派 0人讀過 | 我要投稿

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以下為報(bào)告原文節(jié)選

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一、機(jī)器之關(guān)節(jié)，旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)的紐帶

（一）連接動(dòng)力源和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，下游應(yīng)用廣

在機(jī)械傳動(dòng)領(lǐng)域，減速器是連接動(dòng)力源和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的中間裝置。減速器的發(fā)展已有數(shù)百年的歷史并發(fā)展出多種減速器形式。已經(jīng)成熟并已標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品有圓柱齒輪、蝸輪、行星齒輪、擺線針輪減速器和諧波等；已經(jīng)提出并正在推廣的產(chǎn)品有三環(huán)、活齒減速器等。

從結(jié)構(gòu)上減速器分為定軸傳動(dòng)、偏心驅(qū)動(dòng)、斜面放大三大類。其中偏心驅(qū)動(dòng)的減速原理是利用具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的、存在度量差的兩運(yùn)動(dòng)件的微差累積來實(shí)現(xiàn)減速器的力矩放大和低速輸出，具有少齒差轉(zhuǎn)動(dòng)特征，包括變形類的諧波減速器、多齒的行星減速器等；斜面放大則是通過連續(xù)旋轉(zhuǎn)的斜面將沿斜面運(yùn)動(dòng)的圓周力在其正交方向放大，從而將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，包括滾珠絲杠等。

減速機(jī)廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域，不同產(chǎn)品下游有所差異。諧波和RV減速器主要應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，同時(shí)部分應(yīng)用于非標(biāo)自動(dòng)化、機(jī)床、半導(dǎo)體等精密制造行業(yè)；齒輪、擺線針輪等通用減速器則更廣泛應(yīng)用于環(huán)保、建筑、電力、化工、食品等工業(yè)領(lǐng)域。

機(jī)器人常用減速器包括諧波、RV、行星齒輪、擺線針輪減速器，減速器選擇需要綜合考慮體積、減速比、扭矩和價(jià)格因素。
（1）諧波減速器：利用柔輪、剛輪和波發(fā)生器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)減速，波發(fā)生器發(fā)生可靠形變后，依靠柔輪、剛輪的嚙齒傳遞動(dòng)力。特點(diǎn)為小體積、低負(fù)載能力、高精密度，用在工業(yè)機(jī)器人小臂、腕部等輕負(fù)載關(guān)節(jié)，代表企業(yè)綠的諧波。
（2）RV減速器：由漸開線圓柱齒輪行星減速前級(jí)和擺線針輪行星減速后級(jí)兩部分構(gòu)成，漸開線行星齒輪與曲柄軸連接成一起作為擺線針輪傳動(dòng)部分的輸入，曲柄軸帶動(dòng)擺線輪作偏心運(yùn)動(dòng)。其特點(diǎn)為大體積、高負(fù)載能力、高剛度，但價(jià)格昂貴，用在工業(yè)機(jī)器人機(jī)座、大臂等重負(fù)載的位置，代表企業(yè)雙環(huán)傳動(dòng)。
（3）行星齒輪減速器：精密行星減速器在運(yùn)行過程中一個(gè)太陽輪有多個(gè)行星輪繞轉(zhuǎn)，所以其體積小、質(zhì)量較輕，相較于其他減速器啟動(dòng)更加平穩(wěn)，且剛性、精度和扭矩高。其特點(diǎn)為結(jié)構(gòu)緊湊、低轉(zhuǎn)速大扭矩、價(jià)格便宜但減速比低，精密行星減速器用在直角坐標(biāo)工業(yè)機(jī)器人，也可以用在人形機(jī)器人小型關(guān)節(jié)（如手指）或者運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)（如腿部）領(lǐng)域，代表企業(yè)為中大力德、兆威機(jī)電。

（4）擺線針輪行星減速器：以應(yīng)用行星式傳動(dòng)為基礎(chǔ)、以擺線針齒嚙合為載體的傳動(dòng)裝置。其特點(diǎn)為承載能力大，而相對(duì)于RV減速器價(jià)格更低，常用在礦山、化工等重負(fù)載領(lǐng)域，在部分機(jī)器人領(lǐng)域也有所推廣（如Robotis的Dybnamixel系列執(zhí)行器）。

（二）減速器是工業(yè)機(jī)器人核心零部件之一

控制器、伺服電機(jī)和減速器是工業(yè)機(jī)器人的三個(gè)核心部件，從技術(shù)上決定了工業(yè)機(jī)器人的關(guān)鍵特性，如工作精度、負(fù)載、使用壽命、穩(wěn)定性和可靠性，根據(jù)Research In China數(shù)據(jù)，它們合計(jì)約占工業(yè)機(jī)器人成本的70%，其中減速機(jī)占35%，伺服電機(jī)占20%，控制器占15%。
一般來說，機(jī)器人的每個(gè)關(guān)節(jié)都需要配置一臺(tái)減速器。根據(jù)綠的諧波招股書，每臺(tái)六軸多關(guān)節(jié)機(jī)器人需要搭配6臺(tái)精密減速器，其中負(fù)載10kg以下機(jī)器人主要使用諧波減速器；10-20kg及更高負(fù)載的機(jī)器人小臂、手腕關(guān)節(jié)可以采用諧波減速器，其余關(guān)節(jié)采用RV減速器。協(xié)作機(jī)器人全部關(guān)節(jié)使用諧波減速器，一般使用6-7個(gè)諧波減速器。SCARA機(jī)器人一般使用2-3臺(tái)諧波減速器。DELTA機(jī)器人一般使用3臺(tái)諧波減速器，可實(shí)現(xiàn)分揀等功能。

（三）人形機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)模式影響減速器選擇

機(jī)器人電驅(qū)可以分為剛性驅(qū)動(dòng)、彈性驅(qū)動(dòng)和準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)等不同模式。雙足人形機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)特點(diǎn)和人類類似，如運(yùn)動(dòng)速度快，機(jī)動(dòng)性能好，步幅和步頻變化，高速碰撞等。這些運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)要求驅(qū)動(dòng)器具有高功率密度、高響應(yīng)性、高能量利用效率和耐沖擊性等特性。為提高驅(qū)動(dòng)器該類特性，逐漸發(fā)展出三類主流路線。
（1）1983年，早稻田大學(xué)研究的WL10R機(jī)器人使用剛性驅(qū)動(dòng)器TSA(traditional stiffness actuator)，自此雙足人形機(jī)器人開始廣泛應(yīng)用剛性驅(qū)動(dòng)器為關(guān)節(jié)動(dòng)力源。剛性驅(qū)動(dòng)發(fā)展歷史長、技術(shù)成熟度高，但是由于元器件工藝和原理上的限制，傳統(tǒng)剛性驅(qū)動(dòng)器的功率密度很難達(dá)到生物肌肉的水平500W/ kg，同時(shí)也解決不了機(jī)器人受外部沖擊時(shí)零部件強(qiáng)度問題，繼而產(chǎn)生了其他技術(shù)路線。
（2）1995年，麻省理工學(xué)院的Pratt等提出了彈性驅(qū)動(dòng)器SEA(series elastic actuator)的概念，并在美國宇航局的機(jī)器人Valkyrie和意大利技術(shù)研究院的機(jī)器人Walk-Man上得到應(yīng)用，彈性驅(qū)動(dòng)器模擬肌肉系統(tǒng)功能，使關(guān)節(jié)表現(xiàn)出柔順、安全和高能量效率特性。
（3）2016年，Wensing等提出了準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)器PA(proprioceptive actuator)，并將其應(yīng)用于四足機(jī)器人Cheetah和雙足機(jī)器人Hermes，準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)采用電機(jī)加低傳動(dòng)比減速器的方案，負(fù)載傳導(dǎo)路徑更加簡單，具有功率密度高，力控帶寬大，抗沖擊能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)器成為最近幾年研究的熱點(diǎn)。

不同驅(qū)動(dòng)模式架構(gòu)和特性不同，進(jìn)而影響減速器等零部件的選型：

（1）剛性驅(qū)動(dòng)：①組成：一般采用高速電機(jī)+高傳動(dòng)比減速器+高剛性力矩傳感器模式，諧波減速器憑借高減速比、重量輕、緊湊高效的特征獲得青睞，力/扭矩（T/F）傳感器放置于關(guān)節(jié)末端進(jìn)行感知控制。②特點(diǎn)：傳動(dòng)比大+轉(zhuǎn)速低+扭矩密度高，因而具有更高的可控制精度，但是傳統(tǒng)剛性驅(qū)動(dòng)器的功率密度很難達(dá)到生物肌肉的水平（500 W/kg）,同時(shí)也解決不了機(jī)器人受外部沖擊時(shí)零部件強(qiáng)度問題，適用于緩慢且相對(duì)靜態(tài)的運(yùn)動(dòng)。③應(yīng)用：發(fā)展歷史長，控制框架穩(wěn)定，本田Asimo、特斯拉人形機(jī)器人均采用該方案；同時(shí)，剛性驅(qū)動(dòng)更為適配于腕部、腳踝等高精度，且預(yù)留空間較小位置。
（2）彈性驅(qū)動(dòng)：①組成：在剛性驅(qū)動(dòng)器的基礎(chǔ)上加入彈性體來增加機(jī)器人行走、奔跑、跳躍等運(yùn)動(dòng)能力，包括串聯(lián)、并聯(lián)、多模態(tài)等眾多模式。②特點(diǎn)：類比于動(dòng)物利用剛?cè)岵?jì)的肌肉骨骼系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)過程中儲(chǔ)存/釋放能量并實(shí)現(xiàn)緩沖，彈性驅(qū)動(dòng)器使關(guān)節(jié)表現(xiàn)出柔順安全、高能量效率、強(qiáng)抗沖擊性的特性；但是較低的剛度會(huì)影響帶寬，進(jìn)而降低響應(yīng)速度并增加控制難度。③應(yīng)用：機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜，關(guān)節(jié)控制較難，常用語高負(fù)載、強(qiáng)沖擊等特殊場景，如意大利技術(shù)研究院為解決救災(zāi)機(jī)器人跌落和與環(huán)境的碰撞問題，設(shè)計(jì)了彈性驅(qū)動(dòng)器，并應(yīng)用于WALK-MAN機(jī)器人的手臂，具有較好的負(fù)載能力和抗沖擊能力。
（3）準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)：①組成：一般采用高扭矩密度電機(jī)＋低傳動(dòng)比減速器方案，常采用低轉(zhuǎn)速大扭矩的扁平化的力矩電機(jī)和低傳動(dòng)比且結(jié)構(gòu)緊湊的行星齒輪減速器；同時(shí)，電流可以作為力矩的測量方式，因而不需要配置力矩傳感器。②特點(diǎn)：傳動(dòng)比小+轉(zhuǎn)速高+功率密度高，因?yàn)楦鼮楦咝Р⒕哂懈鼜?qiáng)的爆發(fā)力，同時(shí)準(zhǔn)直驅(qū)在價(jià)格上具有優(yōu)勢(shì)，其所用低傳動(dòng)比減速器價(jià)格低于剛性高傳動(dòng)比減速器，且不需要額外傳感器進(jìn)行力矩控制；③應(yīng)用：最近幾年新興技術(shù)，發(fā)展迅速，并在四足機(jī)器人和ARTEMIS（UCLA）、Hermes（MIT）等雙足機(jī)器人也有所應(yīng)用，該類機(jī)器人更善于運(yùn)動(dòng)；同時(shí)，準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)更為適配于腰部、髖部、肩部等高爆發(fā)，且預(yù)留空間較大的關(guān)節(jié)部位。

1. 剛性驅(qū)動(dòng)器：高扭矩密度+高精度，可執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)但爆發(fā)力不足

剛性驅(qū)動(dòng)器在特斯拉人形機(jī)器人、本田Asimo機(jī)器人、慕尼黑工大LOLA機(jī)器人，特點(diǎn)為力矩密度大，力量控制精準(zhǔn)，可以像人一樣執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)，但運(yùn)動(dòng)速度普遍較低，爆發(fā)力不足。
特斯拉人形機(jī)器人身高1.72m體重56kg，共有40個(gè)主動(dòng)自由度和6類執(zhí)行器，實(shí)際可舉起68kg的物體，運(yùn)動(dòng)速度為8km/h，并能執(zhí)行收拾杯盤等復(fù)雜任務(wù)，可以做到精準(zhǔn)力矩控制，如碰撞到雞蛋不會(huì)打碎。其采用直線、旋轉(zhuǎn)兩類執(zhí)行器，其中旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器為剛性結(jié)構(gòu)，采用力矩電機(jī)+諧波減速器+位置/扭矩傳感器方案，旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器分為三種類型，其中之一扭矩達(dá)180Nm，僅重2.26kg，扭矩密度達(dá)80Nm/kg。
本田Asimo機(jī)器人推出于2000年，身高1.30m體重50kg，共有57個(gè)自由度，單手抓力0.5kg，跑步速度為7km/s。Asimo可以進(jìn)行面部、聲音的識(shí)別，具備敏捷的運(yùn)動(dòng)能力，可以向前跑步、向后退、單/雙腿跳躍，并能靈活地適應(yīng)不斷變化的外部情況，如在不平坦的表面上行走；在執(zhí)行任務(wù)方面，可以做到拿起玻璃瓶并擰開蓋子，或進(jìn)行復(fù)雜手語表達(dá)。Asimo執(zhí)行器采用伺服電機(jī)+諧波減速器的方案，并配有六力傳感、加速度、陀螺儀等多個(gè)傳感器。
LOLA人形機(jī)器人推出于2006年，可以進(jìn)行類似于人的步行運(yùn)動(dòng)，身高1.80m，共有22個(gè)自由度和7類執(zhí)行器，運(yùn)動(dòng)速度5km/h。LOLA在膝蓋和腳踝采用滾柱絲杠線性執(zhí)行器，特點(diǎn)為無間隙、無啟動(dòng)扭矩、可反向驅(qū)動(dòng)和靜音運(yùn)行，并將大部分執(zhí)行器的質(zhì)量轉(zhuǎn)移到靠近臀部的位置，從而優(yōu)化大腿的慣量；其余關(guān)節(jié)采用諧波減速器的剛性傳動(dòng)方案，其髖部（P軸）關(guān)節(jié)連續(xù)扭矩為125Nm（峰值370Nm），重量2.85kg，扭矩密度44Nm/kg（峰值130Nm/kg），具有重量強(qiáng)、扭矩大的特點(diǎn)；同時(shí)，每個(gè)關(guān)節(jié)配有位置傳感器、角度編碼器、增量編碼器，其關(guān)節(jié)特點(diǎn)為高速狀態(tài)下良好的動(dòng)態(tài)性能、緊湊集約以及高效率。

2. 彈性驅(qū)動(dòng)器（串聯(lián)）：剛性驅(qū)動(dòng)器基礎(chǔ)上的優(yōu)化，提高抗沖擊能力

機(jī)器人在于環(huán)境相互作用中不可避免發(fā)生墜落事件，因此需要具備過載能力，在發(fā)生碰撞和跌到后能夠自我恢復(fù)。意大利技術(shù)研究院設(shè)計(jì)了新型的彈性驅(qū)動(dòng)器，并應(yīng)用于 WALK-MAN機(jī)器人手臂，驅(qū)動(dòng)器采用無框無刷直流電機(jī)+諧波減速器（減速比50-150）的模式，并在諧波減速器輸出端和驅(qū)動(dòng)器輸出間設(shè)置了彈性零件扭力桿實(shí)現(xiàn)了防沖擊保護(hù)，并配有位置、扭矩、溫度傳感器。

3. 準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)器：高功率密度和更好的抗沖擊能力，省去傳感器但半徑較大

準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)器依靠驅(qū)動(dòng)器電機(jī)開環(huán)力控，不依賴于附加力或力矩傳感器，就可以本體感知機(jī)器人腳部和外界的交互力，也被稱為本體驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)器有更高的功率密度，同時(shí)低傳動(dòng)比減速器能夠更好將外部沖擊傳遞給電機(jī)，實(shí)現(xiàn)高帶寬力控和更好的抗沖擊能力。然而，大扭矩對(duì)電機(jī)的尺寸要求更為苛刻，電機(jī)呈現(xiàn)扁平化，執(zhí)行器半徑更大。準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用于MIT推出的 Cheetah四足機(jī)器人以及UCLA推出的ARTEMIS人形機(jī)器人等。

MIT的Cheetah四足機(jī)器人具備步行、跑步和跳躍能力，機(jī)器人的最高奔跑速度可達(dá)13.5m/s。此類行為涉及反復(fù)的高沖擊力和短暫的地面接觸時(shí)間，為了在如此短的時(shí)間內(nèi)控制地面反作用力，系統(tǒng)必須具有高帶寬力控并能承受頻繁的高沖擊力。機(jī)器人采用準(zhǔn)直驅(qū)執(zhí)行器，定制設(shè)計(jì)大半徑的無框力矩電機(jī)（關(guān)節(jié)預(yù)留125mm的直徑空間），純電機(jī)扭矩密度達(dá)27Nm/kg；減速器選用減速比為5.8的單級(jí)行星齒輪減速器，低減速比提高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)能力；另外，機(jī)器人髖部和膝部的執(zhí)行器同軸位于髖部，其中一個(gè)執(zhí)行器直接驅(qū)動(dòng)臀部，而另一個(gè)則通過平行連桿驅(qū)動(dòng)膝蓋，旨在最大限度地減少質(zhì)量和腿部慣性，從而最大限度地提高沖擊緩解系數(shù)。
UCLA的ARTEMIS人形機(jī)器人身高1.42cm，體重37kg，行走速度2.1m/s，共有20個(gè)自由度和5種類型執(zhí)行器，能夠在粗糙和不穩(wěn)定的表面上行走，在外部撞擊中能保持平衡，跌到后重新站起，以及具備跑步、跳躍、足球運(yùn)動(dòng)等能力。機(jī)器人髖部/膝部P軸執(zhí)行器采用寬大氣隙電機(jī)（重量0.89kg，直徑180mm，峰值扭矩45Nm）+行星齒輪減速器（減速比為5.9）方案，執(zhí)行器總重量3kg，連續(xù)扭矩80Nm（峰值250Nm），扭矩密度27Nm/kg（峰值83Nm/kg）。機(jī)器人腿部低反射慣性和高傳輸透明度（力控和末端反饋）可以使得機(jī)器人能夠本體感知力控，并在跑步和跳躍中降低沖擊力。