质生产力释放关键人形机器人研发推进准直驱执行器产业初探 富联注册，前言：伴随着新质生产力成为市场的焦点，相关的赛道也成为大家挖掘的重点，机器人产业从看热闹到被确定为重点扶持产业，就是典型的代表，今天就来说说机器人产业的最新前沿技术准直驱执行器。

　　机器人通常由执行机构、驱动系统、控制系统、和传感系统四部分组成。机器人执 行机构是机器人赖以完成工作任务的实体，通常由一系列连杆、关节或其他形式的 运动副组成。工业机器人按臂部的运动形式分为四种：直角坐标型的臂部可沿三个 直角坐标移动；圆柱坐标型的臂部可作升降、回转和伸缩动作；球坐标型的臂部能 回转、俯仰和伸缩；关节型的臂部有多个转动关节。这些运动都需要执行器来完成。

　　人形机器人执行器的研究已有30 多年的历史。经历了刚性执行器、弹性执行器和准直驱执行器三大阶段。

　　准直驱执行器是不依赖力/力矩传感器，仅依靠电流环开环力控，就可以感知机器人和外界的交互力的一种执行器。准直驱执行器由高扭矩密度电机和低传动比减速器组成，传动比通常在10：1 以下。使用高扭矩密度的电机的目的是为了在使用低传动比减速器的情况下，尽可能保证执行器质量小而输出扭矩大。使用低传动比减速器的原因是其成本低、透明度高，可以搭配电流环力控，进而省去力 /力矩传感器。不使用力/力矩传感器的好处是可以节约成本。

　　准直驱执行器由高扭矩密度电机、低传动比减速器和编码器等构成，主要优势是结构简单、成本低、透明度高、惯性小、带宽高。

　　1）准直驱执行器比刚性、弹性执行器成本低。减速器成本更低。准直驱执行器节约了力/力矩传感器的成本。

　　2）舍弃一定精度。准直驱执行器采用电流环力控，通过 PID 控制器实现对电机电流的控制。准直驱执行器的力控精度低于刚性执行器，但高于弹性执行器。

　　4）取得更快的响应速度。 准直驱执行器低减速比、摩擦小、惯性小的特点有利于提高执行器的控制带宽，从而提升执行器的响应速度。

　　准直驱执行器所用电机需要非常大的扭矩密度与扭矩惯性比。准直驱执行器常用无刷直流电机。Katz 改进的准直驱执行器使用的是外转子无刷电机。外转子设计使得转子上能够使用更多数量的永磁极。这意味着更大的扭矩和更平稳的操作。并且，外转子设计也使得间隙半径增加，扭矩密度提高。

　　在物理原理上，准直驱执行器使用低减速比减速器的原因是其透明度高，使电流环控制的实现成为可能。小减速比减速器更适合准直驱执行器。行星减速器和摆线针轮减速器常用于准直驱执行器。在实际应用中，多以重量最轻、体积最小、承载能力最大等作为设计目标。

　　轴承被称为“机械的关节”，主要作用是支承旋转轴、减小摩擦，通过承受径向荷载和轴向荷载传动力和运动。大多数电机都使用滚珠轴承连接转子与定子，好处是将摩擦造成的能量损失降低至可忽略的水平。行星减速器中，四点角接触轴承可以代替标准轴承，起到轻量化的作用。

　　现代电机驱动系统主要由五部分组成，分别为计算机（上位机）、控制器、驱动器、负载和传感器。控制器是控制电机的电路或电子设备，功能是获取输入设备的控制指令和电机的反馈信号，经过运算后，发出控制信号。

　　编码器是编码旋转角度、线性位移及速度等运动参数的传感器。编码器将传感器元件输出的电信号转化为数字或模拟电信号的形式，然后将其传递至控制系统。双编码器方案解决了回零位问题，更适合准直驱执行器。MIT 模块化准直驱执行器使用直接集成在控制器印制电路板上的霍尔效应数字编码器。

　　使用以铁钴合金为代表的高饱和磁通密度合金材料可以提高电机扭矩密度。聚醚醚酮（PEEK）材料密度低、质量轻，可用于电机和减速器，有利于提高执行器扭矩密度。连铸球铁力学性能好、质量轻，适合减速器使用，有利于提高扭矩密度。

　　增加电机间隙半径可以增加扭矩密度，使用外转子电机方案可以增加扭矩体积比。相比径向磁通电机，轴向磁通电机的扭矩密度大、扭矩体积比大。磁场调制型永磁电机扭矩密度大于普通电机。

　　准直驱执行器输出大扭矩时，会产生大量焦耳热，需要高效的散热系统.风冷散热系统成本低、可靠性高、工艺简单、安装方便，缺点是噪声大。 液冷系统散热效率高、噪声小，缺点是质量大。

　　对于使用电流环力控的准直驱执行器而言，电流环响应的快速性决定了整个系统的响应速度。由于带宽与控制系统的计算耗时相关，采用计算速度更快的控制器对于提升带宽有很大的帮助。改进的PID、滑模控制等算法具有更快的响应速度。

　　双环传动（环动科技）： 双环传动控股子公司环动科技从事机器人关节高精密减速机的研制及产业化，产品主要分为摆线行星减速机和谐波减速机两大类。公司自主开发了共计50多个品种减速机，已实现3Kg-1000Kg工业机器人用减速机的全面覆盖，并成功批量应用于国内各机器人头部企业，各项性能指标均达到国际先进水平。在机器人高精密摆线行星减速机国产市场，环动科技市场占有率连续多年位居第一。未来，为满足下游机器人厂商对关键核心部件国产化的诉求，环动科技将持续加大在重负载机器人减速机的关键技术攻关与产业化推进方面的研发投入。

　　三花智控：三花智控是全球最大的制冷控制元器件和全球领先的汽车热管理系统控制部件制造商，正在积极布局机器人业务。目前，公司正推动GDR项目并拟在瑞士交易所上市，拟募资2亿元金用于建设机器人机电执行器研发项目。机电执行器是仿生机器人的核心部件，主要由伺服电机、减速机构和编码器组成。该项目总投资2.018亿元，致力于设计出在功率密度和响应速度上都可以满足仿生机器人应用的产品，为仿生机器人整体提供性价比高的伺服机电执行器。预计2024年Q4，该项目达到产业化要求。

　　银轮股份：银轮股份主要经营热交换器和汽车空调等热管理产品，连续多年为特斯拉供货。自2020年起，公司向特斯拉供应汽车换热模块。公司在墨西哥新莱昂州建有工厂。特斯拉也计划在该州建厂，预计于2025年或2026年投产。墨西哥工厂由银轮控股子公司YinlunTDI,LLC管理，目前为特斯拉的美国奥斯汀工厂供应加热和冷却部件。奥斯汀工厂生产ModelY和Cybertruck。YinlunTDI,LLC的CEO预计，一旦特斯拉的墨西哥工厂投运，银轮也将为其供货。银轮还计划在墨西哥开设更多工厂，使其在墨西哥的员工人数翻倍。2023年12月，银轮股份收到美国某电动汽车制造商的定点通知书，获得该客户空调箱项目的授权，由墨西哥工厂供货。该项目生命周期5年，预计将于2024年9月开始批量供货，预计生命

　　中大力德：中大力德从事减速电机、减速器等机器人零部件的生产和销售，产品包括精密行星减速器，在研精密摆线针轮减速器。公司是从事机械传动与控制应用领域关键零部件的研发、生产、销售和服务的高新技术企业，成立以来深耕自动化传动与驱动装置的研发和制造，为各类机械设备提供安全、高效、精密的动力传动与控制应用解决方案。根据中大力德2022年年报，精密行星减速器是公司的主要产品之一，另外，公司主要研发项目中还包含精密行星伺服减速一体机、RVD系列精密摆线针轮减速器和精密摆线针轮伺服减速一体机。

　　禾川科技：禾川科技是国内领先的机器人编码器制造厂商。禾川科技是一家技术驱动的工业自动化控制核心部件及整体解决方案提供商，主要从事工业自动化产品的研发、生产、销售及应用集成。根据公司2022年年报，公司主要产品中包含磁编码器与光编码器，磁编码器最高可达21位，光编码器最高可达23位、精度可达±20角秒，采用差分串行输出信号，能够有效防止外部干扰，可以提供性能与价格的完美结合。公司的伺服系统搭载自主研发的编码器，在转矩精度、速度波动

　　率、速度环带宽、控制周期等性能参数方面整体上已接近国外主流品牌同类可比产品水准。公司在高速高精度编码器技术领域已获得10项发明专利、11项实用新型专利和2项软件著作权。公司在研项目包含25位光编码器开发，开发完成后，该产品将广泛应用于激光、CNC、锂电、光伏、机器人等领域。