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質(zhì)生產(chǎn)力釋放關(guān)鍵人形機器人研發(fā)推進準直驅(qū)執(zhí)行器產(chǎn)業(yè)初探 富聯(lián)注冊，前言：伴隨著新質(zhì)生產(chǎn)力成為市場的焦點，相關(guān)的賽道也成為大家挖掘的重點，機器人產(chǎn)業(yè)從看熱鬧到被確定為重點扶持產(chǎn)業(yè)，就是典型的代表，今天就來說說機器人產(chǎn)業(yè)的最新前沿技術(shù)準直驅(qū)執(zhí)行器。
機器人通常由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、和傳感系統(tǒng)四部分組成。機器人執(zhí) 行機構(gòu)是機器人賴以完成工作任務(wù)的實體，通常由一系列連桿、關(guān)節(jié)或其他形式的 運動副組成。工業(yè)機器人按臂部的運動形式分為四種：直角坐標型的臂部可沿三個 直角坐標移動；圓柱坐標型的臂部可作升降、回轉(zhuǎn)和伸縮動作；球坐標型的臂部能 回轉(zhuǎn)、俯仰和伸縮；關(guān)節(jié)型的臂部有多個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。這些運動都需要執(zhí)行器來完成。
人形機器人執(zhí)行器的研究已有30 多年的歷史。經(jīng)歷了剛性執(zhí)行器、彈性執(zhí)行器和準直驅(qū)執(zhí)行器三大階段。
準直驅(qū)執(zhí)行器是不依賴力/力矩傳感器，僅依靠電流環(huán)開環(huán)力控，就可以感知機器人和外界的交互力的一種執(zhí)行器。準直驅(qū)執(zhí)行器由高扭矩密度電機和低傳動比減速器組成，傳動比通常在10：1 以下。使用高扭矩密度的電機的目的是為了在使用低傳動比減速器的情況下，盡可能保證執(zhí)行器質(zhì)量小而輸出扭矩大。使用低傳動比減速器的原因是其成本低、透明度高，可以搭配電流環(huán)力控，進而省去力 /力矩傳感器。不使用力/力矩傳感器的好處是可以節(jié)約成本。
準直驅(qū)執(zhí)行器由高扭矩密度電機、低傳動比減速器和編碼器等構(gòu)成，主要優(yōu)勢是結(jié)構(gòu)簡單、成本低、透明度高、慣性小、帶寬高。
1）準直驅(qū)執(zhí)行器比剛性、彈性執(zhí)行器成本低。減速器成本更低。準直驅(qū)執(zhí)行器節(jié)約了力/力矩傳感器的成本。
2）舍棄一定精度。準直驅(qū)執(zhí)行器采用電流環(huán)力控，通過 PID 控制器實現(xiàn)對電機電流的控制。準直驅(qū)執(zhí)行器的力控精度低于剛性執(zhí)行器，但高于彈性執(zhí)行器。
4）取得更快的響應(yīng)速度。 準直驅(qū)執(zhí)行器低減速比、摩擦小、慣性小的特點有利于提高執(zhí)行器的控制帶寬，從而提升執(zhí)行器的響應(yīng)速度。
準直驅(qū)執(zhí)行器所用電機需要非常大的扭矩密度與扭矩慣性比。準直驅(qū)執(zhí)行器常用無刷直流電機。Katz 改進的準直驅(qū)執(zhí)行器使用的是外轉(zhuǎn)子無刷電機。外轉(zhuǎn)子設(shè)計使得轉(zhuǎn)子上能夠使用更多數(shù)量的永磁極。這意味著更大的扭矩和更平穩(wěn)的操作。并且，外轉(zhuǎn)子設(shè)計也使得間隙半徑增加，扭矩密度提高。
在物理原理上，準直驅(qū)執(zhí)行器使用低減速比減速器的原因是其透明度高，使電流環(huán)控制的實現(xiàn)成為可能。小減速比減速器更適合準直驅(qū)執(zhí)行器。行星減速器和擺線針輪減速器常用于準直驅(qū)執(zhí)行器。在實際應(yīng)用中，多以重量最輕、體積最小、承載能力最大等作為設(shè)計目標。
軸承被稱為“機械的關(guān)節(jié)”，主要作用是支承旋轉(zhuǎn)軸、減小摩擦，通過承受徑向荷載和軸向荷載傳動力和運動。大多數(shù)電機都使用滾珠軸承連接轉(zhuǎn)子與定子，好處是將摩擦造成的能量損失降低至可忽略的水平。行星減速器中，四點角接觸軸承可以代替標準軸承，起到輕量化的作用。
現(xiàn)代電機驅(qū)動系統(tǒng)主要由五部分組成，分別為計算機（上位機）、控制器、驅(qū)動器、負載和傳感器?？刂破魇强刂齐姍C的電路或電子設(shè)備，功能是獲取輸入設(shè)備的控制指令和電機的反饋信號，經(jīng)過運算后，發(fā)出控制信號。
編碼器是編碼旋轉(zhuǎn)角度、線性位移及速度等運動參數(shù)的傳感器。編碼器將傳感器元件輸出的電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字或模擬電信號的形式，然后將其傳遞至控制系統(tǒng)。雙編碼器方案解決了回零位問題，更適合準直驅(qū)執(zhí)行器。MIT 模塊化準直驅(qū)執(zhí)行器使用直接集成在控制器印制電路板上的霍爾效應(yīng)數(shù)字編碼器。
使用以鐵鈷合金為代表的高飽和磁通密度合金材料可以提高電機扭矩密度。聚醚醚酮（PEEK）材料密度低、質(zhì)量輕，可用于電機和減速器，有利于提高執(zhí)行器扭矩密度。連鑄球鐵力學性能好、質(zhì)量輕，適合減速器使用，有利于提高扭矩密度。
增加電機間隙半徑可以增加扭矩密度，使用外轉(zhuǎn)子電機方案可以增加扭矩體積比。相比徑向磁通電機，軸向磁通電機的扭矩密度大、扭矩體積比大。磁場調(diào)制型永磁電機扭矩密度大于普通電機。
準直驅(qū)執(zhí)行器輸出大扭矩時，會產(chǎn)生大量焦耳熱，需要高效的散熱系統(tǒng).風冷散熱系統(tǒng)成本低、可靠性高、工藝簡單、安裝方便，缺點是噪聲大。 液冷系統(tǒng)散熱效率高、噪聲小，缺點是質(zhì)量大。
對于使用電流環(huán)力控的準直驅(qū)執(zhí)行器而言，電流環(huán)響應(yīng)的快速性決定了整個系統(tǒng)的響應(yīng)速度。由于帶寬與控制系統(tǒng)的計算耗時相關(guān)，采用計算速度更快的控制器對于提升帶寬有很大的幫助。改進的PID、滑?？刂频人惴ň哂懈斓捻憫?yīng)速度。
雙環(huán)傳動（環(huán)動科技）： 雙環(huán)傳動控股子公司環(huán)動科技從事機器人關(guān)節(jié)高精密減速機的研制及產(chǎn)業(yè)化，產(chǎn)品主要分為擺線行星減速機和諧波減速機兩大類。公司自主開發(fā)了共計50多個品種減速機，已實現(xiàn)3Kg-1000Kg工業(yè)機器人用減速機的全面覆蓋，并成功批量應(yīng)用于國內(nèi)各機器人頭部企業(yè)，各項性能指標均達到國際先進水平。在機器人高精密擺線行星減速機國產(chǎn)市場，環(huán)動科技市場占有率連續(xù)多年位居第一。未來，為滿足下游機器人廠商對關(guān)鍵核心部件國產(chǎn)化的訴求，環(huán)動科技將持續(xù)加大在重負載機器人減速機的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)與產(chǎn)業(yè)化推進方面的研發(fā)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領(lǐng)先的汽車熱管理系統(tǒng)控制部件制造商，正在積極布局機器人業(yè)務(wù)。目前，公司正推動GDR項目并擬在瑞士交易所上市，擬募資2億元金用于建設(shè)機器人機電執(zhí)行器研發(fā)項目。機電執(zhí)行器是仿生機器人的核心部件，主要由伺服電機、減速機構(gòu)和編碼器組成。該項目總投資2.018億元，致力于設(shè)計出在功率密度和響應(yīng)速度上都可以滿足仿生機器人應(yīng)用的產(chǎn)品，為仿生機器人整體提供性價比高的伺服機電執(zhí)行器。預(yù)計2024年Q4，該項目達到產(chǎn)業(yè)化要求。
銀輪股份：銀輪股份主要經(jīng)營熱交換器和汽車空調(diào)等熱管理產(chǎn)品，連續(xù)多年為特斯拉供貨。自2020年起，公司向特斯拉供應(yīng)汽車換熱模塊。公司在墨西哥新萊昂州建有工廠。特斯拉也計劃在該州建廠，預(yù)計于2025年或2026年投產(chǎn)。墨西哥工廠由銀輪控股子公司YinlunTDI,LLC管理，目前為特斯拉的美國奧斯汀工廠供應(yīng)加熱和冷卻部件。奧斯汀工廠生產(chǎn)ModelY和Cybertruck。YinlunTDI,LLC的CEO預(yù)計，一旦特斯拉的墨西哥工廠投運，銀輪也將為其供貨。銀輪還計劃在墨西哥開設(shè)更多工廠，使其在墨西哥的員工人數(shù)翻倍。2023年12月，銀輪股份收到美國某電動汽車制造商的定點通知書，獲得該客戶空調(diào)箱項目的授權(quán)，由墨西哥工廠供貨。該項目生命周期5年，預(yù)計將于2024年9月開始批量供貨，預(yù)計生命
中大力德：中大力德從事減速電機、減速器等機器人零部件的生產(chǎn)和銷售，產(chǎn)品包括精密行星減速器，在研精密擺線針輪減速器。公司是從事機械傳動與控制應(yīng)用領(lǐng)域關(guān)鍵零部件的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售和服務(wù)的高新技術(shù)企業(yè)，成立以來深耕自動化傳動與驅(qū)動裝置的研發(fā)和制造，為各類機械設(shè)備提供安全、高效、精密的動力傳動與控制應(yīng)用解決方案。根據(jù)中大力德2022年年報，精密行星減速器是公司的主要產(chǎn)品之一，另外，公司主要研發(fā)項目中還包含精密行星伺服減速一體機、RVD系列精密擺線針輪減速器和精密擺線針輪伺服減速一體機。
禾川科技：禾川科技是國內(nèi)領(lǐng)先的機器人編碼器制造廠商。禾川科技是一家技術(shù)驅(qū)動的工業(yè)自動化控制核心部件及整體解決方案提供商，主要從事工業(yè)自動化產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售及應(yīng)用集成。根據(jù)公司2022年年報，公司主要產(chǎn)品中包含磁編碼器與光編碼器，磁編碼器最高可達21位，光編碼器最高可達23位、精度可達±20角秒，采用差分串行輸出信號，能夠有效防止外部干擾，可以提供性能與價格的完美結(jié)合。公司的伺服系統(tǒng)搭載自主研發(fā)的編碼器，在轉(zhuǎn)矩精度、速度波動
率、速度環(huán)帶寬、控制周期等性能參數(shù)方面整體上已接近國外主流品牌同類可比產(chǎn)品水準。公司在高速高精度編碼器技術(shù)領(lǐng)域已獲得10項發(fā)明專利、11項實用新型專利和2項軟件著作權(quán)。公司在研項目包含25位光編碼器開發(fā)，開發(fā)完成后，該產(chǎn)品將廣泛應(yīng)用于激光、CNC、鋰電、光伏、機器人等領(lǐng)域。
