在人工智能與高端制造的浪潮中，人形機器人正從科幻想象加速邁向現(xiàn)實。從特斯拉Optimus的工廠分揀到優(yōu)必選Walker的養(yǎng)老陪護，人形機器人憑借類人形態(tài)與智能交互能力，正在工業(yè)、醫(yī)療、家庭服務(wù)等領(lǐng)域掀起革命。而這一變革的核心驅(qū)動力，正藏匿于機器人的“運動心臟”——關(guān)節(jié)電機。

人形機器人新浪潮：開啟智慧新時代

高盛研究部指出，全球人形機器人產(chǎn)業(yè)正加速邁向全方位生態(tài)系統(tǒng)的成熟。在基本情景假設(shè)下，迅速增長的市場需求預(yù)計到2035年將釋放高達380億美元的潛在市場空間。此外，鑒于人形機器人仍處于早期發(fā)展階段，并存多種技術(shù)路徑，高盛預(yù)測行業(yè)競爭格局將持續(xù)演進，不斷推動技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)升級。

工信部印發(fā)《人形機器人創(chuàng)新發(fā)展指導(dǎo)意見》，明確指出，人形機器人有望成為繼計算機、智能手機、新能源汽車后的顛覆性產(chǎn)品。到 2025 年，人形機器人創(chuàng)新體系初步建立，“大腦、小腦、肢體”等一批關(guān)鍵技術(shù)取得突破，確保核心部組件安全有效供給。到 2027 年，人形機器人技術(shù)創(chuàng)新能力顯著提升，形成安全可靠的產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈體系，構(gòu)建具有國際競爭力的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，綜合實力達到世界先進水平。

關(guān)節(jié)電機：賦予人形機器人生命之動

在人形機器人系統(tǒng)中，關(guān)節(jié)電機承擔(dān)著至關(guān)重要的作用，是實現(xiàn)機器人靈活運動和高精度操控的核心驅(qū)動單元。作為“智能關(guān)節(jié)”，關(guān)節(jié)電機直接決定了機器人關(guān)節(jié)的運動性能、能效水平以及整體協(xié)作能力，其技術(shù)水平直接影響人形機器人的應(yīng)用廣度和發(fā)展前景。

宇樹旗下的G1通用人形機器人，可實現(xiàn)720度回旋踢和多種武打動作。G1機器人單腿自由度為6，單手臂的自由度為5，單手自由度為7，可選手腕自由度為2，共用23-43個關(guān)節(jié)電機模組。

云深處旗下山貓全地形機器人在傳承云深處在具身智能方面的技術(shù)積累的同時，基于"山貓"的形態(tài)針對性進行特色化適配，在特殊地形下表現(xiàn)優(yōu)異，如樓梯、斜坡、石板路、碎石路穿越。山貓全地形機器人共用12個關(guān)節(jié)電機模組。

中科本原推出面向人形機器人的關(guān)節(jié)電機解決方案

BenYuan關(guān)節(jié)電機采用了一體化設(shè)計方式，包含了無框力矩電機、行星減速器、驅(qū)動器、編碼器、鋁合金傳動件及外殼。電機整體重量為378g，尺寸為?80*40。

電機參數(shù)

BenYuan關(guān)節(jié)電機額定扭矩為5N·m，峰值扭矩為11N·m，提供了更強大的承載能力和更迅速的動態(tài)響應(yīng)。額定轉(zhuǎn)速120rpm與最大轉(zhuǎn)速420rpm提高了機器人運動的靈活性。此外，板載編碼器精度達到了16bit，提高了關(guān)節(jié)角度控制的精準度。更多參數(shù)詳情見下表1。這些參數(shù)共同作用，使關(guān)節(jié)電機能夠滿足不同應(yīng)用場景需求，為人形機器人提供更自然、更高效的運動能力，助力其在工業(yè)、醫(yī)療、服務(wù)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛應(yīng)用。

表1 FDM關(guān)節(jié)電機參數(shù)詳情

驅(qū)動板介紹

關(guān)節(jié)電機驅(qū)動板是連接控制系統(tǒng)與電機的關(guān)鍵部件，負責(zé)接收控制信號、驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)，并實現(xiàn)精準的扭矩、速度和位置控制。作為人形機器人關(guān)節(jié)電機的核心驅(qū)動模塊，其性能直接影響機器人的運動流暢度、響應(yīng)速度和能耗效率。

BenYuan關(guān)節(jié)電機內(nèi)部集成了一款自研的關(guān)節(jié)電機驅(qū)動板。驅(qū)動板以FDM320R035高性能數(shù)字信號處理器為核心，搭建了一套高效電機驅(qū)動方案，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的電機控制。該驅(qū)動板專為高精度伺服系統(tǒng)設(shè)計，具備強大的計算能力、精準的電流采樣與驅(qū)動能力，為人形機器人等高端應(yīng)用提供可靠的動力支持。

核心控制單元采用FDM320R035，具備強大的數(shù)據(jù)處理能力，能夠高速執(zhí)行磁場定向控制（FOC）算法，實現(xiàn)電機的高精度扭矩、速度和位置控制。其高速運算能力確保機器人關(guān)節(jié)運動平穩(wěn)流暢，提高動態(tài)響應(yīng)速度和能效。整體控制框架見圖5。

圖5 FDM關(guān)節(jié)電機驅(qū)動器框架 該關(guān)節(jié)電機驅(qū)動器板卡如圖6所示：

圖6FDM關(guān)節(jié)電機驅(qū)動器板卡

驅(qū)動算法介紹

在機器人關(guān)節(jié)控制中，傳統(tǒng)的位置控制能夠?qū)崿F(xiàn)精準的軌跡跟蹤，但在涉及人機交互、復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)、精密裝配等應(yīng)用時，僅靠位置控制難以滿足柔性、安全和適應(yīng)性的需求。因此，BenYuan關(guān)節(jié)電機采用了基于FOC的力位混合控制，用于平衡剛性控制與柔性控制的需求。

圖7 控制算法框圖

核心思想是通過數(shù)學(xué)變換，將三相電流轉(zhuǎn)換為直流分量，隨后使用PD控制器將電機在位置上的偏差反饋到力矩輸出上，實現(xiàn)更精確的扭矩、速度和位置控制，同時提高效率并減少能耗。

BenYuan關(guān)節(jié)電機包含以下 5 個控制指令：

1）前饋力矩：

2）目標角度位置：

3）目標角速度：

4）位置剛度：

5）速度剛度：

在力位混合控制中，使用PD控制器將電機在輸出位置的偏差反饋到力矩輸出上：

公式中，為關(guān)節(jié)電機的電機轉(zhuǎn)子輸出力矩；為當(dāng)前電機轉(zhuǎn)子的角度位置；為當(dāng)前電機轉(zhuǎn)子的角速度。

除算法外，我們還提供簡單易用的上位機和豐富的API以方便用戶調(diào)試和進行系統(tǒng)集成調(diào)用。

總之，我們提供了從芯片、關(guān)節(jié)電機驅(qū)動器和算法的完整解決方案，為用戶的機器人產(chǎn)品開發(fā)提供全方位服務(wù)。

關(guān)節(jié)電機演示

以下是關(guān)節(jié)電機的正弦自動化測試：

從工廠到家庭：關(guān)節(jié)電機驅(qū)動智能未來

隨著機器人技術(shù)的發(fā)展，關(guān)節(jié)電機作為核心驅(qū)動部件，正推動人形機器人從工業(yè)場景走向更廣闊的應(yīng)用空間。無論是在智能制造、醫(yī)療康復(fù)、物流搬運，還是未來的家庭服務(wù)、教育陪伴領(lǐng)域，先進的關(guān)節(jié)電機都在賦予機器人更高的靈活性、精準性和智能性，為人類社會帶來深遠變革。在工業(yè)領(lǐng)域，BenYuan關(guān)節(jié)電機可廣泛應(yīng)用于智能工廠。傳統(tǒng)工業(yè)機器人多采用剛性傳動，而BenYuan關(guān)節(jié)電機結(jié)合力控和位置控制技術(shù)，使機器人能在復(fù)雜環(huán)境中柔順作業(yè)，適應(yīng)柔性制造的需求。此外，高扭矩密度和精準控制能力的特點，使得BenYuan關(guān)節(jié)電機能處理更精細的操作，例如電子元件裝配、汽車制造等高要求場景。

然而，BenYuan關(guān)節(jié)電機的應(yīng)用并不止步于工廠。隨著人形機器人正加速進入家庭場景，成為未來智能助手。家用機器人需要在復(fù)雜環(huán)境中自主移動、執(zhí)行多任務(wù)操作，如協(xié)助家務(wù)、照顧老人、陪伴兒童等。相比傳統(tǒng)電機，本原關(guān)節(jié)電機具備更輕量化、更高效的特性，使家庭機器人擁有接近人類的自然動作能力。例如，BenYuan關(guān)節(jié)電機可實現(xiàn)機器人輕松完成精細抓取，安全地與人互動，而不會造成誤傷。

在醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域，外骨骼機器人和康復(fù)機器人依賴關(guān)節(jié)電機提供穩(wěn)定的輔助力，幫助患者進行康復(fù)訓(xùn)練或增強行動能力。高精度的力矩控制和響應(yīng)速度，使這些機器人能夠適應(yīng)不同患者的需求，提供更個性化、更安全的康復(fù)體驗。

從工廠的高效生產(chǎn)到家庭的智能陪伴，關(guān)節(jié)電機正在驅(qū)動人形機器人從工業(yè)向生活延伸，塑造未來的智能世界。隨著技術(shù)不斷突破，機器人將更加靈活、智能、安全，讓智能生活真正走進千家萬戶。