准直驱执行器行业专题报告：人形机器人执行器技术的前沿.pdf

准直驱执行器行业专题报告：人形机器人执行器技术的前沿。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。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。

准直驱执行器的核心部件包括电机、减速器、轴承、控制器和编码器。1）电 机：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，常用无刷 直流电机。2）减速器与轴承：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，行星减速器和摆 线针轮减速器是准直驱执行器常用减速器。3）控制器：控制器的核心硬件是 控制芯片，常用芯片包括 MCU、FPGA、DSP 三种。4）编码器：双编码器 方案解决了回零位问题，更适合准直驱执行器。

准直驱技术取得了更低的成本、更快的响应速度，舍弃了一定精度与更高扭矩。 由于准直驱执行器减速器成本更低以及节约了大量力/力矩传感器成本，所以 准直驱执行器比刚性、弹性执行器成本低。准直驱执行器采用电流环力控，力 控精度低于刚性执行器，但高于弹性执行器，存在 2%-5%的误差。准直驱执 行器使用小减速比减速器，扭矩放大作用小，因此舍弃了更高的扭矩。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。

准直驱技术的发展方向：更高的扭矩密度和更高的带宽。1）材料：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。PEEK、连 铸球铁等轻量化材料有助于提高执行器扭矩密度。2）设计：增加电机间隙半 径，如外转子电机方案，可以增加扭矩密度。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。 3）热管理：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。4）提高带宽：提高电流 环响应的速度、采用计算速度更快的控制器、改进 PID、滑模控制等运动控制 算法。