机器人关节设计对减速器有什么要求？

想要了解相关问题，可以下载报告《减速器行业深度研究：从人形机器人关节设计看待减速器投资机会》查看，以下内容都是根据该报告总结的，仅供参考。

人形机器人减速器选择应满足兼具轻小化、较高额定输出扭矩的要求。根 据《高扭矩仿人机器人驱动单元研究》，输出扭矩高的驱动单元往往外形尺 寸更大，但在面向多自由度、小体积仿人机器人应用时会导致关节庞大笨 重，严重影响机器人的运动性能；而较小体积的驱动单元其扭矩密度较小， 会导致人形机器人无法胜任负载需求较高的任务，从而限制机器人应用场 景。由驱动单元的情况可以看出对减速器选择上应兼顾输出扭矩高的同时 质量和尺寸更小的要求。

我们尝试通过分析人形机器人在运动或者负载过程中其对关节扭矩密度的 要求进行筛选。结合 Tesla Bot 公布的参数要求（身高 1.72m，重量 57kg， 负载 20kg，行走速度 8km/h），通过汇总当下国内针对仿人机器人的研究， 找到参数相仿的机械手臂关节以及双足关节进行分析，可进一步挑选可应 用在人形机器人关节中的减速器。

10kg 末端负载的仿人机械臂要求其减速器最大输出扭矩不低于 30Nm。人 形机械手臂一般要求其拥有搬运货物和协助操作工完成装配等任务的功能， 根据仿人机械臂的结构设计，以浙江大学团队设计的末端负载为 10kg 的仿 人机械臂为例，样机的外形尺寸为 88.5mmx35mm，总重量为 0.834kg， 其需要做往复摆臂运动，仿真后获得单个运动周期内最大扭矩为 25.64Nm， 考虑到冗余设计，减速器最大输出扭矩应不低于 30Nm。

人形机器人腿部结构和运动体系复杂，需要设计多个自由度，因此对减速 器数量和性能要求更大。人形机器人是一个非常复杂的运动体系，需要做 到平衡和灵活运动，因此在其腿部结构设计上的运动平衡和控制尤为重要。 根据 Tesla Bot 公布信息，其腿部一共配有 12 个自由度，结合相关文献显 示，广东工业大学团队设计的一款机器人中其腿部也包含 12 个自由度，分 别为髋关节 3 个自由度，包含偏航、翻转、俯仰关节；膝关节 1 个自由度， 包含一个俯仰关节；踝关节 2 个自由度，包含俯仰、翻转关节。

在与人体比例相仿的腿部环节，要求关节输出扭矩至少保证 50±5Nm 左 右。常见的仿人机器人下半身质心通常在膝关节或膝关节略高一点的位置， 因此，低功耗、高效率的腿部设计应尽可能提高质心高度，提高大腿质量 占比。根据《基于准力矩电机驱动的仿人机器人系统设计》所列指数，其 设计的产品腿部长度为 875mm，胯度 348mm，侧宽 183mm，大腿长 300mm，小腿长 350mm，总体与人体比例相仿。测试得到腿部关节输出 扭矩至少要保证 50±5Nm 左右。

针对人形机器人关节设计，我们认为用于人形机器人的减速器应具备质量 轻、结构尺寸较小、有一定输出能力、传动精度稳定的特点：

结合机器人关节对于重量、尺寸以及输出扭矩的较高要求，精密行星减速 器、RV 减速器、谐波减速器有望率先用于机器人关节。圆柱减速器、三 环减速器以及摆线针轮减速器即使将重量、体积等参数做到很小，但对于 额定输出功率将很难满足要求；低传动比的行星减速器可以通过多级传动 的方式来提升额定输出扭矩；滤波减速器虽然性能较优，但由于还处于技 术研发阶段，未能大面积商用。因此，从当下人形机器人关节设计的角度 来看，行星减速器、谐波减速器以及 RV 减速器有望率先使用。