「AI大咖说」第四期，机器人“关节”C位出道，一起了解重要部件“伺服驱动器”。

上世纪60年代，科幻插画中的机器人“关节”几乎由大螺丝钉结合；如今回头细想，才发现这种关节结构根本“不科学”。

到了近年，一些真人模特PS机器人身上的关节处有了明显的分割和机械结构，看上去似乎“有点意思”。

那么，真正的机器人关节运动系统到底是怎样的呢？特别是那些灵活敏捷的机器人，在多关节紧密配合下，完成精准的运动和指令，它们是怎么做到的？

6分钟搞懂伺服驱动器

——机器人灵活运动的关键所在 ∆

什么是伺服驱动器

人的运动系统，分别由骨骼、关节、肌肉构成，因骨骼位置的变化而产生运动。然而，骨骼本身是不能运动的，骨骼的运动主要靠肌肉牵引和关节转动。

伺服驱动器，就类似于人类肌肉的伸缩、牵引，是用来控制伺服电机的一种控制器，为机器人的运动系统提供着强劲动力。

伺服驱动器研究现状

随着近年机器人蓬勃发展，伺服驱动器已经得到广泛应用。目前市面上伺服驱动器的类型，包括了电驱、液压、线驱、气动，以及复合材料等形式。

伺服驱动器的主要类型

综合来看，电驱型是目前发展最广泛、技术最成熟的方向。利用电机和轴承模拟人的关节，从而控制机器人稳定行走，是机器人通常的控制方式。本期课题也将围绕这个方向展开。

电驱型伺服驱动器

· 基本构成

伺服驱动器的基本硬件构成，主要有电机、控制板、减速器、位置传感器，它们通过执行接收到的通信信号控制输出端的旋转角度，不管是什么样的产品类型和力矩大小，这四种基本组成都不可缺少，是机器人实现灵活运动的关键所在。

· 功能原理

伺服驱动器通过不同方向的组合，就成了机器人的“关节”，决定着机器人的运动方向，也就是经常听到的机器人“自由度”。比如Walker有36个伺服驱动器，就是有36个自由度。

Walker全身具备36个高性能伺服关节

要想实现机器人的精准运动，每个关节需要产生精确的输出位置和力矩。当伺服驱动器接收到主控的位置命令后，可以实时响应命令，多个舵机协调运行，就可以产生犹如人类一般灵活的运动。

· 开发类型

从开发类型上来看，伺服驱动器主要分为小型伺服驱动器和大型伺服驱动器，它是靠什么区分的呢？答案是：输出力矩。

小型伺服驱动器，优必选科技开发0.2Nm~6Nm范围，主要应用在教育、娱乐等桌面机器人上。大型的伺服驱动器，则应用在大型仿人服务机器人Walker、智能服务机器人Cruzr、机械臂等产品上。

· 大型伺服驱动器的类型

从设计方式上，大型伺服驱动器可以分为三个类型，分别是常规方案、SeriesElastic Actuator（SEA）、本体驱动器。

大型伺服驱动器的三种类型 （图片引用知乎@任赜宇 ）

第一种是常规伺服驱动器，常规电机+高减速比的减速箱+高刚度输出端，用来检测力矩输出；

第二种是SEA伺服驱动器，区别于常规方案，SEA在输出端加了一个弹性体，用位置传感器去检测弹性体的形变，从而推断出它的力矩大小，是目前的研究较多的一种设计方式；

第三种是本体伺服驱动器，高输出力矩密度电机+低减速比的减速箱，它的特点是小惯量、响应速度快。

大型伺服驱动器各类型对比 （图片引用知乎@任赜宇 ）

伺服驱动器的技术与特点

前面提到，伺服驱动器具有四个基本构成部件。其实除了这四个“基本要素”外，为了增加伺服驱动器的特性和功能，还包括力矩感知和控制、电磁制动器、软件算法、中空设计等技术设计。

· 力矩感知和控制

机器人关节力/力矩感知能够带来许多功能的突破，因为机器人在运行的时候，需要考虑到多种情况：

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那么在机器人身上，如何才能实现好力矩感知和控制呢？方式有以下几种：

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· 软件算法

不管是伺服驱动器，还是伺服电机，伺服算法大部分都是基于电机的矢量控制来扩展来进行使用的。

优必选科技的伺服软件算法提供丰富控制接口，包括高精度位置传感器、PID参数控制、各种保护机制、控制模式等，全面保护伺服驱动器的安全可靠运转，灵活应用于各种场合。

优必选科技伺服软件算法功能齐全

· 电磁制动器

电磁制动器有两种方式，第一种是转子刚性连接一个多辐条（片）装置，当电磁阀断电时，在弹簧的作用下，金属棒插入辐条之间的缝隙中，阻挡电机转子旋转；当电磁阀通电时，在电磁力的作用下金属棒收起，辐条可以跟随转子旋转。

第二种则是在上下两个金属中添加石墨片，当电磁抱闸通电吸合的时候，它对电机不制动；当断电时，抱闸就会在弹簧的作用下抱住电机转子产生制动。

电磁制动器的两种方式

不管是哪种方式，当电磁制动器加入伺服驱动器后，在软件上一定要注意控制机制。因为在高速的情况下，如果直接把金属棒插入到辐条里，非常容易打坏伺服驱动器。

· 通信

目前通讯方式应用最多的有RS485，CAN，EtherCAT等，具体选用哪一种方式，就要考虑伺服驱动器在不同机器人中的应用场景。

· 中空设计

一般的家庭应用或者服务机器人，不可能像工业领域那样在外部走线，因此伺服驱动器做成中空设计，简化外部结构，是最方便的。如果中空结构加上滑环设计，就可以实现伺服驱动器的多圈输出。

优必选伺服驱动器的研究与应用

由于构成复杂、控制精度要求高，伺服驱动器具有很高的技术门槛，成本居高不下，往往占到机器人总成本50%以上。

优必选科技自2012年开始攻克伺服驱动器的的难关，截止目前，已经设计和生产了40多种不同的伺服驱动器，掌握了从0.2Nm小型伺服驱动器，到120Nm大型伺服驱动器的量产能力，并在不同系列机器人上实现大规模应用，做到研产销链一体化。

在小型伺服驱动器上，包含了0.2~0.6Nm的范围，电压覆盖了7.4伏、11.1伏、24伏等。这些伺服驱动器目前已经实现大批量量产，广泛应用于小体积精密场景。

优必选小型伺服驱动器特点

比如拥有16个运动关节的Alpha系列，就是应用12kg·cm的伺服驱动器，支持串口通信，结构紧凑，精度高，噪音低，能够灵活实现跳舞等运动功能。

Alpha系列内含16个优必选科技自主研发的专业伺服舵机

在大型伺服驱动器上，最大的一款是120Nm，最小的是15Nm，主要应用在Walker和大型机械臂上，它的电压基本上在48V，依据电机把斜坡减速，以及高精度位置传感器的方式。

优必选大型伺服驱动器特点

这些大型伺服驱动器，分别应用在Walker的肘部、上臂、肩部前向、髋部前向、踝部前向等关节上，以此实现平稳快速的行走和灵活精准的操作。

面对这么多性能指标的伺服驱动器，在做机器人的时候，到底该怎么选择呢？根据三种不同的应用场景，来看一下伺服驱动器的选型指标及排序吧！

伺服驱动器的选型指标

桌面型的小型双足机器人，往往需要大批量的量产，因此性价比是非常敏感的要素；对于四足机器人来说，响应速度、抗冲击力、价格的指标要求比较优先；大型双足机器人的要求则要高一些，特别是控制精度、响应速度、通信实时性等。

未来研究方向

随着近几年消费机器人的热潮，不同机器人对伺服驱动器的要求也越来越高，在电驱伺服驱动器的方向，仍有不少改进空间，比如减小体积、外观流畅、提升功率密度，以达到跑和跳的动作需求。

双自由度设计也是方向之一，把两个自由度做在一个伺服驱动器里，同时产生两个垂直的输出，例如髋部，可以把前后的运动和侧向的运动做成一体，以此来节约体积和重量。此外，还有IMU惯导功能的伺服驱动器、多圈旋转模式（中空滑环设计）、具有刹车/离合功能伺服驱动器、具有弹性储能装置的伺服驱动器、新材料（如碳纤维）使用等，也是未来的重点研究发展方向。

伺服驱动器作为核心技术的布局之一，未来，优必选科技仍会继续更深的挖掘和技术的积累，致力让人工智能推动全产业发展，让智能机器人走进千家万户。