伺服驱动器在机器人上的研究与应用

本文围绕伺服驱动的研究现状、技术特点等方面，结合优必选科技在伺服驱动器产品上的研究、实际应用及未来研究方向展开深度讲解。

伺服驱动器的研究现状

随着机器人的蓬勃发展，伺服驱动器的类型也越来越丰富，主要有有电驱、液压、线驱、气动及一些复合材料等形式，对于这么多的驱动形式，有些已经发展到产品阶段，但综合来看，电驱是目前发展最广泛，技术最成熟的方向。对于伺服驱动器，我们将主要介绍电驱的伺服驱动器，也是上图最左边的 Walker 机器人所使用的。

从开发上来看，伺服驱动器可分成小型伺服驱动器和大型伺服驱动器，怎样区分呢？主要看输出力矩，小型伺服驱动器的输出力矩范围为 0.2Nm 到 6Nm 之间，应用在教育、娱乐等桌面机器人上。大型伺服驱动器应用在大型服务机器人上，像 Walker、Cruzr 及一些机械臂等。同时市面上也有各种伺服驱动器，本次讲解的内容将主要涉及大型伺服驱动器，小型伺服驱动器也会讲解，可能涉及的内容不是太多。

伺服驱动器的功能主要是实现机器人的精准运动，使得每一个关节能产生精确的输出位置和力矩，机器人的每个舵机在接收到位置指令后，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。小型伺服驱动器也叫舵机，所以讲解中可能有时叫舵机，有时叫伺服驱动器，实际上是同一个东西。

从伺服驱动器的基本硬件构成来看，主要包括电机、控制板、减速器、位置传感器等部分。不论应用在哪种产品上面，或力矩大小，这四种基本的组成是不可缺少的，可能不同的伺服驱动器，它的电机类型、控制板的大小、功率和功能、减速器的类型（行星、谐波、RV）等不一样，但他们的基本构成不变。

任赜宇从应用和设计的方式上把大型伺服驱动器分为常规方案、SEA、本体驱动器三个类型，我也比较同意这种分类方式。常规方案是用常规的电机+高减速比的减速箱，输出端也是高刚度的力矩检测；SEA 是常规电机与高减速比，但与常规方案不同之处在输出端，多了一个弹性体，弹性体是弹性的形变角度，与输出的力矩成正比，用位置传感器检测弹性体的形变，从而推断出力距的大小，这是目前研究比较多的设计方式；本体驱动器，高输出力矩密度电机+低减速比减速箱，它的特点是小惯量输出、响应速度比较快，一般应用在 4 足机器人中。

上图（引用知乎 @任赜宇）主要从方案的特性，力矩测量、应用场景、技术水平和优缺点简单对比了这三种方案。常规伺服驱动器是机器人中应用比较多的设计方式，电机+大减速比齿轮+高刚度力矩传感器，它的力矩测量是基于应变片原理，形变比较小，应用场景是传统的双足人形机器人，主要优点是高频响应较好，技术比较成熟，输出力矩大，控制精度高，但同时因为高刚度，造成了动态物理交互性能较差，在大冲击的情况下容易损坏减速器。目前，在外界环境相对稳定的场景中应用比较合适。

常规方案的高刚度在 SEA 当中被弥补，SEA 是在常规方案的基础上，在输出端加入柔性弹性体，所以 SEA 是基于位置编码器的原理来测量力矩大小，也应用在双足人形机器人中。现在很多科研院所都在研究 SEA，因为它有很多优点，比如因为是柔性，所以抗外界冲击的能力比较强，而且还能达到一定储能的效果。但是因为柔性，所以刚性小，高频响应较弱，带宽比较窄，所以影响它的反应能力。在一些特定的应用场景中，要考虑它的力矩反馈的精度和因为弹性所产生的力控响应性能的折中选择。

本体伺服驱动器，它是大力矩密度电机+低减速比齿轮箱，因为是低减速比，它的效率比较高，所以可以通过电机的电流大小间接推断出输出力矩的大小。一般应用在 4 足或小的双足机器人中，现在应用也逐渐成熟。它的特点是高频响应，而且抗冲击力比较强，因为它可以把冲击传递到电机端，而电机是柔性的，所以力矩反馈相对前面两种是比较精准的，但缺点是小减速比的减速箱能量输出密度的不足，所以在大型的双足机器人中不太适用。

伺服驱动器的技术和特点

伺服驱动器的主要组成包括电机、控制板、减速器、位置传感器。但除了这几个，其实还有几个技术方向也不可缺少，它们在某些应用中也很重要，主要包括力矩感知和控制、电磁制动器（抱闸）、通信、软件算法和中空设计，下面分别介绍下。

- 力矩感知和控制

对于一个机器人来说，它的力矩感知和控制非常重要，因为机器人在运行时，要考虑到很多情况，比如考虑机器人和人的碰撞，需要保障人的安全，这时就需要知道机器人受到的外力或力矩是怎么样的，有检测功能就非常方便和精准。第二是实现柔顺牵引示教，提升人机交互体验。第三是在一些工业场所实现打磨，装配等柔顺的生产工作场景，也是需要力矩检测的，所以这种需求也逐渐成为一个必然的要求。

力或者力矩的感知实现方式有很多种，最简单的一种类似电子皮肤，直接把一块电子皮肤贴到机器人的表面，目前电子皮肤的方式发展还不太成熟，没有实现大批量的量产，但在一些实验室已经开始应用。缺点是增加了布线和设计的难度，维护成本也较高。另一种方式像机械臂，可以在机械臂末端加入多维力的传感器来进行力的感知，这是现在应用比较多的方式，它方便集成，尤其在机器人的末端，目前已经成为标准的一个成品，采购和安装也比较方便，所以应用是比较多的，但成本也不低。

在机器人或机械臂端，可以把力矩和力的感知做到伺服驱动器里，这样实现力控就更加方便，要达到这个目的有很多种实现方式，第一种可以基于关节电流的力距感知，类似于本体驱动器，只需测量电机的电流，就可以间接算出输出力矩的大小，但高减速比可能误差会大一些。第二种是 SEA，SEA 是串联弹性驱动器，它可以用弹性的形变和高精度的位置传感器来间接地测量力距的大小。再一种方式是力矩传感器，现在已经成为标准产品，可以直接安装在伺服驱动器的末端。再有就是应变片式，直接在输出轴上贴应变片，然后通过桥电路计算输出轴的形变量，进而估计力矩。对生产制造要求比较高，而且每个关节生产出来后都要单独标定。

- 软件算法

下面介绍下软件算法，无论是伺服驱动器还是伺服电机，伺服算法基本上是基于电机的矢量控制来扩展进行的，还有一些其他的算法没有大批量的应用。

我们做的伺服软件算法，功能比较齐全，包括高精度的位置传感器的处理、 PID 参数的设定、各种保护机制、控制模式，比如位置、速度、电流、力矩，尤其是大型的伺服驱动器，这几种模式都是提供的。包括各个位置、速度、电流上下限的设定，断续控制和连续控制的模式的设定，ID 自由设定，通信的校验，在线升级等。

- 电磁制动器

目前，电磁制动器有两种设计方式，上图左边是转子和辐条连接在一起，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。

第二种是右边的电磁抱闸，它是上下两个金属在电磁阀供电、断电时可以活动，中间加了一个石墨片，中间的石墨片和电机的转子卡在一起，当电磁抱闸通电吸合时，它对电机不制动，当断电时抱闸在弹簧的作用下抱住电机转子产生制动。

- 通信

目前通信方式应用最多的有：RS485，CAN，EtherCAT 等，它们各有优缺点，具体选用哪一种方式，要看伺服驱动器在机器人中的应用场景。先看下他们的特点：速率方面 EtherCAT 是最快的，可以达到 100 兆，所有通信方式都可以隔离，并且支持差分的方式，最远距离对于机器人已经足够；RS485 可以支持全双工或半双工，最多支持 32 个从节点；CAN 通信实时性非常强，节点有优先级。EtherCAT 的速率高，而且延迟特别低，几个或几十个的从节点有小于 100 纳秒的延迟，它的数据刷新率非常的快。所以，如果要求不高，可以用 RS485 和 CAN。如果整个系统控制命令的刷新率，要求在 1k 以上，可以选用 EtherCAT。

- 中空设计

关于中空设计，在一些机械臂的应用中需要走线，因为机械臂可能要串 4~7 个伺服驱动器，尤其是家庭应用或服务机器人，不可能在外部走线，线就要想办法从中间穿过去，伺服驱动器做成中空是最方便的。如果是中空再加上滑环结构，就可以实现伺服驱动器的多圈输出，功能也可以扩展。

伺服驱动器的研究和应用

优必选自 2012 年公司成立就开始做机器人的研发，但伺服驱动器的研发更早。2008 年就成立团队开始伺服驱动器的研究。因为刚做机器人时，发现伺服驱动器是机器人的一个很重要的模块，如果买现成的价格比较高，所以就下定决心把这个技术进行突破。从那时开始一直到现在，经过长期的技术积累，开发了各种各样应用于不同机器人的伺服驱动器。到目前为止，所有的款型加起来可能有 40 多款，上图是一些典型的伺服驱动器。

上图是小型伺服驱动器，最小是 2kg.cm，也就是 0.2Nm，从 0.2 Nm 到 6 Nm 的范围，电压覆盖了有 7.4V、11.1V、还有 24V，小型伺服驱动器用的都是有刷电机，所以这些伺服驱动器是大批量量产的。它的特点包括单线串行，尺寸比较小、噪音低、安装灵活方便，锁位精度高，1M 的高速通信，响应比较及时，支持输出离合保护，宽电压、兼容性比较好，支持过欠压、过流、过温等故障检测，使用寿命长，还支持固件的升级。尤其在高性价比、高寿命设计上，我们实现了很多创新设计。

上图是 12kg.cm 伺服驱动机的应用案例。12 公斤的伺服驱动器是我们公司销量最大的伺服驱动器之一，它应用在 Alpha 1、Alpha 1 Pro、教育类机器人 Yanshee 等几款机器人上。

上图是大型伺服驱动器，左上角这款是扭矩最大的一款，为 120Nm，最小的是右下角 15Nm。电压基本上都是 48V，设计方式基本上以谐波减速电机、高精度位置传感器为主。

大型伺服驱动器的特点包括：高集成度、高性价比、高同步性。高集成度怎么理解呢？就是一体化设计，各种仿真，优化设计，达到体积重量的最小化，包括控制板内嵌到伺服驱动器里。第二是高性价比，怎么实现高性价比呢？一方面找国内的一些核心零部件实现成本的最优化，之后采用严格的生产工艺，加上完备的测试流程来保证高性价比。第三个是高同步性，采用 EtherCAT 通信，多从站通信延迟小于 100ns。下图是大型伺服驱动器的应用场景。

下面简单介绍下伺服驱动器的测试。首先是 120Nm 伺服驱动器最大输出力矩测试，最大输出力矩毫无压力。接着是伺服驱动器高精度测试，如下图所示，这是 130Nm 的舵机，使用双光栅激光干涉仪测量舵机转角，输出最大误差 0.0325°，小于 0.1°的设计精度要求。

下图是 120Nm 伺服驱动器的效率曲线，实测参数在 60rpm 转速下，可以输出设计最大扭矩 120Nm；实际测试在 30rpm 下，至少可以输出 180Nm 转矩，设计余量大；通过测试，可以看到伺服驱动器的最高效率点达到 72.38%。

伺服驱动器的性能指标也比较多，那在做机器人时，伺服驱动器怎么选择？选择哪种类型的伺服驱动器？从价格、抗冲击性、通信、噪声控制精度、响应速度、功率密度等这几个方面列了下他们的优先级。应用场景分为桌面小型双足机器人、四足机器人、大型双足机器人三个。

对于桌面型的小型双足机器人，因为要大批量的量产，它的价格非常敏感，所以在选择伺服驱动器时，它的性价比、抗冲击性、通讯、实时性和噪声是比较关心的几个参数。同时对于功率密度、响应速度等要求不是太高。

对于四足机器人，它的响应速度、抗冲击力和价格是需要优先考虑的因素，尤其是价格。最近，伺服驱动器在四足上，价格还一直在下降，所以对这几个参数的指标要求是比较优先的，同时对于控制精度和噪声的要求相应较低。

对于大型的双足机器人，他的要求比较高，对控制精度、响应速度，通信的实时性、功率密度等要求都比较高。目前价格还是比较高的，所以价格、抗冲击力、噪声相对要求不是很高。但是从长期来看，降低价格、减小冲击力、降低噪音，也是未来伺服驱动器发展的目标之一。

优必选伺服驱动器未来的研究方向

未来的研究重点在大型的伺服驱动器，因为小型伺服驱动器可以实现量产，可优化的点不多，而对于大型伺服驱动器，像 Walker 等大型双足机器人的应用上还有很大的改进空间。比如现在大型机器人比较重，它的运动控制性能还比不上液压等的方式的运动能力。从电驱的方向上看，还有很多要改进的地方，比如减小体积、外观流畅、提升功率密度，达到跑和跳的动作需求等。同时伺服驱动器也有 IMU 功能，可以使得运动控制更加灵活。双自由度的设计也是方向之一，比如一个自由度要加一个伺服驱动器，但可以把两个自由度放在一个伺服驱动器里，就是一个伺服驱动器有两个垂直的输出，例如髋部，可以把前后的运动和侧向的运动做成一体，双自由度用来节约体积和重量。多圈旋转模式、带有力控功能的伺服驱动器、具有刹车/离合功能的伺服驱动器、具有弹性储能装置的伺服驱动器，采用新材料，降低重量等等，这些都是未来伺服驱动器的发展方向。