優必選技術專家範文華深入講解伺服驅動器在機器人上的研究與應用

出品 | 智東西公開課

講師 | 範文華 優必選技術專家

導讀：

8月24日，優必選技術專家範文華在智東西公開課進行了一場的直播講解，主題為《伺服驅動器在機器人上的研究與應用》，這也是優必選專場第6講。

在本次講解中，範文華老師圍繞伺服驅動的研究現狀、技術特點等方面，結合優必選在伺服驅動器產品上的研究、實際應用及未來研究方向展開深度講解。

同時和大家預告下，9月11日，第22屆中國國際光電博覽會同期，由智一科技旗下智能產業第一媒體智東西主辦的移動機器人3D視覺論壇將在深圳國際會展中心舉行，優必選科技副總裁、深圳研究院副院長龐建新博士將就《面向智慧機器人的視覺感知與理解》這一主題帶來分享，點擊文末海報了解詳情。

本文為此次專場主講環節的圖文整理：

正文：

大家晚上好，我是優必選技術專家範文華，今天講解的主題為《伺服驅動器在機器人上的研究與應用》，主要分為4個部分：

1、伺服驅動器的研究現狀

2、伺服驅動器的技術與特點

3、優必選伺服驅動器的研究與應用

4、優必選伺服驅動器未來研究方向

伺服驅動器的研究現狀

隨著機器人的蓬勃發展，伺服驅動器的類型也越來越豐富，主要有有電驅、液壓、線驅、氣動及一些複合材料等形式，對於這麼多的驅動形式，有些已經發展到產品階段，但綜合來看，電驅是目前發展最廣泛，技術最成熟的方向。對於伺服驅動器，我將主要介紹電驅的伺服驅動器，也是上圖最左邊的Walker機器人所使用的。

從開發上來看，伺服驅動器可分成小型伺服驅動器和大型伺服驅動器，怎樣區分呢？主要看輸出力矩，小型伺服驅動器的輸出力矩範圍為0.2Nm到6Nm之間，應用在教育、娛樂等桌面機器人上。大型伺服驅動器應用在大型服務機器人上，像Walker、Cruzr及一些機械臂等。同時市面上也有各種伺服驅動器，本次講解的內容將主要涉及大型伺服驅動器，小型伺服驅動器也會講解，可能涉及的內容不是太多。

伺服驅動器的功能主要是實現機器人的精準運動，使得每一個關節能產生精確的輸出位置和力矩，機器人的每個舵機在接收到位置指令後，可以實時響應命令，多個舵機協調運行，就可以產生猶如人類一般靈活的運動。小型伺服驅動器也叫舵機，所以講解中可能有時叫舵機，有時叫伺服驅動器，實際上是同一個東西。

從伺服驅動器的基本硬體構成來看，主要包括電機、控制板、減速器、位置傳感器等部分。不論應用在哪種產品上面，或力矩大小，這四種基本的組成是不可缺少的，可能不同的伺服驅動器，它的電機類型、控制板的大小、功率和功能、減速器的類型（行星、諧波、RV）等不一樣，但他們的基本構成不變。

任賾宇從應用和設計的方式上把大型伺服驅動器分為常規方案、SEA、本體驅動器三個類型，我也比較同意這種分類方式。常規方案是用常規的電機+高減速比的減速箱，輸出端也是高剛度的力矩檢測；SEA是常規電機與高減速比，但與常規方案不同之處在輸出端，多了一個彈性體，彈性體是彈性的形變角度，與輸出的力矩成正比，用位置傳感器檢測彈性體的形變，從而推斷出力距的大小，這是目前研究比較多的設計方式；本體驅動器，高輸出力矩密度電機+低減速比減速箱，它的特點是小慣量輸出、響應速度比較快，一般應用在4足機器人中。

上圖主要從方案的特性，力矩測量、應用場景、技術水平和優缺點簡單對比了這三種方案。常規伺服驅動器是機器人中應用比較多的設計方式，電機+大減速比齒輪+高剛度力矩傳感器，它的力矩測量是基於應變片原理，形變比較小，應用場景是傳統的雙足人形機器人，主要優點是高頻響應較好，技術比較成熟，輸出力矩大，控制精度高，但同時因為高剛度，造成了動態物理交互性能較差，在大衝擊的情況下容易損壞減速器。目前，在外界環境相對穩定的場景中應用比較合適。

常規方案的高剛度在SEA當中被彌補，SEA是在常規方案的基礎上，在輸出端加入柔性彈性體，所以SEA是基於位置編碼器的原理來測量力矩大小，也應用在雙足人形機器人中。現在很多科研院所都在研究SEA，因為它有很多優點，比如因為是柔性，所以抗外界衝擊的能力比較強，而且還能達到一定儲能的效果。但是因為柔性，所以剛性小，高頻響應較弱，帶寬比較窄，所以影響它的反應能力。在一些特定的應用場景中，要考慮它的力矩反饋的精度和因為彈性所產生的力控響應性能的折中選擇。

本體伺服驅動器，它是大力矩密度電機+低減速比齒輪箱，因為是低減速比，它的效率比較高，所以可以通過電機的電流大小間接推斷出輸出力矩的大小。一般應用在4足或小的雙足機器人中，現在應用也逐漸成熟。它的特點是高頻響應，而且抗衝擊力比較強，因為它可以把衝擊傳遞到電機端，而電機是柔性的，所以力矩反饋相對前面兩種是比較精準的，但缺點是小減速比的減速箱能量輸出密度的不足，所以在大型的雙足機器人中不太適用。

伺服驅動器的技術和特點

伺服驅動器的主要組成包括電機、控制板、減速器、位置傳感器。但除了這幾個，其實還有幾個技術方向也不可缺少，它們在某些應用中也很重要，主要包括力矩感知和控制、電磁製動器（抱閘）、通信、軟體算法和中空設計，下面分別介紹下。

– 力矩感知和控制

對於一個機器人來說，它的力矩感知和控制非常重要，因為機器人在運行時，要考慮到很多情況，比如考慮機器人和人的碰撞，需要保障人的安全，這時就需要知道機器人受到的外力或力矩是怎麼樣的，有檢測功能就非常方便和精準。第二是實現柔順牽引示教，提升人機互動體驗。第三是在一些工業場所實現打磨，裝配等柔順的生產工作場景，也是需要力矩檢測的，所以這種需求也逐漸成為一個必然的要求。

力或者力矩的感知實現方式有很多種，最簡單的一種類似電子皮膚，直接把一塊電子皮膚貼到機器人的表面，目前電子皮膚的方式發展還不太成熟，沒有實現大批量的量產，但在一些實驗室已經開始應用。缺點是增加了布線和設計的難度，維護成本也較高。另一種方式像機械臂，可以在機械臂末端加入多維力的傳感器來進行力的感知，這是現在應用比較多的方式，它方便集成，尤其在機器人的末端，目前已經成為標準的一個成品，採購和安裝也比較方便，所以應用是比較多的，但成本也不低。

在機器人或機械臂端，可以把力矩和力的感知做到伺服驅動器裡，這樣實現力控就更加方便，要達到這個目的有很多種實現方式，第一種可以基於關節電流的力距感知，類似於本體驅動器，只需測量電機的電流，就可以間接算出輸出力矩的大小，但高減速比可能誤差會大一些。第二種是SEA，SEA是串聯彈性驅動器，它可以用彈性的形變和高精度的位置傳感器來間接地測量力距的大小。再一種方式是力矩傳感器，現在已經成為標準產品，可以直接安裝在伺服驅動器的末端。再有就是應變片式，直接在輸出軸上貼應變片，然後通過橋電路計算輸出軸的形變量，進而估計力矩。對生產製造要求比較高，而且每個關節生產出來後都要單獨標定。

– 軟體算法

下面介紹下軟體算法，無論是伺服驅動器還是伺服電機，伺服算法基本上是基於電機的矢量控制來擴展進行的，還有一些其他的算法沒有大批量的應用。

我們做的伺服軟體算法，功能比較齊全，包括高精度的位置傳感器的處理、 PID參數的設定、各種保護機制、控制模式，比如位置、速度、電流、力矩，尤其是大型的伺服驅動器，這幾種模式都是提供的。包括各個位置、速度、電流上下限的設定，斷續控制和連續控制的模式的設定，ID自由設定，通信的校驗，在線升級等。

– 電磁製動器

目前，電磁製動器有兩種設計方式，上圖左邊是轉子和輻條連接在一起，當電磁閥斷電時，在彈簧的作用下，金屬棒插入輻條之間的縫隙中，阻擋電機轉子旋轉；當電磁閥通電時，在電磁力的作用下金屬棒收起， 輻條可以跟隨轉子旋轉。

第二種是右邊的電磁抱閘，它是上下兩個金屬在電磁閥供電、斷電時可以活動，中間加了一個石墨片，中間的石墨片和電機的轉子卡在一起，當電磁抱閘通電吸合時，它對電機不制動，當斷電時抱閘在彈簧的作用下抱住電機轉子產生制動。

– 通信

目前通信方式應用最多的有：RS485，CAN，EtherCAT等，它們各有優缺點，具體選用哪一種方式，要看伺服驅動器在機器人中的應用場景。先看下他們的特點：速率方面EtherCAT是最快的，可以達到100兆，所有通信方式都可以隔離，並且支持差分的方式，最遠距離對於機器人已經足夠；RS485可以支持全雙工或半雙工，最多支持32個從節點；CAN通信實時性非常強，節點有優先級。EtherCAT的速率高，而且延遲特別低，幾個或幾十個的從節點有小於100納秒的延遲，它的數據刷新率非常的快。所以，如果要求不高，可以用RS485和CAN。如果整個系統控制命令的刷新率，要求在1k以上，可以選用EtherCAT。

– 中空設計

關於中空設計，在一些機械臂的應用中需要走線，因為機械臂可能要串4~7個伺服驅動器，尤其是家庭應用或服務機器人，不可能在外部走線，線就要想辦法從中間穿過去，伺服驅動器做成中空是最方便的。如果是中空再加上滑環結構，就可以實現伺服驅動器的多圈輸出，功能也可以擴展。

伺服驅動器的研究和應用

優必選自2012年公司成立就開始做機器人的研發，但伺服驅動器的研發更早。2008年就成立團隊開始伺服驅動器的研究。因為剛做機器人時，發現伺服驅動器是機器人的一個很重要的模塊，如果買現成的價格比較高，所以就下定決心把這個技術進行突破。從那時開始一直到現在，經過長期的技術積累，開發了各種各樣應用於不同機器人的伺服驅動器。到目前為止，所有的款型加起來可能有40多款，上圖是一些典型的伺服驅動器。

上圖是小型伺服驅動器，最小是2kg.cm，也就是0.2Nm，從0.2 Nm到6 Nm的範圍，電壓覆蓋了有7.4V、11.1V、還有24V，小型伺服驅動器用的都是有刷電機，所以這些伺服驅動器是大批量量產的。它的特點包括單線串行，尺寸比較小、噪音低、安裝靈活方便，鎖位精度高，1M的高速通信，響應比較及時，支持輸出離合保護，寬電壓、兼容性比較好，支持過欠壓、過流、過溫等故障檢測，使用壽命長，還支持固件的升級。尤其在高性價比、高壽命設計上，我們實現了很多創新設計。

上圖是12kg.cm伺服驅動機的應用案例。12公斤的伺服驅動器是我們公司銷量最大的伺服驅動器之一，它應用在Alpha 1、Alpha 1 Pro、教育類機器人Yanshee等幾款機器人上。

上圖是大型伺服驅動器，左上角這款是扭矩最大的一款，為120Nm，最小的是右下角15Nm。電壓基本上都是48V，設計方式基本上以諧波減速電機、高精度位置傳感器為主。

大型伺服驅動器的特點包括：高集成度、高性價比、高同步性。高集成度怎麼理解呢？就是一體化設計，各種仿真，優化設計，達到體積重量的最小化，包括控制板內嵌到伺服驅動器裡。第二是高性價比，怎麼實現高性價比呢？一方面找國內的一些核心零部件實現成本的最優化，之後採用嚴格的生產工藝，加上完備的測試流程來保證高性價比。第三個是高同步性，採用EtherCAT通信，多從站通信延遲小於100ns。下圖是大型伺服驅動器的應用場景。

下面簡單介紹下伺服驅動器的測試。首先是120Nm伺服驅動器最大輸出力矩測試，最大輸出力矩毫無壓力。接著是伺服驅動器高精度測試，如下圖所示，這是130Nm的舵機，使用雙光柵雷射幹涉儀測量舵機轉角，輸出最大誤差0.0325°，小於0.1°的設計精度要求。

下圖是120Nm伺服驅動器的效率曲線，實測參數在60rpm轉速下，可以輸出設計最大扭矩120Nm；實際測試在30rpm下，至少可以輸出180Nm轉矩，設計餘量大；通過測試，可以看到伺服驅動器的最高效率點達到72.38%。

伺服驅動器的性能指標也比較多，那在做機器人時，伺服驅動器怎麼選擇？選擇哪種類型的伺服驅動器？從價格、抗衝擊性、通信、噪聲控制精度、響應速度、功率密度等這幾個方面列了下他們的優先級。應用場景分為桌面小型雙足機器人、四足機器人、大型雙足機器人三個。

對於桌面型的小型雙足機器人，因為要大批量的量產，它的價格非常敏感，所以在選擇伺服驅動器時，它的性價比、抗衝擊性、通訊、實時性和噪聲是比較關心的幾個參數。同時對於功率密度、響應速度等要求不是太高。

對於四足機器人，它的響應速度、抗衝擊力和價格是需要優先考慮的因素，尤其是價格。最近，伺服驅動器在四足上，價格還一直在下降，所以對這幾個參數的指標要求是比較優先的，同時對於控制精度和噪聲的要求相應較低。

對於大型的雙足機器人，他的要求比較高，對控制精度、響應速度，通信的實時性、功率密度等要求都比較高。目前價格還是比較高的，所以價格、抗衝擊力、噪聲相對要求不是很高。但是從長期來看，降低價格、減小衝擊力、降低噪音，也是未來伺服驅動器發展的目標之一。

優必選伺服驅動器未來的研究方向

下面主要介紹大型的伺服驅動器，因為小型伺服驅動器可以實現量產，可優化的點不多，而對於大型伺服驅動器，像Walker等大型雙足機器人的應用上還有很大的改進空間。比如現在大型機器人比較重，它的運動控制性能還比不上液壓等的方式的運動能力。從電驅的方向上看，還有很多要改進的地方，比如減小體積、外觀流暢、提升功率密度，達到跑和跳的動作需求等。同時伺服驅動器也有IMU功能，可以使得運動控制更加靈活。雙自由度的設計也是方向之一，比如一個自由度要加一個伺服驅動器，但可以把兩個自由度放在一個伺服驅動器裡，就是一個伺服驅動器有兩個垂直的輸出，例如髖部，可以把前後的運動和側向的運動做成一體，雙自由度用來節約體積和重量。多圈旋轉模式、帶有力控功能的伺服驅動器、具有剎車/離合功能的伺服驅動器、具有彈性儲能裝置的伺服驅動器，採用新材料，降低重量等等，這些都是未來伺服驅動器的發展方向。