准直驱执行器深度，人形机器人执行器技术的前沿

招商证券机器人系列报告（九）：准直驱执行器深度，人形机器人执行器技术的前沿

本篇报告系统性地梳理了人形机器人关节技术中较为前沿的准直驱执行器技术。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。其低成本、高响应的特点有望在未来人形机器人执行器方案中占有一席之地。在人形机器人赛道的发展过程中，准直驱执行器及其核心零部件具备极大的发展潜力，给予行业“推荐”评级。

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。

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