对产业链上游电机/传感器企业进行人形机器人关节模块核心技术分析

04-28 07:21

电子爱好者网报道(文章 / 人形机器人关节模块是其运动系统的核心部件，决定了机器人的灵活性、精度、负载能力和动态响应性能。关节模块主要位于人形机器人的颈部、肘部、手腕、腰部、髋骨、腿部、脚踝等部位，用于控制机器人模仿人类头部、手臂、腿部的旋转、俯仰、弯曲、拉伸和摆动。

人形机器人关节模块主要包括旋转关节模块和线性关节模块，旋转关节模块主要由伺服驱动、扭矩电机、减速器、扭矩传感器、编码器和轴承组成。线性关闭模块主要由伺服驱动、扭矩电机、螺杆、扭矩传感器、编码器和轴承组成。此外还有灵巧的手，主要包括空心杯电机、传动系统、传感器(扭矩传感器、触觉传感器)、由编码器、微轴承等组成。

人形机器人关节模块的核心技术

人形机器人关节模块的核心技术包括高扭矩密度电机设计、精密传动技术、传感器集成、传感控制集成等。这些技术共同决定了机器人的运动性能、负载能力、精度和可靠性。

高扭矩密度电机的设计，如无框扭矩电机和空心杯电机。无框扭矩电机成为机器人关节的主流动力源，具有高扭矩密度、紧凑结构和良好的散热性。其设计优化了磁场强度和绕阻结构，可以在有限的空间内导出强大的扭矩，同时降低能耗和热量，满足机器人关节高动态响应的需要。

空心杯电机以其体积小、响应快、功率密度高的特点，在灵巧手等尾端执行部件中完成了手指关节的灵活驱动。其无铁芯结构消除了涡流损耗，进一步提高了效率和响应速度。

精密传动技术包括谐波减速器、行星减速器、行星滚筒丝杠等。谐波减速器具有体积小、传动比大、精度高的优点，通过柔轮和刚轮的齿合实现高减速比传动，适用于手臂、腰部等需要灵活运动的关节。它的传动效率可以达到 90% 上述，而且背隙小，保证了运动的稳定性。

行星减速器采用多齿轮啮合结构，具有高刚度、高扭矩承载能力，适用于需要承受较大冲击的关节，如腿脚。它的模块化易于维护，成本相对较低。

行星滚筒丝杠作为线性执行器的核心部件，通过多滚筒与丝杠的滚动接触，可以实现高承载力、长寿命的直线运动。它的承载力是滚珠丝杠 3 倍数以上，且使用寿命长达数万小时，适用于轻载工况下的关节模块。

传感器集成技术包括扭矩传感器、编码器、触觉传感器等。旋转关节的扭矩监测采用一维扭矩传感器，手腕和脚踝安装六维扭矩传感器，实现多向力和扭矩的精确测量。这些传感器为机器人的力控操作提供了实时反馈，保证了抓取和操作任务的稳定性。

编码器提供高精度的位置反馈，支持关节模块的闭环控制。通过磁场变化，高分辨率磁编码器可以检测位置，分辨率可以达到微米级，显著提高了运动控制的精度。

触觉传感器集成在灵巧的手中，可以识别和抓住物体的材料、线条和受力分布。它具有高度敏感和快速响应的特点，使机器人能够完成复杂的手部操作任务。

传感控制一体化技术，即集成设计，高度集成电机、减速器、编码器、驱动器等部位，形成紧凑的模块化结构。该设计简化了机器人安装过程，提高了系统的可靠性和维护性能。通过实时控制和通信， EtherCAT、CANopen 等待通信协议，关节模块实现了与主控系统的高速数据交互。数据反馈，如实时位置、速度、电流等，支持机器人复杂运动任务的准确执行。

人形机器人关节模块及上游产业链企业

人形机器人人关节模块有很多公司，包括旋转关节模块和线性关节模块，如泰科机器人、同川精密、零差云控制、纽格尔、宇智动力、瑞研智能控制、中擎机器人等。

泰科机器人是一家自主研发生产机器人关节模块、合作机器人、伺服控制器等机器人部件的公司，例如 HJR 专为人形机器人应用开发的系列带力控转关节模块，提供定制服务，集行星滚柱丝杠、电机、编码器、拉压传感器于一体，推力强，性能强，安全可靠；结构设计精巧，整体轻量化水平进一步提高；多种规格，快速组装人形机器人，大大缩短开发进度。可达到最大推力最大速度8000N 400mm/s，最大行程 96mm，自重轻至 0.5kg。

同川精密从事R&D，生产和销售机器人和智能设备的关键部件。最近，在一次机器人展上，公司展示了其机器人关节模块。同川精密表示，其机器人关节模块开放性高，支持性强。 EtherCAT 通信协议；硬件适应性高，采用双磁编码器，配备制动器；全闭环控制可以提供高性能传动性能和强抗过载能力。全系列机器人关节模块可用于颈部旋转、俯仰、肩部旋转、肘部旋转、手腕旋转。

零差云控制表示，一个机器人可以使用。 26 个企业的 eRob 一系列关节模块，eRob 该系列关节模块包括扭矩传感器、输出端多圈绝对值编码器、精密谐波减速器、无框扭矩电机、摩擦制动保持器、电机端绝对值编码器和DC驱动器，支持 EtherCAT、CANopen、Modbus 等待多种通信协议，体积小，高度低。它最新升级的直筒 I 机器人关节 eRob 90I V6 长度缩短重量减轻，23mm 244g, 减少增长启动扭距在相同条件下，2.94Nm连续运行。 3 小时温升降近 10 ℃。

其上游伺服驱动、扭矩电机、减速器、扭矩传感器、编码器、空心杯电机、触觉传感器等公司有哪些？如服务驱动公司包括峰昭科技、雷赛智能、英威腾、固高科技、泰科机器人、R&D自动化、高创传动、华成工业控制、横川机器人、拓邦股份、德昌电机、汇川技术、泰格运输控制；扭矩电机公司包括雷赛智能、大家族电机、大象电机、泰科机器人、步科电器、零差云控制和汇川技术；减速器公司包括科盟创新、杉川谐波、同川精密、德镁精密、西格传动；

扭矩传感器公司包括耐特恩、海伯森、宇宏敏芯、新精诚、安培龙、华力创、力准传感器、科普瑞、蓝点触摸；编码器公司包括睿研智能、步科电气、零差云控制、兆威机电、汇川技术、原相技术；空心杯电机公司包括雷赛智能、鸣志电器、兆威机电、五星马达、唯川科技、金源机电、拓邦股份、双环全新、新宝达、万至达电机；触觉传感器公司包括帕西尼、钛深科技、越疆科技、松果体、墨现科技、力感科技、纽迪瑞等。

为了实现精确的力控、平衡稳定、安全防范等功能，人形机器人使用多种力传感器，如多维力传感器、扭矩传感器。宇宏敏芯最近在一个机器人展上展示了许多六维力传感器产品，例如， YHD75-200-5L，这种多维力传感器主要用于检测机器人应用、高等教学等领域的力矩和力矩。内置高精度信号采集通信模块的传感器可以实现 RS485/RS232/ETHERCAT 等待模拟信号或模拟输出。测量能力在空间功效中的所有信息，测量精度高，反应快，长期稳定性好，抗冲击能力强，应用广泛，响应速度快。

其 YHD60-150 扭矩传感器主要面向机器人应用和高等教学领域。用户可以选择多种量程，传感器内置信号采集通信模块。该扭矩传感器具有高刚性和抗过载能力，零漂移小，抗弯距能力强，正反对称性好，径向力影响小，灵敏度高，安装简单，特别适合机器人关节的扭矩测量。

新精诚可以为人形机器人的各个部位提供各种传感器，如灵巧手用单维微液位传感器、微六维力传感器、手腕脚踝用六维传感器、各关节用扭矩传感器等。新精诚也是中国最早开发六维力传感器的企业之一，可以提供世界上最小的应变六维力传感器(直径只有 9.5mm ) , 原理最全面的六维力传感器可以在国内提供，包括电阻应变式、石英压电式、MEMS 等。

写在最后

人形机器人关节模块是连接机器人各部分、驱动和控制动作的关键部件，其组成结构因关节类型而异。旋转关节模块是人形机器人关节旋转的装置，线性关节模块将电机输出旋转转换为伸缩直线运动。人形机器人各关节的灵活性离不开内部电机、传感器等部件的共同作用。

因此，我们可以看到，上游产业链中的人形机器人关节模块企业正在积极推动产品创新，共同推动人形机器人产品升级。比如灵巧手，除了电机的不断优化，手指关节更加灵活，相关企业也在积极设计更合适的触觉传感器，提高灵巧手的触觉能力，提高灵巧手的精细操作能力。

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