人形机器人黑科技解密:后空翻、动手指都靠它( 三 )


因此 , 优必选科技Walker、小米“铁大”、特斯拉“擎天柱”等人形机器人 , 都选用了稳定性、性价比更高的电机驱动方案 , 更加注重实用性 。
在电机驱动方案中 , 伺服驱动器将位置、速度、扭矩告诉伺服电机 , 伺服电机将接收到的电压信号转换为扭矩、转速 , 减速器可以增加扭矩 , 优化低速运动的平稳性 。
虽然扭矩密度远低于液压驱动 , 但电机驱动可以通过搭配减速器来加以补足 , 其现有技术已能满足机器人的多数运动需求 , 同时拥有能量转化效率、易维护、低成本、零件规整等优势 。
据一位机器人行业的资深产品经理透露 , 这一驱动方式通过位置、速度、力矩来实现对机器人的闭环控制 , 使精度更高 。 在机器人系统中 , 伺服电机能做到“说停就停、说走就走” , 让执行系统能够“绝对服从”控制系统的命令 。
因用途不同 , 用在不同机器人“关节”位置的驱动器 , 在物理指标、执行任务强度和功率方面均不相同 。 为了找出最优的驱动器方案 , 科技公司多选择定制驱动器的路线 。
例如 , 小米“铁大”全身有5种关节驱动器 , 行走时速能够达到3.6km/h 。 其上肢关节能够灵活运动 , 得益于小米为其研发的一个重量为500克、额定输出扭矩高达30N·m的高效电机 。
特斯拉研究人员利用算法为“擎天柱”定制出6款最优的驱动器 , 包含3种线性驱动器(采用永磁电机)和3种旋转驱动器(采用谐波减速器) , 以满足不同关节的效率需求并兼顾成本 。
人形机器人黑科技解密:后空翻、动手指都靠它
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▲特斯拉人形机器人的6种驱动器
其中 , 线性驱动器用于推拉 , 比如让机器人手臂向前或向后伸展;旋转驱动器用于转动动作 , 有直流电机、伺服电机、步进电机等常见类型 。 这些驱动器能驱动完成不同角度的动作 。 基于这些设计 , “擎天柱”的手腕、脚掌都能灵活转动 。
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▲特斯拉人形机器人擎天柱受人体膝关节启发设计的驱动器
从精简成6款驱动器可以看出 , 特斯拉奔向“大规模量产”、2万美元成本目标的设计思路非常明确 , 通过实现更多硬件重复可替代 , 压低总体成本 , 并让所有的驱动器都能高效工作 。
在设计过程中 , 特斯拉结合收集到的真实世界数据 , 在虚拟空间中做机器人走路、转身模拟 , 用人工智能算法反复测算扭矩、速度等数据 , 分析出能够更好兼顾质量、效率、能耗、成本平衡的最佳驱动器设计 。
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▲特斯拉人形机器人擎天柱走路模拟
在承重能力上 , 特斯拉研发的腿部线性驱动器 , 通过集成伺服电机、减速器、丝杠、传感器、一体化运动单元等零部件 , 做到了精准的速度控制、位置控制和力控制 , 在极限测试中能提起一架500kg重的钢琴 。
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▲特斯拉AIDay上腿部线性驱动器提起钢琴
除此之外 , 特斯拉“擎天柱”还有一大看点——设计出与人手非常相似的机械手 。
“擎天柱”的每只手拥有11个精细的自由度 , 结合控制软件 , 能完成像人手般复杂灵巧的操作 , 并能承担大约9公斤的负重 。 驱动器通过齿轮驱动一根金属线来控制手指弯曲 , 并集成了感应器和锁定装置 , 以更加节省能耗 。
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