为什么电动机器人关节执行器正在取代人形机器人中的液压系统？

人形机器人正进入新的发展阶段。随着机器人平台从实验室演示逐步走向工业应用，其关节驱动系统的要求也在快速变化。

几十年来，液压系统凭借高功率密度以及应对较大动态负载的能力而受到重视。然而，人形机器人的发展正在带来一系列不同的需求重点：紧凑的尺寸、高效率、精准的运动控制、低维护需求、集成式电子元件，以及与电池供电系统的兼容性。

这推动了市场对电动机器人关节执行器日益增长的兴趣。

这一转变已经可以从领先的人形机器人平台中看到。Boston Dynamics 退役了其液压 Atlas，并推出了面向实际应用的全电动版本。该公司表示，电动 Atlas 旨在提供更强的力量和更大的运动范围，同时推动商业化应用。

对于人形机器人制造商而言，问题已不再只是电动或液压驱动是否能够产生足够的力。更重要的问题是，哪种技术能够在功率、精度、效率、集成性、可靠性和可扩展性之间实现最佳组合。

什么是人形机器人关节执行器？

一个机器人关节执行器是指在机器人关节处产生受控运动的机械与机电系统。

在电动人形机器人中，典型的关节执行器可能集成多个组件：

电机 + 精密减速器 + 编码器 + 驱动器 + 轴承 + 制动器或扭矩传感器

根据关节结构的不同，可以采用不同的传动技术。

对于旋转关节，常见解决方案包括谐波减速器、行星齿轮箱和无框架力矩电机。

对于直线关节，制造商可能采用行星滚柱丝杠、滚珠丝杠、齿轮齿条机构或其他旋转至直线的传动系统。

这一点非常重要，因为人形机器人并不会为每个关节采用单一的执行器结构。

肩部、肘部、腕部、髋部、膝部和踝部可能采用旋转执行器，而一些腿部或手臂机构则可以采用直线执行器，将电机的旋转运动转换为直线运动。

为什么人形机器人正在转向电动驱动？

转向电动驱动并不是因为液压系统突然不再适用于机器人。

液压系统仍然具备出色的功率密度、较大的输出力，以及对某些外部负载的强大承受能力。电液静液执行器的研究也在持续推进，因为 EHA 系统能够将液压动力与本地电气控制和高度集成结合起来。

然而，人形机器人提出了多项更有利于电动系统的要求。

更高的能源效率

人形机器人通常由机载电池供电。

这使得能源效率相比许多固定式液压设备更加重要。

传统液压结构需要消耗能量来驱动泵并维持流体压力，同时还需要阀门、储液罐、软管和液压回路等额外组件。

电动关节执行器可以通过电机和传动系统，将电能直接转换为受控的机械运动。

对于电池供电的人形机器人而言，尤其是在许多关节需要同时运行的情况下，这种简化的能量路径可能更具优势。

更加紧凑的系统集成

液压机器人所需的不仅仅是液压缸本身。

完整系统可能包括泵、阀门、储液罐、管路、密封件及其他液压组件。

这些组件会带来额外的空间布局和维护要求。

电动机器人关节执行器可以将电机、减速器、编码器、驱动器及其他组件更加靠近关节进行集成。

这种分布式结构对人形机器人尤其具有吸引力，因为执行器可以围绕机器人实际的关节几何结构进行设计。

制造商无需构建一个集中式动力系统并在整个机器人内部分配液压压力，而是可以将紧凑型电动执行器直接安装到各个关节中。

人形机器人的电动与液压执行器对比

需要注意的是，电动驱动并不是简单地用电机替代液压动力。

对于人形机器人而言，传动系统同样重要。

高性能电动关节需要能够产生足够转速和扭矩的电机，同时还需要精密传动系统，将电机输出转换为可用的关节运动。

精密减速器在人形机器人电动关节执行器中的作用

电机本身通常不足以直接驱动人形机器人关节。

电机通常在相对较高的转速下效率最高，而机器人关节往往需要更低的输出速度和明显更高的扭矩。

精密减速器可以弥合这一差距。

例如：

高速电机 → 精密减速器 → 低速高扭矩关节输出

因此，减速器的选择会直接影响机器人关节的尺寸、扭矩密度、回差、效率和动态响应。

这就是谐波减速器和行星齿轮箱成为电动人形机器人关节执行器重要组件的原因。

用于人形机器人旋转关节的谐波减速器

谐波减速器特别适用于紧凑型精密旋转关节。

其较高的减速比使相对较小的电机无需采用多级传统齿轮传动，就能产生较高的输出扭矩。

谐波传动的低回差特性对于需要精准定位和频繁改变方向的关节同样具有重要价值。

典型应用包括：

人形机器人的腕部、肘部、肩部、颈部关节及其他紧凑型旋转关节。

对于高度集成的设计，谐波减速器可以与无框架力矩电机、编码器、轴承和驱动器结合，构成紧凑型电动机器人关节。

对于较小型关节，HONPINE 的微型谐波减速器还可以满足安装直径和重量受到严格限制的应用需求。

用于高速和高负载机器人关节的行星齿轮箱

行星齿轮箱提供了不同的性能平衡。

其具有较高的传动效率、较大的承载能力以及处理相对较高输入转速的能力，因此适用于许多工业运动应用。

在人形机器人中，当关节需要兼具以下特性时，可以考虑行星传动：

高扭矩、高效率、高转速和强大的承载能力。

这使得行星齿轮箱特别适用于某些腿部、手臂及其他高负载电动关节设计。

因此，最佳解决方案取决于单个关节的具体要求，而不是简单地为整个人形机器人选择一种减速器技术。

为什么集成式电动关节执行器对人形机器人很重要？

人形机器人包含大量独立控制的关节。

如果每个关节都需要独立的外置电机、齿轮箱、驱动器、传感器和线缆，整个机器人就会变得更大，也更难以装配。

集成式机器人关节执行器通过将多项功能集中在一个机械模块中，解决了这一挑战。

典型的集成式电动关节可以组合：

电机 + 减速器 + 编码器 + 驱动器 + 轴承

根据执行器结构的不同，制动器、扭矩传感、STO、CAN/CANopen 或 EtherCAT 通信等附加功能也可以集成其中。

这可以减少外部布线，并简化机械集成。

对于人形机器人制造商而言，集成还可以提高装配效率，并使执行器更易于在不同机器人关节之间实现标准化。

电动驱动并不局限于旋转关节

虽然谐波齿轮箱和行星齿轮箱对机器人旋转关节十分重要，但人形机器人同样需要直线运动。

通过传动机构将电机旋转转换为直线运动，即可构成直线关节。

行星滚柱丝杠是一项重要技术，它能够在相对紧凑的结构中提供较大的承载能力和较高的精度。

这种机构特别适用于人形机器人腿部及其他需要直线力和紧凑空间布局的应用。

因此，未来的人形机器人执行器结构不太可能只依赖一种传动技术。

相反，制造商可能根据每个关节的机械要求，组合使用：

旋转电动执行器 + 谐波减速器 + 行星齿轮箱 + 直线电动执行器 + 行星滚柱丝杠

以满足各个关节的机械需求。

优秀的电动机器人关节执行器应具备哪些特点？

对于人形机器人而言，执行器选型不应仅关注额定扭矩。

工程师通常需要评估：

扭矩密度、峰值扭矩、连续扭矩、输出转速、回差、效率、热性能、关节惯量、编码器分辨率、机械刚度、通信接口，以及执行器整体尺寸和重量。

例如，人形机器人腕部可能更重视紧凑性和低回差，而膝部或髋部关节可能需要明显更高的峰值扭矩和热容量。

灵巧手则需要更高水平的小型化和精密运动控制。

这意味着理想的机器人关节执行器应针对具体应用进行设计，而不是采用通用结构。

电动机器人关节执行器最适用于哪些场景？

对于面向商业应用的人形机器人而言，电动驱动的优势尤其明显。

人形机器人手臂

电动旋转执行器可以为肩部、肘部和腕部关节提供精准的位置和扭矩控制，同时保持紧凑的机械结构。

人形机器人腿部

髋部、膝部和踝部关节需要较高扭矩、动态响应和高效的能量利用。结合适用的精密传动系统后，电动执行器可以为集中式液压系统提供一种紧凑的替代方案。

人形机器人手部

手部需要更小型的执行器和高度精准的运动。微型谐波减速器和紧凑型电机可以集成到手指关节中，适用于安装空间极其有限的场景。

工业人形机器人

对于在工厂和物流环境中运行的机器人，电动驱动在集成、维护、清洁性以及与数字控制架构兼容性方面具有优势。

随着人形机器人从研究平台走向工业应用，这一点尤为重要。例如，Boston Dynamics 已将新款电动 Atlas 定位于实际工业应用，并以 Hyundai 作为首个应用合作伙伴。

为什么电动机器人关节执行器正成为关键技术？

人形机器人的发展正在改变制造商对关节执行器的期望。

当极高的力密度和动态功率是首要要求时，液压系统仍然具有重要价值。气动系统也可用于柔顺型和专业化应用。

然而，对于计划大规模部署的电池供电人形机器人而言，电动驱动在效率、可控性、紧凑集成、清洁性和可扩展性方面提供了具有吸引力的组合优势。

Atlas 从液压驱动转向全电动驱动，正是行业发展方向的一个明确例证。

与此同时，电动驱动并不意味着每个人形机器人关节都应使用相同的电机或减速器。

未来的结构更有可能是针对不同关节进行优化的多种电动传动技术的组合。

用于人形机器人的 HONPINE 电动机器人关节执行器

HONPINE 基于精密电机、谐波传动、行星传动、编码器和集成式控制技术，开发集成式机器人关节执行器解决方案。

对于人形机器人旋转关节，基于谐波传动的关节模组能够在低回差、高扭矩密度和精准定位至关重要的应用中提供紧凑型解决方案。

对于需要不同扭矩、转速和负载特性的应用，基于行星传动的关节解决方案可以提供另一种传动结构。

HONPINE 还开发了集成电子元件和通信接口的执行器解决方案，帮助机器人制造商降低系统复杂性并简化关节集成。

这种方式使执行器结构能够适应不同的人形机器人应用，从肩部和肘部关节，到腕部、髋部、膝部、踝部及紧凑型机器人手部。

结论

从液压驱动转向电动驱动，是人形机器人工程领域的重要发展之一。

液压系统仍然强大且性能出色，但随着人形机器人向电池供电、紧凑型机械设计、精准数字控制、工业应用和批量生产方向发展，电动机器人关节执行器的优势正变得越来越重要。

这一转型的关键并不是简单地用电机替换液压缸。高性能电动人形机器人关节需要将电机、精密减速器、编码器、驱动器、轴承、传感和控制技术进行合理匹配。

对于旋转关节，谐波减速器和行星齿轮箱具有不同的性能特点。对于直线关节，行星滚柱丝杠等技术则为高力电动驱动提供了另一种路径。

随着人形机器人变得更加高性能并具备商业可行性，电动机器人关节执行器将日益成为人形机器人运动系统的核心组成部分。

HONPINE 的集成式谐波和行星关节解决方案，旨在通过紧凑、精准且可扩展的运动部件，为下一代人形机器人支持这一转型。