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壹. 一体化关节模组的硬件系统概述：1.1 一体化关节模组的硬件系统架构
1.2. 工作原理（有点啰嗦，可以直接往下）1）输入信号与控制器：
输入信号首先进入控制器，控制器对信号进行处理与分析，计算出系统运行所需的参数（如运动轨迹、速度、力度等），并将处理后的信号传递给伺服驱动器。2）伺服驱动器驱动电机：
伺服驱动器接收控制器的信号后，对电机（空心杯电机或无框力矩电机）进行精准驱动，调节电机的转速、扭矩等参数，确保电机按预定要求运转。3）执行机构动作：
电机的输出传递至执行机构，执行机构包含两类关节：线性关节：通过丝杠（滚珠丝杠或行星滚柱丝杠）将电机的旋转运动转化为直线运动，实现线性位移。旋转关节：通过减速器（行星减速器或 RV 减速器）降低转速、增大扭矩，实现旋转运动。最终，执行机构带动末端执行器件（如机械抓手、加工工具、灵巧手等）执行具体任务。）4）传感器检测与反馈：
传感器实时检测执行机构及末端器件的状态（如位置、速度、力反馈等），并将数据传递给检测与反馈器件。该器件将信息反馈至控制器，形成闭环控制5）闭环调节：
控制器根据反馈信号与输入信号的偏差，实时调整输出，修正执行机构的动作，确保末端执行器件精确完成任务，实现系统的高精度、稳定性与可靠性。整个流程通过 “信号输入→处理驱动→执行动作→检测反馈→调节优化” 的循环，保障系统高效、精准地运行。 1.3 一体化关节模组爆炸图
贰. 一体化关节模组硬件技术点科普，技术瓶颈及可行方案 2.1 入门篇：知识普及 2.1.1 无框力矩电机： 电机为电器或各种机械提供驱动力，基本原理为电磁感应定律一电能在线圈上产生旋转磁场，并推动转子转动。 而无框力矩电机是一种以输出扭矩为衡量指标的无框架式永磁电机，只有定子和转子，无轴，轴承，外壳和端盖等。 1）定子与关节壳体通过耐高温树脂胶粘接或过盈配合连接，转子与电机轴通过树脂胶粘接。其大直径长度比和多磁极对保证了大扭矩输出性能和低转速特性。 2）转子是电机中旋转的部分，定子是固定的部分。转子通常是内部部件，由带永磁体的旋转钢圆环组件构成，安装在机器轴上，定子是外部部件，环绕钢片和铜绕组，以产生电磁力，整个结构呈中空，方便内部走线。 3）优势： - 极高的刚度：无框力矩电机可以作为直驱动力源，不需要皮带和皮带轮，丝杠或齿轮箱，就能直驱负载。 - 效率高：直接集成到机器的结构中，少了传动，效率高。 - 静音：直接集成到机器的结构中，少了传动甚至不用减速器，带来明显的静音效果。 - 稳定性高：直接集成到机器的结构中，减少了所用的零件种类及数量，机器更易稳定工作（越简单，系统越稳定）。 - 安装方便：利用配合公差和工业粘合剂安装到机器外壳即可，占用空间小，适合机器人驱动集成化。 （~不接受抬杠，这里说的都是相对优势~） 4）技术点知识普及： - 无框力矩电机的转子与电机轴的连接方式有三种：螺栓连接，粘接（使用高强度的粘结剂，如环氧树脂等，将转子粘接到电机轴上），夹固。 - 多磁极对：多磁极对的设计可以让电机在较低的转速下产生较大的转矩。定子绕组通电后产生磁场，与转子的多磁极对相互作用，就像多个 “小磁铁” 和定子的磁场相互吸引、排斥，从而驱动转子转动。一般来说，电机极对数越多，在相同条件下，转矩越大。 - 不同电机的绕组方式、磁路结构、气隙长度等设计因素都会影响转矩。 - 某些多磁极对电机采用优化的绕组分布和磁路设计，可以提高转矩密度和效率，进一步增加转矩输出。 - 扭矩密度：扭矩密度是指电机或动力系统在单位体积或重量下所能提供的扭矩，常用单位为牛·米每立方米（Nm/m³）或牛·米每千克（Nm/kg），如天链机器人的扭矩密度达 450Nm/kg。 - 功率密度：功率密度是指电机在单位体积或重量下电机的输出功率，通常以瓦特每千克（W/kg）。如特斯拉自研无框力矩电机，峰值功率密度 2.8kW/kg。 - 通过超薄硅钢片（如0.2mm）和高槽满率设计提升扭矩密度。 A. 电机定子通常由硅钢片叠成，薄硅钢片能减少涡流损耗，提高电机效率。 B. 薄硅钢片还可以使定子的齿和槽更薄、更密集，增加定子的槽数，为绕组提供更多的空间，从而在相同体积内容纳更多的铜线，进一步提高电机的扭矩密度。 C. 电机定子的槽内绕组填充率即槽满率，它越高，定子槽内铜线越密，相同体积内铜线越多，电机通过电流产生的磁场越强，从而提高扭矩密度。 图1：无框力矩电机结构图
2.1.2 减速传动: (一) 谐波减速机： 1）谐波减速器是一种用于降低转速、增加扭矩并提高精度的机械装置。由柔轮（外齿）+刚轮（内齿）+波发生器（椭圆形轮毂和+薄壁轴承）+柔性轴承等组成。 柔轮是其中的一个薄壁柔性圆筒，与波发生器和圆盘（刚轮）一起协同工作。当波发生器旋转时，它迫使柔轮的外缘与刚轮的内部齿啮合。柔轮的弹性变形使得它能够在不同的位置与刚轮的齿啮合，从而实现精确的传动。 定制减速机一般选用一体式高扭矩加长凸轮轴结构，柔轮为中空翻边结构，无框力矩电机转子直接连接在加长凸轮轴上。凸轮轴是一种机械设备中的关键部件，通常用于将旋转运动转换为往复运动，或者改变运动的速度和方向。在一体化关节模组中，凸轮轴则与减速机和电机配合，用于精确传递扭矩和运动。 图2：谐波减速机结构图 2）技术点知识普及： - 柔轮传动原理：波发生器使柔轮在轴向上产生弹性变形，形成椭圆形状，与刚轮的内部齿啮合。随着波发生器的旋转，柔轮的椭圆形状不断变化，使得柔轮和刚轮之间的啮合位置不断移动，从而实现运动的传递。 - 柔轮，其材料疲劳寿命限制，需突破高分子复合材料工艺，如：采用镍基高温合金（如 Inconel 718），寿命突破 2 万小时，回程间隙<1弧分。 - 一体式意味着凸轮轴与减速机的其他关键部件（如柔轮、波发生器）被设计成一个整体。 - 一般凸轮轴与电机轴采用法兰连接方式，但在一些对空间要求较高且需要高扭矩传递效率的关节模组中，会采用过盈配合的方式将电机轴与凸轮轴紧密结合，必要时还会辅助以粘接剂，以增强连接的强度和可靠性，使二者成为一个紧密的整体，实现扭矩的高效传递。 (二) 行星减速器： 其减速原理较为简单：当太阳轮在伺服电机的驱动下旋转时，与行星轮的咬合作用促使行星轮产生自转，同时，由于行星轮与另外一侧的内齿圈咬合，在自转驱动力的作下，行星轮将沿着与太阳轮旋转相同的方向在环形内齿圈上滚动。行星轮围绕太阳轮公转的速度比太阳轮的转速低，实现减速效果。精度较低，技术壁较低，暂不细讲。 图3：行星减速器结构图 (三) 行星滚柱丝杠：应用直线运动场景 1）行星滚柱丝杠是一种关键的传动部件，它能够将电机的旋转运动转换为直线运动，从而实现关节的伸缩等功能。行星滚柱丝杠以丝杠旋转作为驱动，通过丝杠与滚柱之间的螺旋运动，由滚柱带动螺母做直线运动。 图4：行星滚柱丝杠结构图 2）技术点知识普及： -丝杠：相当于传动系统的“太阳轮”，通常为多头螺纹，电机带动其旋转，是主动件，将旋转运动传递给滚柱。 -滚柱：类似行星轮系中的“行星轮”，是单头螺纹，两端有小齿轮与内齿圈相啮合。滚柱在丝杠和螺母之间滚动，既做公转又做自转，将丝杠的旋转运动传递给螺母。其与丝杠和螺母的螺纹啮合，实现运动和动力的传递。 -螺母：带有内螺纹，相当于传动系统的“外齿圈”，和滚柱的外齿圈啮合。滚柱的公转和自转驱动螺母做直线运动，输出直线运动。 -内齿圈：安装在螺母上，与滚柱两端的小齿轮啮合，保证滚柱均匀分布并跟随丝杠旋转，维持传动的平稳性和精度。 -滚柱保持架：确保滚柱均匀分布在丝杠周围，防止滚柱之间相互碰撞和干涉，维持传动的平稳性和精度。 -弹簧挡圈：用于定滚柱保持架，防止其轴向移动，确保滚柱保持架的稳定性和可靠性
2.1.3 中空编码器： 大部分采用双编码器方案，通过控制补偿谐波减速机背隙，提高关节输出旋转精度。包含电机端的绝对值编码器（绝对位置），输出端多圈绝对值编码器（角度），电机端的增量式编码器（速度及相对位置），编码器位数一般选用 16-20 位。 1）技术点知识普及：- 编码器是将信号或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备是一种用于测量转速、转角或线性运动的传感器。
- QDD准直驱，使用的编码器是位置传感器。位置传感器的作用是检测主转子在运动过程中的位置，将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，以控制它们的导通与截止，使电动机电枢绕组中的电流随着转子位置的变化按次序换向，形成气隙中步进式的旋转磁场，驱动永磁转子连续不断地旋转，电机控制器通过接受位置传感器信号来让逆变器换相与转子同步来驱动电机持续运转。2.1.4 力矩传感器： 用于准确测量一体化关节输出端力矩，便于实现机器人的力矩控制、碰撞检测、阻抗控制等先进动力学控制算法。安装力矩传感器的关节需进行力矩标定测试，精确拟合关节的力矩系数。 2.1.5 伺服驱动器： 将控制信号转化为电机驱动电流，实现速度、位置、扭矩的闭环控制。 采用基于 FPGA（多种高速数据采集且并行处理）+ARM（系统控制及管理）+DSP（复杂算法运算） 分布式 CPU 架构的设计，全数字式驱动控制技术，硬件结构简单，参数调整方便，可集成复杂电机控制算法和智能化控制功能，如增益自动调整、网络通信等。EtherCAT 主从站通信技术保证了各关节的高实时性和高可靠性。 1）硬件系统组成：- 整流电路：将输入的三相交流电或单相交流电转换为直流电，为后续的逆变电路提供直流电源。 - 逆变电路：将整流电路得到的直流电转换为三相交流电，输出给伺服电机，驱动电机运转。 - 控制芯片（如DSP）：作为伺服驱动器的核心控制器，执行复杂的控制算法，实现对电机的精确控制。控制芯片根据接收到的控制指令和电流传感器反馈的电流信号，通过PID控制算法等对电机进行精确控制。PID控制器不断调整电机的运行参数，确保电机在目标位置运转，实现高精度的运动控制。 - 电流传感器：检测伺服驱动器输出电流的大小，并将电流信号反馈给控制系统，以便控制系统能够实时了解电机的运行状态并进行相应调整。 - 制动电路：用于加快电机的制动速度，同时避免制动时电机产生的电压对相关电路造成损坏。 - 电源指示电路：用于指示伺服驱动器的电源状态，方便操作人员了解设备的运行情况。 - 保护电路：具备过压、过流、欠压等保护功能，能够实时监测伺服驱动器的工作状态，当出现异常时及时采取保护措施，防止设备损坏。 - 通信接口：用于与上位机或其他控制系统进行通信，接收控制指令并反馈电机的运行状态信息 2）技术点知识普及：三环控制（电流环→速度环→位置环） 位置环确保电机精确定位 速度环优化电机的动态响应 电流环提供稳定的转矩输出 三者的协同作用使电机能够快速、准确地响应控制指令，满足机器人对精度和动态性能的要求。 - 电流环：电流环是伺服系统的最内环，也是基础控制环，输入信号通常来自速度环的输出，速度环的PID调节器根据速度偏差计算出所需的电流给定值。电流环的反馈信号来自驱动器内部的电流检测电路（如霍尔传感器），实时检测电机绕组中的电流。 A. 电流环根据给定电流与反馈电流的差值进行PID调节，输出PWM信号控制电机的相电流，使电机输出相应的转矩。电流环的响应速度最快，能快速调节电机的电流，从而实现对电机转矩的精确控制。 B. 电流环直接控制电机的转矩输出，是实现速度和位置控制的基础。它能快速响应电机负载变化，提供所需的驱动力，确保电机稳定运行。 - 速度环：速度环的输入信号来自位置环的输出，位置环的PID调节器根据位置偏差计算出速度给定值，同时会加入前馈控制以提高系统的动态性能。速度环的反馈信号来自电机编码器，编码器检测电机的实际转速，并将转速信号转换为电信号反馈给驱动器。 A.速度环对给定速度与反馈速度的差值进行PID调节，输出电流给定值给电流环。速度环调节电机的转速，使其快速、准确地跟踪速度给定值，同时具备一定的抗负载扰动能力，保证电机在不同负载条件下稳定运行。 B.速度环实现对电机转速的精确控制，优化关节运动的速度动态跟踪性能，确保关节按照预定的速度轨迹运动。 - 位置环：输入信号通常是外部控制器（如运动控制器）发送的脉冲信号或位置指令。位置环的反馈信号来自电机编码器，编码器检测电机的实际位置，并将位置信号转换为脉冲信号反馈给驱动器。 A.位置环根据给定位置与反馈位置的偏差进行PID调节，输出速度给定值给速度环。位置环的调节使电机带动负载精确地定位到目标位置，具有高精度的定位能力，确保关节的运动精度。 B.位置环实现对电机位置的精确控制，保证关节按照预定的位置轨迹运动，是实现机器人精确操作的关键环节。 2.1.6 关节制动器： 一体化关节有齿销式和摩擦片式两种制动器方案。齿销式制动结构简单成本低，但存在抱闸间隙问题；摩擦片式制动器更适合一体化关节使用，但质量和成本较高，且存在紧急断电情况下无法打开抱闸的情况。
2.1.7 一体化关节模组知识点总结： 1）旋转关节模组 Q：旋转驱动器为什么不选取单电机方案？ A：人形机器人的旋转驱动器在实际应用中的扭矩要求较高，单电机方案无法满足需求。通过搭配减速器的方式可以放大力臂，从而大幅提升输出扭矩，满足实际场景需求。 Q：不同类别减速器的选型理由是什么？ A：在电机扭矩密度难以显著提升下，电机输出扭矩越大，重量越重或体积越大。在大扭矩电机情况下，可以搭载低减速比减速器（行星等），此方案具备经济性优势；小扭矩电机情况下，搭载高减速比减速器（谐波等），此方案具备小体积优势。 Q：旋转驱动器是否必须搭配力矩传感器？
A：力矩透明度是决定是否加装力矩传感器的关键。高减速比减速器的力矩透明度低，需要加装力矩传感器进行测量；低减速比减速器力矩透明度较高，可以使用电流环控制，加装力矩传感器不是必选项。 注：力矩透明度指的是关节控制系统能够精确反映实际施加于关节上的外力矩的能力。本质上描述的是电机轴的电流变化与输出轴实际负载力矩变化之间的对应关系 Q：不同旋转驱动器方案的优劣势对比？ A：基于不同选型思路，旋转驱动器主要分为刚性（技术成熟）、弹性和准直驱（经济性高）三种驱动器方案。 【刚性驱动器方案】搭载大减速比减速器（例如谐波、RV减速器），优势是关节体积小、输出扭矩密度高，劣势是透明度低，需搭载力/力矩传感器。 【弹性驱动器方案】通过串联或并联弹性体提升关节的柔顺性；弹性驱动方案控制复杂、精度较低，在人形机器人中的应用具备较大潜力。 【准直驱驱动器方案】搭载小减速比减速器（例如行星、针摆减速器），优势是透明度高，可采用电流环控制，柔顺性表现好，劣势是扭矩密度低。 Q：如何提升扭矩密度？ A：目前提升扭矩密度主要通过两种方式：
①提升电机输出扭矩密度 ②提高减速器减速比。 但是电机提升扭矩密度的难度较高。从电机角度来看，提升扭矩密度主要可以通过三种方式：
①采用外转子结构 ②扩大电机半径 ③通过绕线结构提升电机功率密度。 后面两种方式都不太合适，外转子电机比内转子电机的输出扭矩更高。 内转子电机线圈固定在外壳，主轴为转子，通常极数少、转速快，转动惯量更小，扭矩小。外转子电机的线圈在内部，相对而言极数更多、转速更慢，转动惯量更大，相同电流下输出的扭矩更大。
2）线性关节模组 Q：直线驱动器方案为什么选择“电机+丝杠”？ A：人形机器人直线驱动器的要求：良好的刚性表现和较高负载能力、精密的线性运动控制、柔顺连续的直线运动性能。人形机器人双足、双臂采用连杆结构，连杆末端采用“电机+丝杠”结构，能够满足刚性、载荷、运动精度和连续性要求，且伺服电机能够满足直线运动的力矩、精度要求，所以无需搭配减速器。 Q：直线驱动器对自锁性能的要求？ 由于直线驱动器需要配合实际场景频繁执行前进、后退运动，所以相较于自锁性能，直线驱动器更需要丝杠具备运动可逆的性能。综合来看，滚柱&滚珠丝杠可以满足人形机器人的自锁需求。
在少数场景下，直线驱动器需要自锁功能，其实现方式主要包括：
①使用本身具备自锁功能的T型丝杠，但是T型丝杠存在精度差、传动效率低等劣势，其应用弊端显著
②使用滚柱&滚珠丝杠，加装具备自锁功能的电机或设备，此方案在保留滚柱&滚珠丝杠优势的同时实现自锁功能。
2.2 进阶篇：技术瓶颈及可行方案（有些方案未测试验证，只提供思路） 2.2.1 高精度传动部件的技术瓶颈 1）谐波减速器寿命与精度衰减矛盾： Q：高端谐波减速器（如特斯拉Optimus使用的减速器）寿命不足（<1万小时），长期使用后背隙增大，导致定位精度下降。 S：采用碳化硅轴承替代传统金属轴承，提升耐磨性。如天链机器人谐波减速器号称寿命提升至3万小时（未看到测试数据，待确认）。开发自修复纳米润滑涂层，减少摩擦损耗。 2）行星滚柱丝杠承载能力与成本矛盾 Q：行星滚柱丝杠承载能力是滚珠丝杠的3倍，但成本高达数千元/套，且批量生产良率低 S：将丝杠与轴承集成，减少零件数量，采用粉末冶金工艺制造滚柱，大大降低成本，但可靠性待确认。 2.2.2 散热，紧凑性，续航短板之间平衡 1）高功率密度下的散热难题 Q：无框力矩电机峰值效率可达95%，但持续高负载运行时铜损占比超45%（铜损就是能量转化为热量），同时关节模组功率密度超过500W/kg时，温升可达75℃甚至更高，影响电机效率和寿命。 S：采用新的绕组方式（如分数槽集中绕组），将铜损大大降低，微通道液冷，在减速器壳体嵌入微通道（通道宽度<1mm），散热效率大大提升；在电机定子内填充石墨烯-石蜡复合相变材料，吸热熔化后通过散热片导出（可吸收瞬时高热负荷），实现被动散热，使持续运行温度稳定在 65℃。 2）轻量化与结构强度冲突 Q：轻量化设计，导致关节抗冲击能力下降 S：采用 碳纤维-钛合金复合结构，关节壳体采用碳纤维骨架+钛合金蒙皮，重量大大减轻，抗弯强度大幅提升， 仿生结构设计，模仿人体骨骼中空多孔结构，兼顾轻量化与抗冲击。 3）电池能量密度限制 Q：当前主流锂电池能量密度约 250Wh/kg，人形机器人续航普遍不足 2 小时。固态电池量产进度滞后，实测能量密度还未到理想值（如400Wh/kg） S：采用混合架构， "锂电池+超级电容" 双电源系统，在跳跃等瞬时高功率场景下由超级电容供电，大大延长电池寿命。通过碳化硅SiC或GaN的热功率器件，降低热损耗；参考汽车的能量回收技术。 2.2.3 智能控制与通信瓶颈 Q：当前主流控制器通信延迟约1ms，无法满足动态平衡控制需求（需< 0.5ms），EtherCAT 协议虽支持28轴同步，但跨网段通信抖动达±20ns，影响轨迹跟踪精度。 S：采用高端TSN 芯片实现 μs 级通信精度（参考汽车自动驾驶系统通信方案）。构建物理关节-数字模型实时同步链路，误差控制在 0.01mm以内。 2.2.4 传感器精度与可靠性瓶颈 Q：±0.05%FS精度传感器（如博世产品）价格超万元，国产替代品精度仅±0.1%FS，需平衡灵敏度（0.1N分辨率），抗过载能力（500% FS）还需要考虑标定样本点等，传统应变片式结构难以兼顾、 S：开发硅基微加工六维力传感器，结构创新，或自动化生产线，成本大大降低，或同一关节安装2-3个低精度传感器，通过滤波算法提升综合精度。 注：500% FS” 表示力矩传感器的过载能力为额定载荷的 5 倍。 | 
