人形机器人行业专题三之执行器系统：核心部件，顺势启航.docx

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RS-485SchunkPowercube,PDU,PR,PSM? ? ? ? ? ? ?CAN,ProfibusEtherCA,RoboSimianActuator ? ? ? ? ? ? ?RS-485NRECDriveJoint ? ? ? ? ? ? ? CANDLRLWRIIIJointUnit ? ? ? ? ? ? ? SERCOSARMAR-4Sensor-ActuatorUnit ? ? ? ? ? ? ? CANKITSensor-Actuator-ControllerUnit ? ? ? ? ? ? ? EtherCAT资料来源:北京精密,产业金融研究院弹性执行器:功率调制好,控制方式相对复杂弹性执行器主要借鉴Hill肌肉三元素力学模型,通过模拟动物利用骨骼肌肉系统在运动过程中储存和释放能量的过程,使得执行器表现出柔顺、安全和高能量效率特性。从结构上看,弹性执行器在刚性执行器基础上增加了弹性元件。根据弹性元件原理和结构设计的不同,目前市面上主要有串联弹性执行器、并联弹性执行器、离合式弹性执行器和多模态弹性执行器几类产品。串联弹性执行器SEA(SeriesElasticActuator):是在刚性执行器的驱动元件和负载间增加弹性单元,从而具有缓冲机器人触地冲击和缓解外部碰撞冲击的作用,同时还可以储存能量。但是由于弹性元件引入,系统变为欠驱动系统,运动控制精度较低。并联弹性执行器PEA(ParallelElasticActuator):弹性元件的连接方式由串联改变为并联。相对传统刚性执行器,此方案可以显著提高输出功率,降低能量损耗。根据《双足机器人腿部及其驱动器的设计理论与关键技术研究》一文,在实现平滑轨迹跟踪,尤其是在稳定性和对冲击的鲁棒性(在受冲击时仍能保持正常工作的能力)方面,机器人手部引入此方案具有优势。离合式弹性执行器CEA(ClutchedElasticActuator):是在弹性元件位置增加离合装置,控制弹性元件开合,从而能控制能量储存和释放,大幅提高了能量效率。多模态弹性执行器MEA(Multi-modeElasticActuator):是将多个执行器集成为一个系统,能够集合多方面优势。根据《双足机器人腿部及其驱动器的设计理论与关键技术研究》一文,Mathijssen等使用多个带有锁紧环和锁板的不完全齿轮作为与电机并联的间歇结构。结构表明此装置可以降低电机扭矩要求,提高效率。目前由于此方案结构复杂,系统建模和控制也十分复杂,相关技术应用案例较少。图表8:弹性执行器结构资料来源:北京精密,产业金融研究院准直驱执行器:控制方式简单,能量效率高准直驱执行器依靠电机开环力控,不依赖于附加力或力矩传感器。其优点是功率密度高,力控带宽大,抗冲击能力强等。最理想的技术方案是电机直接驱动,但受限于工艺和技术,电机直驱的扭矩密度不能满足机器人应用需求,故实践中仍然采用电机加低传动比减速器的方案。同时此方案要求负载质量和转动惯量尽可能小,故多用于机器人的低负载关节。从结构上看,准直驱执行器由高扭矩密度电机、低传动比减速器、编码器和控制板等组成。根据《双足机器人腿部及其驱动器的设计理论与关键技术研究》一文,部分设计方案在电机基座和内齿圈间增加了离合结构,用于抵挡外界冲击造成的能量损耗,保护减