预计在未来 10 到 15 年内，人形机器人将成为价值高达 60 多亿美元的一大商机1。许多实验室、研究机构和新创公司已经注意到这一点，正在争相开发概念和原型，以便在竞争中取得优势。 当然，该目标必须是设计和打造出一种可以随时制造并投放市场的机器人 — 即一种客户能接受的人形机器人。
由于缺乏成熟机器人公司所拥有的开发和制造资源，通常诞生于学术机构的设计团队首先会从解决他们最了解的难题入手。 对于机器人运动控制来说，这意味着要从控制机器人关节运动的执行器概念着手。
例如，执行器概念可能始于一篇博士论文，最初的目标是让单轴符合某个特定规格。 然而，人形机器人可以轻松集成 40 个或更多关节，而对关节的运动控制要求也有所不同 — 从必须承载和平衡机器人全部重量的脚踝、膝盖和髋部，到必须在大幅运动控制范围内精确操纵负载的肩膀、肘部和手腕。
从单轴初始概念到多轴工作原型，这一过程中需要对执行器进行设计并确定其尺寸，以满足人形机器人所有关节的多种不同要求。 根据最初的执行器概念，将这种大规模集成付诸实践，正是实现可制造和可销售人形机器人的主要障碍。
科尔摩根拥有丰富经验，可帮助机器人工程师将概念从制图板变为极具适销性的成功产品。 以下三个技巧可帮助您实现集成度高、功能强大的人形机器人。
1：从开始阶段实施简化
在整个人形机器人中，执行器必须满足不同的目标，因此简化整体设计是一项挑战。 许多工程团队会从设计和优化单个执行器开始，但他们最终必须解决如何使整个机器人概念协同运作的问题。
这通常需要超越研发阶段，进入投资阶段，吸引风险投资，使公司能够自给自足。 这可能需要多次原型迭代，才能获得具备理想功能的机器人。 当设计确定后，还必须扩大解决方案的规模，以便向市场提供销售或服务。
正是在这产品化阶段，公司可能会发现其开发过程中隐藏的风险：尽管机器人原型运行良好，但规模化制造却很困难或成本高昂。 人形机器人非常复杂，运动部件众多，在设计阶段很容易忽视可制造性。 过晚发现可制造性问题，意味着需要进行成本高昂的重新设计，或者只能继续制造成本过高的机器人，并且可能面临不被市场接受的局面。
为了最大限度降低这种风险，我们建议从一组执行器设计开始，这些执行器具有共同的基本架构，但可灵活调整尺寸和转矩，以满足人形机器人整个身体不同关节的需求。 研发阶段完善的执行器或许在特定手臂或腿部关节上运作良好，但可能过于笨重或昂贵，无法很好地用于整个机器人设计中的其他关节。
为了控制成本并确保可制造性，应在具有类似功能的关节中使用通用设计元素（如旋转或线性传动等），同时确保可根据需求扩大或缩小设计尺寸。 通过在开始阶段采用全系统方法，可以简化将电机和其他关节组件集成到机器人产品化设计中的过程。
2：选择能满足大多数或所有关节需求的齿轮和电机设计
在人体运动控制中，膝关节、髋关节、肩关节、肘关节和许多其他关节都会以高度动态的方式协同运作。 为了模拟此类功能，人形机器人可能需要 40 度或更多自由度。 您的工程团队必须对其中每个轴进行建模，以了解各变速箱输出端的精确转矩要求。
在这项分析的基础上，您可以为每个关节指定合适的传动装置。 我们认为，电机设计必须以减速机设计为基础，而不是与之相反。 对于大多数人形机器人关节而言，谐波减速机（又称为应变波减速机）可实现轻质、紧凑且零齿隙的关节，这对于优化机器人的整体尺寸和精度至关重要。
谐波变速箱的齿轮减速比通常在 80:1 到 180:1 之间。 为了让人形机器人在不可预知的环境中保持平衡并有效工作，它们需要能够相对快速地加速/减速的关节。 针对此类齿轮组，您将需要配备能在广泛的速度范围（包括 2000 rpm 或更高速度范围）内提供稳定转矩的电机。
为了控制成本并确保可制造性，应寻找现成的谐波减速机，其尺寸应满足尽量增设大量旋转接头的要求。 然后再寻找相应的电机设计，其规模和性能能够满足您为所选谐波变速箱确定的直径、速度和输出转矩额定值要求。
3：使用科尔摩根的TBM2G 无框伺服电机简化集成过程
实际上，目前市场上几乎所有无框伺服电机都是为机器人关节以外的用途而设计。 例如，为无人机设计的电机只能在狭窄的速度范围内提供出色转矩。 科尔摩根的 TBM2G 电机则与众不同。 此系列电机专为机器人量身打造。
TBM2G 电机的尺寸可轻松集成到广泛使用的谐波减速机中，十分适合用于机器人关节。 其有各种尺寸可供选择，几乎适用于所有人形机器人关节，例如从较大的髋关节和膝关节到更紧凑的肩膀、手肘和手腕等部位。 大多数无框架电机只有两种或三种框架尺寸，而 TBM2G 电机则提供七种不同的直径（从 50 毫米到 115 毫米），以及 8 毫米、13 毫米和 26 毫米三种叠片长度，共计 21 种尺寸。
此外，这类电机的设计还能在整个速度范围内提供一致的转矩，满足极具动态的运动控制要求，使人形机器人从许多其他机器人应用中脱颖而出。 而且，它们在最高绕组温度仅为 85°C 的情况下，仍能提供卓越的性能。 而其他同类电机只有在高达 155°C 的温度下，才能充分发挥性能，这种温度会使齿轮润滑剂迅速变质，并影响电子反馈元件的可靠性。
更多建议：与专家合作
科尔摩根不止是运动控制部件供应商。 凭借长达数百年的集体经验和数千项成功应用，我们致力于帮助机器人工程师取得成功。 我们深谙机器人运动控制的需求，从高生产力的工业协作机器人到精确精细的外科手术机器人，再到新一代人形机器人，这类机器人有望将人类从重复、艰巨、甚至危险的任务中解放出来，同时实现新的生产力和全新可能性。
准备好将您的人形机器人概念变成现实了吗？ 请访问 www.kollmorgen.cn 联系我们，与科尔摩根机器人专家讨论您的需求和目标。
1. 《人形机器人：比你想象的更快》(Humanoid Robots: Sooner Than You Might Think)，高盛，2022 年 11 月 15 日
