智能柔性关节 机器人腾挪跳跃的秘诀

采用智能柔性执行器SCA构建的智能柔性服务机器人有34个*度，即34个关节。受访者提供了照片。

智能柔性执行器控制系统具有集成度高、精度高、总线控制、功能灵活、成本低等特点。

受访者提供了照片。

机器人将提供饮料，引导人们通过导航，跳舞，并回答问题……最近举行的2019年世界机器人大会再次让观众感到惊讶。越来越多灵活、智能的服务机器人向我们走来，人机共存的智能时代正在加速。

像人类一样，关节决定了机器人的灵活性。在机器人大会上，基于前沿驱动(北京)科技有限公司INNFOS研发团队带来的技术，自主研发的全系列智能柔顺执行器SCA(智能柔顺执行器)和两款产品备受关注。

智能柔性执行器一直是机器人，尤其是服务机器人研发的难点。SCA如何解决这个难题，这项技术的突出之处是什么？

柔性关节制约着服务机器人在中国的发展

智能柔性致动器(即柔性关节)对机器人的重要性不言而喻。机器人的所有运动都离不开关节。

“该行业根据人体肌肉和骨骼来模拟机器人关节的*度。通常我们说多少*度就是多少关节。例如，工厂中的四轴机械臂，其中一个是关节英孚的联合创始人朱子明解释说，对于机器人来说，关节成本占硬件总成本的70%以上。

此外，服务机器人和工业机器人对关节的要求也大不相同。

朱子明说，工业机器人需要长期稳定性，对灵活性和自适应性要求较低。“他们只需要按照计划好的路径移动，没有太多变化。但是服务机器人不同，行走、运动等功能自然需要极高的关节灵活性。因此，工业机器人的关节大多是刚性执行器，而服务机器人需要智能柔性执行器

此前最著名的人形机器人来自波士顿动力公司。早在2017年，该公司的机器人跳跃、旋转和后空翻的视频就震惊了整个机器人圈。每个人都叹了口气，机器人的关节太灵活了。

然而，这并不意味着智能柔性关节不再是一个问题。相反，“据我们所知，世界上只有三四家公司掌握了智能柔性关节技术。其中，波士顿电力公司的技术不对公众开放，MASA也不对公众开放。”朱子明说。

正因为如此，到目前为止，大多数工业机器人使用传统的伺服系统，体积大，刚性强，而服务机器人由于尺寸有限，不能使用传统的伺服系统，只能勉强装备更多的舵机，用于开发航空模型和玩具。

“舵机故障率高，噪音大，不够智能。这就是为什么我们总是觉得服务机器人总是愚蠢的。”朱子明说，缺乏高性能柔性关节已经成为服务机器人发展的主要障碍。

"所以我们从零开始，花了7年时间开发智能柔性执行器监控系统."朱子明说。

技术秘密在于核心动力系统的整合。

简而言之，本次会议上提出的智能柔性致动器SCA已经使传统的工业伺服系统的尺寸相当于一个舵机，同时兼顾了两者的优点。“将工业伺服系统应用于服务机器人时，需要解决的核心问题是如何在不牺牲性能的情况下将其缩小到适合服务机器人的尺寸。”朱子明说。

工业伺服系统包括核心部件，如电机、驱动器、减速器、编码器等。这些原本独立的元件如何集成在一起，就像许多芯片集成在一块电路板上一样？答案是从底层开始，开发能够相互匹配并充分发挥其最大效率的电机和驱动器。

“首先，我们选择了超薄外转子电机。这种马达可以做得很平。过去，其应用领域相对较小，没有大规模生产。然而，我们通过研究发现，它的扁平特性非常适合制造集成致动器。”朱子明说。

在找到合适的马达后，研究小组根据马达的特性开发了高度匹配的驱动器、编码器和其他设备。

例如，常见的传统工业伺服驱动器适用于多种电机，但在大多数情况下会有冗余。"我们为选定的电机开发了特定的驱动器，以减少冗余."朱子明说:“因此，近年来我们一直在做的一件事就是不断调整和探索这些组件之间的关系，并找出如何让它们相互合作，在尽可能小的空间里发挥更大的作用。”

最后，控制系统协议意识到，在相同的性能下，控制系统协议的容量仅为传统伺服系统的十分之一。更重要的是，我国机器人领域的核心部件，如电机和减速器，都受到人类条件的影响，或者会发生一些变化。众所周知，机器人的核心部件，如精密减速器、控制器和伺服电机，已经被几家大型外国公司垄断。国内企业尚不具备核心零部件的自主生产能力。核心组件被他人控制的后果是，不仅价格不可承受，利润微薄，而且供应周期长。

“几年前，我们向一家国际知名制造商订购了价值60多万元的电机。这个数额对其他人来说非常小，因此没有谈判的余地，至少需要几个月的时间。”朱子明说，这种情况对于国内机器人制造商来说是正常的。

“因为我们从电机、驱动器等开始，所有核心技术都由我们自己掌握，所以我们永远不会像以前那样被动，我们会非常快速地为国内外客户提供服务。”朱子明说。

降低硬件成本促进全行业发展

基于SCA，研发团队正在开发适用于不同机器人的柔性关节，包括专门为四足机器人定制的柔性关节，以及SCA的复合版本。

业内专家称，四足机器人需要完成站立、行走、弹跳、装载等动作。，甚至在不同的道路环境中完成相应的任务，因此对执行器的要求更加严格。

一般来说，四足机器人要求执行器具有高扭矩密度、高功率密度、高度集成的控制系统、灵活的控制等特点。为了满足四足机器人对扭矩的需求，英孚研发团队在其中嵌入了减速器，在增加扭矩的同时保证了机械机构的紧凑性。同时，减速器的嵌入使得在整机质量为453.1克的情况下，执行机构的峰值扭矩达到19.8牛顿米，也大大提高了扭矩密度，更符合四足机器人对扭矩和扭矩密度的要求。“我们可以通过电流回路以低成本实现力的控制。同时，我们可以通过使用具有小减速比的准直接驱动技术和具有高转矩密度的电机来实现低成本和高输出的力控制。”朱子明说。

柔性控制是机器人类产品的一个基本特征。研究人员在致动器内部增加了一系列传感元件，与处理器合作来监控内部电流的状态。最后，在先进动态算法的支持下，可以实现执行器的柔性技术，实现真正安全实用的人机交互。

该团队发布的SCA复合版本将柔性关节的价格降至1000元以下。“这项技术中的所有电源系统都与标准版本相同。我们降低成本的秘诀在于使用散热好、精度高、成本低的复合材料。”朱子明透露。

同时，执行器内置高性能多核浮点处理器，专门用于处理电机运行数据，可实现实时高精度控制。

几百元的柔性关节对服务机器人的发展意义深远。硬件成本的大幅降低无疑将促进整个行业的发展，尤其是在教育和研发领域的普及朱子明认为。