智能柔性关节 机器人腾挪跳跃的秘诀

智能柔性执行器SCA，它具有高度集成、高精度、总线控制、柔性功能、低成本等特点。受访者提供图片

机器人会端茶倒水，引导导导航，跳舞，回答问题……较近举行的2019年世界机器人会议再次让观众感到惊讶。越来越多更灵活、更智能的服务机器人来到我们身边，人机共存的智能时代正在加速。

和人一样，决定机器人灵活度的是关节。此次机器人大会上，*驱动（北京）的INNFOS经过多年的独立研发，研发团队带来了一系列智能柔性执行器SCA（S rt Compliant Actuator），基于该技术的两种产品引起了极大的关注。

智能柔性执行器一直是机器人，尤其是服务机器人研发生产的难点。SCA如何克服这个问题，这个技术有什么特别之处？

柔性关节限制了中国服务机器人的发展

智能柔性执行器，即柔性关节对机器人的重要性不言而喻。机器人的所有动作都离不开关节。

“业界根据人的肌肉和骨骼模拟出机器人关节的自由度，通常我们所说的多少个自由度就是多少个关节，比如工厂里机四轴机械臂，其中的一轴就是一个关节。”INNFOS联合创始人朱梓鸣解释说，对于机器人来说，关节成本占硬件总成本的70%以上。

而且服务机器人和工业机器人对关节的要求差别很大。

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不高。他们只需要按照计划的路径移动，而不需要太多的变化。服务机器人不同，行走、运动等功能自然对关节的灵活性有很高的要求。因此，大多数工业机器人的关节都是刚性执行器，而服务机器人则需要智能和灵活的执行器。

较著名的人形机器人来自波士顿动力。早在2017年，机器人的跳跃、旋转和翻转视频就让整个机器人圈感到惊讶。每个人都感叹机器人的关节太灵活了。

但这并不意味着智能柔性关节不再是问题。相反，据我们所知，世界上大约有三四种智能柔性关节技术，其中波士顿动力技术不公开，MASA朱梓鸣说。

因此，到目前为止，大多数工业机器人都使用大型和刚性的传统伺服系统，而服务机器人由于形状有限，不能使用传统的伺服，只能勉强配备更多的舵机，如模型飞机和玩具。

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很愚蠢。朱子明说，缺乏高性能的柔性关节已经成为服务机器人发展的主要障碍。

所以我们花了7年时间开发了智能柔性执行器SCA。朱梓鸣说。

技术秘诀在于核心动力系统集成

简单地说，出现在会议上的智能柔性执行器SCA，朱子明说：将工业伺服系统应用于服务机器人的核心问题是如何将其缩小到适合服务机器人的体积，而不牺牲性能。

工业伺服系统包括电机、驱动器、减速器、编码器等核心元件。如何将这些原本独立的元件集成在一起，就像将许多芯片集成到电路板上一样？答案是从底层开始，研发电机和驱动器可以匹配和发挥较大效率。

首先，我们选择了超薄外转子电机，它可以非常平坦。过去，它的应用领域相对较小，没有大规模生产，但我们发现它的平面特性非常适合作为集成执行器。朱子明说。

在完成合适的电机后，研发团队根据电机特性开发了高度匹配的驱动器、编码器等设备。

例如，一般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。我们为所选电机开发了特定的驱动器，以减少冗余。朱子明说：所以我们近年来一直在做的一件事是不断调整和探索这些部件之间的关系，思考如何让它们在尽可能小的空间内相互合作，发挥更大的作用。

较终，SCA性能相同 只有传统伺服系统的十分之一。更重要的是，电机、减速器等核心部件在我国机器人领域的状况可能会发生一些变化。众所周知，精密减速器、控制器、伺服电机等机器人的核心部件一直垄断，国内企业没有自主生产核心部件的能力。核心部件受制于人，不仅价格下跌，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60多万元的电机，这在其他人中非常小，所以没有讨价还价的空间，至少要等几个月。朱子明说，这种情况对国内机器人制造商来说是正常的。

“由于我们是从电机、驱动器等做起，所有核心技术都自己掌握，因此再也不会像以前那么被动，而且我们给国内外客户的供货速度非常快。”朱梓鸣表示。

降低硬件成本，促进整个产业的发展

以SCA在此基础上，研发团队正在开发适合不同机器人的柔性关节，包括为四足机器人量身定制的柔性关节和SCA复合材料版等。

据业内专家介绍，四足机器人需要完成站立、行走、弹跳、负载等动作，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扭矩密度大、功率密度大、控制系统高度集成、灵活控制等特点。为满足四足机器人对扭矩的需求，INNFOS在增加扭矩的同时，R&D团队将减速器嵌入其中，以确保紧凑的机械机构。同时，减速器的嵌入使执行器在整机质量上达到453.1克时，峰值扭矩达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。通过电流环，我们可以以低成本实现力控。同时，我们采用准直驱技术，以非常小的减速比和大扭矩密度的电机，实现低成本、高产量的力控。朱梓鸣介绍道。

柔性控制是机器人产品的一个重要特征。研发人员在执行器中添加了一系列感知元件，并配合处理器监控内部电流状态。最后，在先进动力算法的支持下，实现了执行器的柔性技术，实现了真正安全实用的人机交互。

团队发布的SCA复合材料版将柔性关节的价格降低到1000元以内。朱子明透露：与标准版本一样，我们降低成本的秘诀是使用散热、精度好但成本低的复合材料。

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

数百元的柔性关节对服务机器人的发展具有深远的意义。硬件成本的大幅降低无疑将促进整个行业的发展，特别是在教育和研发领域。朱子明认为。