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特斯拉采用成熟的剛性驅(qū)動器方案，未來準(zhǔn)直驅(qū)方案滲透率有望提高

(資料圖片)

機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動器按動力來源可以分為液壓、氣動、電驅(qū)等。液壓雖然功率高，但可靠性和精度低，噪音大，成本高；氣動柔順性好，安全性高，但精度差，時滯高。電驅(qū)因其精度、安靜、高效方面的優(yōu)勢逐漸成為主流，其經(jīng)過30 多年的發(fā)展，經(jīng)歷了從剛性驅(qū)動器、彈性驅(qū)動器到準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動器的過程。特斯拉采用的是最早推出，也是相對成熟的剛性驅(qū)動器方案。如果電機(jī)和減速器性能沒有大幅提升的情況下，在雙足機(jī)器人領(lǐng)域剛性驅(qū)動器將會逐步被取代。近幾年新興的準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動器技術(shù)發(fā)展迅速，未來有望替代傳統(tǒng)的剛性驅(qū)動器。

剛性驅(qū)動器：最早推出相對成熟，整體設(shè)計(jì)較難創(chuàng)新

1983 年，早稻田大學(xué)研究出剛性驅(qū)動器（TSA），自此TSA 在雙足仿人機(jī)器人上廣泛應(yīng)用。結(jié)構(gòu)上，TSA 是常規(guī)無刷電機(jī)驅(qū)動高傳動比減速器，有些在電機(jī)端增加剎車，在減速器和輸出端增加高剛性力矩傳感器。力矩測量上，TSA 是基于電流或應(yīng)變片式力矩傳感器。控制上，TSA 控制簡單，精度高。

功率和效率方面，TSA 無功率可調(diào)，效率較低，安全性較差。TSA 整體設(shè)計(jì)方面已經(jīng)較難有創(chuàng)新，在合適工作區(qū)間內(nèi)的最大輸出功率密度只能到200-300W/kg，遠(yuǎn)沒有達(dá)到動物肌肉的500W/kg，同時也解決不了機(jī)器人受外部沖擊時零部件強(qiáng)度問題，目前的研究集中在優(yōu)化設(shè)計(jì)上。

彈性驅(qū)動器：技術(shù)路線多樣，多數(shù)結(jié)構(gòu)和控制復(fù)雜

動物利用剛?cè)岵?jì)的肌肉骨骼系統(tǒng)在運(yùn)動過程中儲存和釋放能量，調(diào)節(jié)能量在時間和功率密度上的不匹配，提高關(guān)節(jié)爆發(fā)力，同時能夠?qū)崿F(xiàn)落地緩沖。

1995 年，MIT 推出彈性驅(qū)動器來模擬肌肉系統(tǒng)功能，使關(guān)節(jié)表現(xiàn)出柔順、安全和高能量效率特性，目前已演化出SEA、PEA、CEA 和MEA 多種結(jié)構(gòu)。

彈性驅(qū)動器多在剛性執(zhí)行器的基礎(chǔ)上串聯(lián)或并聯(lián)彈性體。力矩測量上與剛性傳感器較為類似。控制上，多數(shù)彈性驅(qū)動器方案結(jié)構(gòu)與控制復(fù)雜，精度一般。

綜合來看，由于彈性體引入，系統(tǒng)為欠驅(qū)動，給控制帶來了難度，尤其在機(jī)器人腿部使用，機(jī)器人整機(jī)的運(yùn)動控制比較難實(shí)現(xiàn)。

準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動器：新興技術(shù)，編碼器和電機(jī)功率密度為其主攻方向

受限于工藝和技術(shù)，電機(jī)直驅(qū)的扭矩密度不能滿足機(jī)器人應(yīng)用的需求，因此，2016 年Wensing 等推出準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動器（PA），采用電機(jī)加低傳動比減速器（如行星減速器）的方案，實(shí)現(xiàn)高帶寬力控和良好的抗沖擊能力。2023 年UCLA 也采用了類似的方案設(shè)計(jì)了不同于特斯拉的新型人形機(jī)器人結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)上，PA 主要由高扭矩密度電機(jī)、低傳動比減速器、編碼器和控制板等組成。力矩測量上，PA 應(yīng)用電流環(huán)檢測。控制和效率上，PA 精度高，效率高。

安全性上，PA 由于具有反驅(qū)特性，安全性好。PA 未來的主攻方向是編碼器技術(shù)的創(chuàng)新和電機(jī)功率密度的提高。

風(fēng)險提示：TSA 技術(shù)超預(yù)期突破，PA 技術(shù)突破不及預(yù)期，特斯拉機(jī)器人技術(shù)路線變更。