（4-1）机械传动系统与关节设计：关节驱动方式对比

本章内容围绕人形机器人机械传动系统与关节设计展开，系统介绍了关节驱动方式、传动机构及工程化结构设计方法。首先介绍了伺服电机加减速器、直驱电机与柔性驱动等主流关节驱动方案，阐明其在扭矩密度、控制精度、响应速度与安全性方面的适用场景。然后深入讲解了谐波减速器、行星减速器及其他传动形式的结构特点与工程取舍。最后从同轴布局、传感器集成以及散热与耐久性设计等角度，讲解了构建面向长期稳定运行的关节工程设计体系，为整机性能与可靠性提供支撑。

4.1 关节驱动方式对比

关节驱动方式是人形机器人机械系统设计中的核心决策之一，直接影响了整机的输出能力、控制策略、安全性与工程复杂度。在实际工程开发过程中，不同的关节（如髋、膝、肩与腕）往往需要采用差异化驱动方案进行设计，以平衡扭矩密度、动态响应、结构尺寸与成本约束。本节内容将围绕当前人形机器人中最具代表性的三类关节驱动方式：伺服电机加减速器、直驱电机以及柔性驱动（SEA）展开对比分析，为后续关节选型提供工程依据。

4.1.1 伺服电机和减速器方案

伺服电机+减速器方案是当前人形机器人关节驱动的主流技术路径，通过"高速低扭矩伺服电机+精密减速器（减速增扭）"的协同设计，搭配闭环控制模块，实现"大扭矩输出、高精度定位、紧凑化集成"的核心需求，适配肩部、肘部、髋部、膝部等中重载关节，技术成熟度与工程落地性均处于行业领先水平。

图4-1展示了是伺服电机+减速器一体化驱动模块的3D结构透视图，是人形机器人关节驱动单元的工程设计模型。从透视图的内部结构可以拆解出核心组件，具体说明如下所示。

1. 动力单元：图中黄色/绿色区域对应的是伺服电机的定子、转子绕组（提供高速低扭矩动力）；
2. 传动单元：电机后方的齿轮结构（图2中清晰可见的齿形部件）是减速器（通常是谐波/行星减速器，实现减速增扭）；
3. 输出与固定部件：紫色的轴是驱动单元的输出端（用于连接机器人关节），外围的螺丝是外壳紧固件，绿色外壳则是驱动模块的防护与安装壳体。

图4-1 伺服电机+减速器一体化驱动模块的3D结构透视图

1. 结构原理与传动链路

（1）核心组成与工作逻辑

1. 该方案的驱动链路为：伺服驱动器→伺服电机→精密减速器→关节执行端→传感器反馈→闭环调节，各部件功能协同实现"动力输出-精准控制"：
2. 伺服电机：作为动力源，输出高速低扭矩动力（转速3000~6000rpm，扭矩0.1~5N・m），通过永磁同步技术保证动力输出稳定性；
3. 精密减速器：核心作用是"减速增扭"，将电机高速低扭矩转化为关节所需的低速大扭矩，同时提升控制精度；
4. 传感器模块：包含编码器（位置检测，分辨率≥17位）、力矩传感器（扭矩反馈，精度≤0.1N・m）、温度传感器（电机/减速器温升监测）；
5. 伺服驱动器：接收控制指令，实现位置/速度/扭矩三模式闭环控制，动态调节电机输出，响应延迟≤5ms。

（2）传动特性与控制闭环

1. 传动逻辑：电机输出轴通过花键/联轴器与减速器输入端刚性连接，减速器输出端直接驱动关节轴，传动路径短（≤10cm），动力损耗集中在减速器啮合环节；

2. 控制闭环：编码器实时反馈关节位置，力矩传感器监测负载扭矩，数据同步至驱动器，通过PID算法动态修正电机电流，实现"指令-执行-反馈-修正"的闭环控制，定位精度≤0.05°。

3. 核心部件选型与参数匹配

（1）伺服电机选型

永磁同步伺服电机（功率密度3~8kW/kg，效率≥90%），优于直流伺服电机（能耗高、体积大）。伺服电机选型的关键参数匹配如下：

1. 功率范围：50~500W（按关节负载分级：肘部/腕部50~150W，肩部/膝部150~300W，髋部300~500W）；
2. 转速特性：额定转速3000~4000rpm，峰值转速6000rpm，满足减速器增扭需求；
3. 扭矩波动：≤3%，保证关节运动平滑性；
4. 防护等级：≥IP65，适应机器人内部粉尘、轻微水渍环境。

（2）精密减速器选型

按关节场景分类，精密减速器的选型如表4-1所示。

表4-1 精密减速器的选型

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| 减速器类型 | 核心参数 | 适配关节 | 选型优势 | 局限性 |
| 谐波减速器 | 传动比50:1~100:1，传动效率85%~90%，间隙≤0.05°，重量0.3~2kg | 肩部、肘部、腕部 | 体积小、精度高、噪音低（≤55dB），适配轻中载+高精度场景 | 抗冲击能力弱（最大冲击扭矩≤2倍额定扭矩），长期重载易磨损 |
| 行星减速器 | 传动比20:1~60:1，传动效率90%~95%，间隙≤0.1°，重量0.5~3kg | 膝部、髋部 | 承载能力强（额定扭矩10~50N・m），抗冲击性好，结构冗余度高 | 体积略大，高精度场景需搭配预紧结构 |
| RV减速器 | 传动比40:1~120:1，传动效率90%~92%，间隙≤0.01°，重量1~5kg | 髋部、重载肩部 | 超高精度、超长寿命（疲劳寿命≥10⁷次循环），适配重载+高精度场景 | 成本高（是谐波减速器的2~3倍），重量较大 |

（3）传感器与驱动器选型

1. 编码器：绝对式磁编码器（分辨率≥20位），避免断电后位置丢失；

2. 力矩传感器：六轴扭矩传感器（检测范围0~50N・m，响应频率≥1000Hz），适配力控场景；

3. 驱动器：支持CANopen/EtherCAT总线通信，动态响应速度≤3ms，具备过流、过热、过载保护功能。

4. 性能优化与工程设计要点

（1）间隙消除与精度提升

1. 减速器预紧：谐波减速器采用"双波发生器预紧"，行星减速器采用"齿侧预紧"，将传动间隙控制在≤0.03°；
2. 连接结构优化：电机与减速器、减速器与关节轴均采用过盈配合（过盈量0.01~0.02mm），消除装配间隙；
3. 误差补偿：通过标定算法修正减速器啮合误差，静态定位精度从0.05°提升至0.03°。

（2）效率提升与能耗优化

1. 润滑方案：减速器采用合成润滑脂（工作温度-20~80℃），定期补充（每1000小时），降低啮合摩擦损耗；
2. 电机效率优化：选用高效区（效率≥92%）覆盖关节常用转速范围（1000~3000rpm）的电机，减少低速高负载下的能耗；
3. 轻量化设计：电机外壳采用7075-T6铝合金，减速器外壳采用PA66+30%玻纤增强塑料，单驱动单元减重15%~20%。

（3）热管理与可靠性设计

1. 散热结构：电机外壳集成散热鳍片，关节壳体设计通风风道，高速高负载工况下开启强制风冷（风速≥2m/s），温升控制≤40℃；

2. 过载保护：驱动器设置扭矩过载阈值（1.5倍额定扭矩），持续过载3s自动断电，避免电机/减速器损坏；

3. 防尘防水：驱动单元接口采用密封圈密封，防护等级提升至IP67，适配复杂作业环境。

4. 工程适配场景与参数示例

（1）按关节负载分级适配

基于前文伺服电机与减速器的选型逻辑，结合人形机器人各关节的负载差异（从腕部轻载抓取到髋部重载支撑），需要通过"电机功率-减速器类型-传动比"的精准匹配，实现驱动单元与关节负载的分级适配。表4-1明确了不同负载等级关节的核心参数配置，为工程设计中的部件选型与性能校核提供直接参考：

表4-1 人形机器人各关节伺服电机+减速器方案分级适配参数表

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| 关节类型 | 负载需求 | 电机参数 | 减速器类型 | 驱动单元总参数 |
| 腕部关节 | 末端负载≤5kg | 功率50W，转速3000rpm，扭矩0.16N・m | 谐波减速器（传动比50:1） | 输出扭矩8N・m，重量0.8kg，定位精度0.03° |
| 肘部关节 | 末端负载5~10kg | 功率150W，转速3500rpm，扭矩0.41N・m | 谐波减速器（传动比80:1） | 输出扭矩32.8N・m，重量1.2kg，定位精度0.04° |
| 肩部关节 | 末端负载10~20kg | 功率300W，转速4000rpm，扭矩0.72N・m | 行星减速器（传动比60:1） | 输出扭矩43.2N・m，重量2.0kg，定位精度0.05° |
| 髋部关节 | 末端负载20~30kg | 功率500W，转速4000rpm，扭矩1.19N・m | RV减速器（传动比100:1） | 输出扭矩119N・m，重量4.5kg，定位精度0.02° |

（2）典型应用案例

1. 优必选Walker X肩部关节：采用"150W永磁同步伺服电机+谐波减速器（传动比80:1）"，输出扭矩32N・m，定位精度0.04°，适配抬臂、抓取等动作；

2. 特斯拉Optimus髋部关节：选用"400W伺服电机+行星减速器（传动比60:1）"，输出扭矩86N・m，抗冲击扭矩≥172N・m，支撑整机80kg重量的步态运动；

3. 波士顿动力Atlas膝部关节：采用"350W伺服电机+RV减速器（传动比80:1）"，输出扭矩90N・m，疲劳寿命≥10⁷次循环，适配跑步、跳跃等高动态动作。

4. 仿真与实验验证方法

（1）仿真校核（工具：ADAMS、ANSYS、MATLAB/Simulink）

1. 多体动力学仿真：模拟关节全行程运动（如肩部±90°外展/内收），分析传动链路的扭矩损耗、间隙影响，验证定位精度是否满足要求；
2. 热力学仿真：模拟连续1小时高负载运行（如髋部支撑整机重量行走），分析电机、减速器的温升分布，优化散热结构；
3. 控制仿真：搭建PID控制模型，仿真动态响应速度、扭矩调节精度，优化控制参数。

（2）实验测试（设备：关节测试台、扭矩传感器、激光跟踪仪）

1. 静态性能测试：测量关节定位精度、重复定位精度、传动间隙，要求定位精度≤0.05°，间隙≤0.03°；

2. 动态性能测试：测试关节响应延迟（≤5ms）、扭矩调节精度（≤5%），模拟步态运动中的动态负载变化，验证控制稳定性；

3. 寿命与可靠性测试：进行10⁶次循环负载测试（额定扭矩的80%），测试后检查减速器磨损情况、电机绝缘性能，要求无明显损耗。

4. 维护与故障预警

（1）定期维护流程

1. 润滑维护：每1000小时补充减速器润滑脂，每5000小时更换润滑脂，避免干摩擦导致磨损；
2. 间隙检测：每2000小时通过激光跟踪仪检测传动间隙，超过0.1°时重新预紧或更换减速器；
3. 电机维护：定期清理电机散热鳍片灰尘，检查电机绝缘电阻（≥1MΩ），避免过热损坏。

（2）故障预警与处理

伺服电机和减速器设计的常见故障预警与处理如表4-3所示。

表4-3 伺服电机和减速器设计的常见故障预警与处理

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| 故障类型 | 预警信号 | 处理措施 |
| 电机过热 | 温度传感器反馈≥80℃ | 暂停高负载动作，开启强制风冷；若持续过热，检查电机绕组是否短路 |
| 减速器磨损 | 传动间隙≥0.1°或噪音≥65dB | 重新预紧或更换减速器，检查啮合齿面磨损情况 |
| 定位精度漂移 | 重复定位精度≥0.1° | 重新标定编码器，修正误差补偿参数；检查连接结构是否松动 |
| 扭矩过载 | 力矩传感器反馈≥1.5倍额定扭矩 | 驱动器自动断电，排查负载是否异常或关节是否卡滞 |

7. 核心优势与适用边界

（1）核心优势

1. 扭矩密度高：通过减速器增扭，单驱动单元可实现5~200N・m扭矩输出，适配人形机器人各关节负载需求；
2. 技术成熟度高：伺服电机、减速器供应链稳定，成本可控（单套驱动单元成本1000~8000元，按扭矩等级分级）；
3. 控制灵活：支持位置/速度/扭矩三模式切换，可适配精准定位（如抓取）、动态平衡（如步态）、力控交互（如人机接触）等多场景；
4. 结构紧凑：电机与减速器集成度高，适配人形机器人关节的空间限制（安装尺寸≤150mm×100mm×80mm）。

（2）适用边界与局限性

1. 适用场景：中重载关节（负载3~30kg）、高精度定位场景（定位精度≤0.1°）、对成本与成熟度要求较高的量产机型；
2. 局限性：

• 机械传动存在磨损，长期使用需维护；
• 传动间隙难以完全消除，不适配超高精度（≤0.01°）场景；
• 柔性缓冲能力弱，需额外配置弹性元件（如聚氨酯垫）吸收地面冲击或人机接触冲击。

总之，伺服电机+减速器方案是当前人形机器人关节驱动的主流且高性价比技术路径，其核心逻辑是通过"高速伺服电机提供动力源+精密减速器实现减速增扭"的协同设计，搭配闭环控制模块，在紧凑空间内实现"大扭矩输出（5~200N・m）、高精度定位（≤0.05°）、多模式控制（位置/速度/扭矩）"的核心需求。

4.1.2 直驱电机（DD）

直驱电机（Direct Drive，DD）是一种"无中间传动链路"的关节驱动方案，通过力矩电机输出轴直接与关节执行端刚性连接，将动力"零损耗"传递至关节，核心优势是"无传动间隙、高动态响应、低维护需求"，适配对精度、响应速度要求极高的轻中载关节（如腕部、踝部），是高端人形机器人实现超高精度操作与动态平衡的关键技术之一。

例如图4-2是ERIKSEN公司推出的DD系列直驱关节电机的设计图和产品图，核心定位为"小扭矩、高精度、紧凑型直驱执行器"，专为机器人关节、医疗设备及精密制造场景设计，无需减速器即可直接驱动负载，凭借 "零背隙、快响应、集成化" 优势，尤其适配人形机器人轻中载关节（如腕部、踝部）及各类高精度传动场景。

设计图

产品图

图4-2 ERIKSEN小型直驱关节电机设计图和产品图

1. 结构原理与核心组成

（1）核心逻辑与传动链路

直驱电机的驱动链路为：直驱驱动器→永磁同步力矩电机→关节执行端→高精度传感器反馈→闭环调节，核心特点是"动力直传"------力矩电机直接输出低速大扭矩，无需减速器减速增扭，彻底消除中间传动环节的间隙与损耗。

（2）核心部件组成

1. 力矩电机：采用永磁同步力矩电机（主流为径向磁通或轴向磁通结构），直接输出低速大扭矩（转速0~500rpm，扭矩5~50N・m），通过高磁密钕铁硼永磁体（磁密≥1.4T）提升扭矩密度；

2. 高精度传感器：配备绝对式光学编码器（分辨率≥23位，定位精度≤0.005°）+六轴力矩传感器（响应频率≥2000Hz，力控精度≤0.02N・m），实现超高精度反馈；

3. 直驱驱动器：支持高速总线通信（Ether CAT，通信周期≤1ms），具备电流环、速度环、位置环三环闭环控制，动态响应速度≤2ms。

4. 关键性能指标

5. 扭矩输出：单关节输出扭矩5~50N・m（适配轻中载关节，末端负载≤10kg）；

6. 传动效率：无中间传动损耗，传动效率≥95%（高速工况下比伺服+减速器方案高5%~10%）；

7. 响应速度：关节响应延迟≤3ms，动态扭矩调节精度≤2%，适配高动态力控场景；

8. 定位精度：静态定位精度≤0.01°，重复定位精度≤0.005°，无传动间隙导致的误差；

9. 体积重量：扭矩密度2~5kW/kg（轴向磁通结构可达6kW/kg），单驱动单元重量1.5~4kg（随扭矩等级变化）；

10. 寿命与维护：无减速器磨损，疲劳寿命≥10⁷次循环，无润滑维护需求。

11. 工程适配场景与核心优化

（1）适配关节与典型案例

直驱电机的适配关节有腕部（高精度抓取）、踝部（高响应力控）、轻载肘部（精准屈伸）等对精度、响应速度要求高的轻中载关节。直驱电机的典型案例如下：

1. 协作机器人UR5e腕部关节：采用轴向磁通直驱电机，输出扭矩10N・m，定位精度0.008°，适配精密装配操作；
2. 高端人形机器人Digit踝部关节：选用径向磁通直驱电机，输出扭矩30N・m，响应延迟2ms，实时调整地面接触力以保障步态稳定；
3. 波士顿动力Atlas腕部关节：采用高功率密度直驱电机，输出扭矩15N・m，实现"拧螺丝、持握工具"等高精度操作。

（2）性能优化要点

1. 扭矩密度提升：采用高磁密钕铁硼永磁体（牌号N52）+优化绕组设计（集中绕组），轴向磁通结构的扭矩密度比传统径向结构提升30%~50%；

2. 轻量化设计：电机定子采用硅钢片叠压+环氧树脂灌封，转子采用空心轴结构，单驱动单元减重20%~25%；

3. 热管理强化：电机外壳集成水冷通道（轻载场景可采用风冷），连续高负载运行时温升控制≤35℃，避免磁钢退磁；

4. 振动抑制：通过动平衡校准（平衡精度G2.5）+低刚度弹性支撑，将关节运行振动幅值控制在≤0.01mm。

5. 核心优势与局限性

直驱电机优势与局限如表4-5所示。

表4-5 直驱电机优势与局限

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| 核心优势 | 局限性 |
| 无传动间隙：彻底消除减速器啮合间隙，定位精度可达≤0.01°，适配超高精度操作 | 扭矩密度相对低：相同体积下，扭矩输出仅为"伺服+减速器"方案的40%~60%，不适配重载关节（如髋部） |
| 高动态响应：响应延迟≤3ms，扭矩调节精度≤2%，适配高动态力控场景（如踝部地面适应） | 体积与重量较大：大扭矩直驱电机体积是同扭矩 "伺服+减速器"方案的1.5~2倍，增加四肢远端惯性 |
| 低维护需求：无减速器磨损，无需定期补充润滑脂，维护周期延长至10000小时以上 | 成本较高：单套直驱驱动单元成本为"伺服+减速器"方案的2~4倍，量产经济性弱 |
| 传动效率高：无中间损耗，传动效率≥95%，高速工况下能耗比"伺服+减速器"低10%~15% | 散热要求高：大扭矩运行时发热集中，需配套复杂散热结构（如水冷），增加系统复杂度 |

5. 仿真与实验验证

（1）仿真校核（工具：COMSOL、MATLAB/Simulink、ADAMS）

1. 电磁仿真：优化电机绕组、磁钢布局，提升扭矩密度与效率，要求扭矩波动≤2%；
2. 动力学仿真：模拟腕部"拧螺丝"动作（0.5rad/s旋转+5N・m扭矩），验证响应延迟与定位精度；
3. 热力学仿真：模拟连续1小时高负载运行，分析电机温升分布，优化水冷通道流量（≥0.5L/min）。

（2）实验测试

1. 精度测试：用激光干涉仪测量关节定位精度，要求≤0.01°，重复定位精度≤0.005°；
2. 响应测试：通过力矩传感器测量扭矩阶跃响应时间，要求≤3ms；
3. 寿命测试：进行10⁷次循环负载测试（额定扭矩的80%），测试后检查电机磁钢退磁情况，要求无明显退磁。

总之，直驱电机方案是高精度、高响应场景下的专项驱动技术，其核心价值在于"无间隙、高动态"，适配腕部、踝部等轻中载且对精度/响应要求极高的关节，可实现精密抓取、实时力控等复杂操作；但受限于扭矩密度、体积与成本，暂无法替代"伺服+减速器"方案在中重载关节的应用。

4.1.3 柔性驱动（Series Elastic Actuator）

柔性驱动（串联弹性执行器，SEA）是一种"刚性动力单元+柔性弹性元件"的混合驱动方案，核心逻辑是在电机-减速器与关节执行端之间串联弹性元件（如螺旋弹簧、聚氨酯弹性体、波纹管），通过弹性元件的形变实现"冲击缓冲、精准力控、人机安全交互"，适配人形机器人与人机接触频繁、需缓冲冲击的关节（如腕部、肘部、踝部），是平衡"安全性-力控精度-动态适配性"的关键技术路径。

图4-3是柔性驱动的设计结构图，属于人形机器人轻中载关节的柔性驱动单元，从图中展示的部件布局可以明确其柔性驱动属性，具体说明如下所示。

1. 动力与传动单元：以"伺服电机+谐波减速器"作为刚性动力核心，实现减速增扭，为关节提供基础动力；
2. 柔性核心部件：在减速器与关节输出端之间串联了弹性元件（黄色弹簧），这是柔性驱动的标志性结构，通过弹性元件的形变吸收冲击、实现力控；
3. 传感与控制单元：配备"电机编码器（感知电机端运动）+关节编码器（感知输出端运动）"双编码器，可以通过两端运动差计算弹性元件形变量，结合力矩传感器实现精准力控；

图4-3 柔性驱动的设计结构图

1. 结构原理与核心组成

（1）核心逻辑与传动链路

柔性驱动的驱动链路为：伺服驱动器→伺服电机→精密减速器→弹性元件→关节执行端→双传感器反馈→闭环调节，核心创新点是"弹性元件串联"------通过弹性元件的可控形变，吸收冲击载荷、感知接触力，同时实现力与位置的解耦控制。

（2）核心部件组成

柔性驱动的核心部件组成如表4-6所示。

表4-6 柔性驱动的核心部件组成

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| 部件类型 | 核心配置与功能 |
| 动力单元 | 永磁同步伺服电机（功率50~300W，转速3000~5000rpm），提供基础动力，适配轻中载需求 |
| 传动单元 | 谐波减速器（传动比50:1~80:1）或行星减速器（传动比 30:1~60:1），实现减速增扭，保证动力密度 |
| 弹性元件（核心） | 主流选用 "线性螺旋弹簧"（刚度 100~1000N・m/rad）或"非线性聚氨酯弹性体"（刚度可调），核心功能： 1. 缓冲冲击（吸收 60% 以上地面/人机接触冲击）； 2. 力感知媒介（通过形变量反推接触力）； 3. 降低刚性碰撞风险 |
| 传感单元 | 双编码器（电机端+关节端，分辨率≥17位）+力矩传感器（响应频率≥1000Hz），通过电机端与关节端的位置差计算弹性形变，实现力控闭环 |
| 驱动控制单元 | 支持"位置-力混合控制"的伺服驱动器，集成弹性元件形变补偿算法，动态响应速度≤8ms |

2. 关键性能指标

3. 扭矩输出：单关节输出扭矩5~80N・m，适配末端负载≤15kg的轻中载关节；

4. 柔性特性：刚度可调范围100~1000N・m/rad，冲击衰减率≥60%（20N・m冲击载荷下）；

5. 力控精度：接触力控精度≤0.5N，动态力调节响应时间≤5ms；

6. 定位精度：静态定位精度≤0.1°（弹性形变补偿后），重复定位精度≤0.05°；

7. 传动效率：80%~90%（弹性元件无滑动摩擦，损耗主要来自减速器）；

8. 寿命与可靠性：弹性元件疲劳寿命≥10⁷次循环形变，整机连续工作时间≥6小时。

9. 适配关节与核心优势

（1）适配关节：腕部（抓取易碎品、人机接触操作）、肘部（缓冲碰撞）、踝部（地面冲击吸收）、肩部（轻载人机协作）；

（2）核心适配场景：家庭服务机器人、协作机器人、医疗辅助机器人等需频繁人机交互或接触复杂地面的场景；

（3）典型案例：

1. 优必选Walker S腕部关节：采用"100W伺服电机+谐波减速器+非线性弹性体"，力控精度0.3N，冲击衰减率65%，适配抓取鸡蛋、水杯等易碎品；

2. 波士顿动力Atlas踝部关节：串联螺旋弹簧（刚度500N・m/rad），冲击衰减率70%，可缓冲跑步、跳跃时的地面反作用力；

3. 协作机器人Franka Emika Panda肘部关节：SEA驱动方案，力控精度0.1N，实现"人机协作装配"时的安全碰撞响应（碰撞力超过5N自动停机）。

4. 按关节负载分级适配参数表

柔性驱动按关节负载分级适配参数如表4-7所示。

表4-7 柔性驱动按关节负载分级适配参数

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| 关节类型 | 负载需求 | 电机参数 | 减速器类型 | 弹性元件配置 | 驱动单元总参数 |
| 腕部关节 | 末端负载≤5kg | 功率50W，转速3000rpm，扭矩0.16N・m | 谐波减速器（传动比 50:1） | 聚氨酯弹性体（刚度100N・m/rad） | 输出扭矩 8N・m，力控精度 0.3N，重量 0.9kg |
| 肘部关节 | 末端负载5~10kg | 功率 150W，转速3500rpm，扭矩0.41N・m | 谐波减速器（传动比 80:1） | 螺旋弹簧（刚度300N・m/rad） | 输出扭矩32.8N・m，力控精度0.5N，重量 1.3kg |
| 踝部关节 | 末端负载10~15kg | 功率300W，转速4000rpm，扭矩0.72N・m | 行星减速器（传动比60:1） | 波纹管弹性体（刚度800N・m/rad） | 输出扭矩43.2N・m，冲击衰减率70%，重量2.2kg |

5. 优势与局限性

柔性驱动核心优势与局限性如表4-8所示。

表4-8 柔性驱动核心优势与局限性

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| 核心优势 | 局限性 |
| 人机安全冗余：弹性元件缓冲碰撞，接触力峰值≤10N，避免人机交互时的伤害 | 定位精度略低：弹性形变导致静态定位精度低于直驱和伺服+减速器方案 |
| 冲击吸收能力强：可吸收地面反作用力或碰撞冲击，延长关节寿命 | 响应速度受限：弹性元件形变需时间，动态响应延迟（5~10ms）高于直驱方案 |
| 力控精度高：通过弹性形变直接感知接触力，无需复杂力控算法 | 刚度匹配难度大：不同场景需适配不同刚度弹性元件，通用性弱 |
| 结构兼容性好：可在原有伺服 + 减速器方案基础上串联弹性元件改造 | 重量略增：弹性元件+双传感器增加驱动单元重量（比同扭矩伺服+减速器方案重 0%~20%） |

6. 性能优化与工程设计要点

（1）弹性元件选型与优化

1. 按场景匹配刚度：人机交互关节（腕部）选低刚度（100~300N・m/rad），地面冲击关节（踝部）选高刚度（500~1000N・m/rad）；
2. 非线性刚度设计：采用"分段式弹性体"，小形变时低刚度（缓冲），大形变时高刚度（限位），避免过度形变损坏；
3. 材料选型：优先选用耐疲劳聚氨酯（寿命≥10⁷次）或不锈钢螺旋弹簧（抗腐蚀，适配复杂环境）。

（2）控制算法优化

1. 形变补偿算法：通过双编码器位置差计算弹性形变，实时修正关节位置指令，将定位精度从0.2°提升至0.1°；
2. 力-位混合控制：人机交互时切换力控模式（优先保证接触力稳定），精准定位时切换位置模式（补偿弹性形变）；
3. 冲击抑制算法：检测到突发冲击时（形变速率≥10rad/s），驱动器快速降低电机输出扭矩，配合弹性元件吸收冲击。

（3）结构与热管理设计

1. 弹性元件安装：采用"预紧式固定"，预紧形变≤5%，避免空载时的间隙；

2. 散热优化：电机与减速器采用风冷散热（鳍片+风道），弹性元件区域预留通风空间，温升控制≤40℃；

3. 防护设计：弹性元件与传感器采用密封外壳（IP65），防止粉尘、水渍影响形变检测精度。

4. 仿真与实验验证

（1）仿真校核（工具：ADAMS、MATLAB/Simulink、ANSYS）

1. 动力学仿真：模拟"腕部抓取碰撞"（5N冲击），分析弹性元件形变与力传递特性，验证冲击衰减率≥60%；
2. 控制仿真：搭建力-位混合控制模型，仿真力控精度与响应速度，优化PID参数与形变补偿算法；
3. 疲劳仿真：模拟弹性元件10⁷次循环形变，分析应力分布，避免局部应力集中导致断裂。

（2）实验测试

1. 柔性特性测试：通过扭矩传感器施加冲击载荷（0~20N・m），测量弹性元件形变量与冲击衰减率，要求≥60%；
2. 力控精度测试：控制关节接触柔性物体（如海绵），测量接触力波动，要求≤0.5N；
3. 寿命测试：进行10⁷次循环形变测试（额定扭矩的80%），测试后检查弹性元件是否有裂纹、刚度衰减≤5%。

总之，柔性驱动（SEA）是人机交互与冲击适配场景的最优驱动方案，其核心价值在于"柔性缓冲+精准力控"，通过串联弹性元件弥补了刚性驱动（伺服+减速器、直驱）的安全短板，为人形机器人进入家庭、医疗等近距离人机场景提供了技术保障。

该方案的适用边界集中在轻中载关节（末端负载≤15kg），其局限性（定位精度、响应速度）可通过控制算法与结构优化部分弥补；未来技术迭代方向为"可变刚度弹性体"（通过电机调节刚度）与"轻量化集成"（弹性元件+传感器一体化设计），有望进一步拓展其在重载关节的应用场景，成为人形机器人驱动技术的重要补充。