「AI大咖說」第四期，機器人“關節”C位出道，一起了解重要部件“伺服驅動器”。
上世紀60年代，科幻插畫中的機器人“關節”幾乎由大螺絲釘結合；回頭細想，才發現這種關節結構根本“不科學”。
到了近年，一些真人模特PS機器人身上的關節處有了明顯的分割和機械結構，看上去似乎“有點意思”。
那麼，真正的機器人關節運動系統到底是怎樣的呢？特別是那些靈活敏捷的機器人，在多關節緊密配合下，完成精準的運動和指令，它們是怎麼做到的？
什麼是伺服驅動器
人的運動系統，分別由骨骼、關節、肌肉構成，因骨骼位置的變化而產生運動。然而，骨骼本身是不能運動的，骨骼的運動主要靠肌肉牽引和關節轉動。
伺服驅動器，就類似於人類肌肉的伸縮、牽引，是用來控制伺服電機的一種控制器，為機器人的運動系統提供著強勁動力。
伺服驅動器研究現狀
隨著近年機器人蓬勃發展，伺服驅動器已經得到廣泛應用。目前市面上伺服驅動器的型別，包括了電驅、液壓、線驅、氣動，以及複合材料等形式。
伺服驅動器的主要型別
綜合來看，電驅型是目前發展最廣泛、技術最成熟的方向。利用電機和軸承模擬人的關節，從而控制機器人穩定行走，是機器人通常的控制方式。本期課題也將圍繞這個方向展開。
電驅型伺服驅動器
· 基本構成
伺服驅動器的基本硬體構成，主要有電機、控制板、減速器、位置感測器，它們透過執行接收到的通訊訊號控制輸出端的旋轉角度，不管是什麼樣的產品型別和力矩大小，這四種基本組成都不可缺少，是機器人實現靈活運動的關鍵所在。
· 功能原理
伺服驅動器透過不同方向的組合，就成了機器人的“關節”，決定著機器人的運動方向，也就是經常聽到的機器人“自由度”。比如Walker有36個伺服驅動器，就是有36個自由度。
Walker全身具備36個高效能伺服關節
要想實現機器人的精準運動，每個關節需要產生精確的輸出位置和力矩。當伺服驅動器接收到主控的位置命令後，可以實時響應命令，多個舵機協調執行，就可以產生猶如人類一般靈活的運動。
· 開發型別
從開發型別上來看，伺服驅動器主要分為小型伺服驅動器和大型伺服驅動器，它是靠什麼區分的呢？答案是：
輸出力矩
。
小型伺服驅動器，優必選科技開發0。2Nm~6Nm範圍，主要應用在教育、娛樂等桌面機器人上。大型的伺服驅動器，則應用在大型仿人服務機器人Walker、智慧服務機器人Cruzr、機械臂等產品上。
· 大型伺服驅動器的型別
從設計方式上，大型伺服驅動器可以分為三個型別，分別是常規方案、SeriesElastic Actuator（SEA）、本體驅動器。
大型伺服驅動器的三種類型
第一種是常規伺服驅動器，常規電機+高減速比的減速箱+高剛度輸出端，用來檢測力矩輸出；
第二種是SEA伺服驅動器，區別於常規方案，SEA在輸出端加了一個彈性體，用位置感測器去檢測彈性體的形變，從而推斷出它的力矩大小，是目前的研究較多的一種設計方式；
第三種是本體伺服驅動器，高輸出力矩密度電機+低減速比的減速箱，它的特點是小慣量、響應速度快。
大型伺服驅動器各型別對比
伺服驅動器的技術與特點
前面提到，伺服驅動器具有四個基本構成部件。其實除了這四個“基本要素”外，為了增加伺服驅動器的特性和功能，還包括力矩感知和控制、電磁製動器、軟體演算法、中空設計等技術設計。
· 力矩感知和控制
機器人關節力/力矩感知能夠帶來許多功能的突破，因為機器人在執行的時候，需要考慮到多種情況：
那麼在機器人身上，如何才能實現好力矩感知和控制呢？方式有以下幾種：
· 軟體演算法
不管是伺服驅動器，還是伺服電機，伺服演算法大部分都是基於電機的向量控制來擴充套件來進行使用的。
優必選科技的伺服軟體演算法提供豐富控制介面，包括高精度位置感測器、PID引數控制、各種保護機制、控制模式等，全面保護伺服驅動器的安全可靠運轉，靈活應用於各種場合。
優必選科技伺服軟體演算法功能齊全
· 電磁製動器
電磁製動器有兩種方式，第一種是轉子剛性連線一個多輻條（片）裝置，當電磁閥斷電時，在彈簧的作用下，金屬棒插入輻條之間的縫隙中，阻擋電機轉子旋轉；當電磁閥通電時，在電磁力的作用下金屬棒收起，輻條可以跟隨轉子旋轉。
第二種則是在上下兩個金屬中新增石墨片，當電磁抱閘通電吸合的時候，它對電機不制動；當斷電時，抱閘就會在彈簧的作用下抱住電機轉子產生制動。
電磁製動器的兩種方式
不管是哪種方式，當電磁製動器加入伺服驅動器後，在軟體上一定要注意控制機制。因為在高速的情況下，如果直接把金屬棒插入到輻條裡，非常容易打壞伺服驅動器。
· 通訊
目前通訊方式應用最多的有RS485，CAN，EtherCAT等，具體選用哪一種方式，就要考慮伺服驅動器在不同機器人中的應用場景。
· 中空設計
一般的家庭應用或者服務機器人，不可能像工業領域那樣在外部走線，因此伺服驅動器做成中空設計，簡化外部結構，是最方便的。如果中空結構加上滑環設計，就可以實現伺服驅動器的多圈輸出。
優必選伺服驅動器的研究與應用
由於構成複雜、控制精度要求高，伺服驅動器具有很高的技術門檻，成本居高不下，往往佔到機器人總成本50%以上。
優必選科技自2012年開始攻克伺服驅動器的的難關，截止目前，已經設計和生產了40多種不同的伺服驅動器，掌握了從0。2Nm小型伺服驅動器，到120Nm大型伺服驅動器的量產能力，並在不同系列機器人上實現大規模應用，做到研產銷鏈一體化。
在小型伺服驅動器上，包含了0。2~0。6Nm的範圍，電壓覆蓋了7。4伏、11。1伏、24伏等。這些伺服驅動器目前已經實現大批次量產，廣泛應用於小體積精密場景。
比如擁有16個運動關節的Alpha系列，就是應用12kg·cm的伺服驅動器，支援串列埠通訊，結構緊湊，精度高，噪音低，能夠靈活實現跳舞等運動功能。
優必選小型伺服驅動器特點
Alpha系列內含16個優必選科技自主研發的專業伺服舵機
在大型伺服驅動器上，最大的一款是120Nm，最小的是15Nm，主要應用在Walker和大型機械臂上，它的電壓基本上在38伏，依據電機把斜坡減速，以及高精度位置感測器的方式。
優必選大型伺服驅動器特點
這些大型伺服驅動器，分別應用在Walker的肘部、上臂、肩部前向、髖部前向、踝部前向等關節上，以此實現平穩快速的行走和靈活精準的操作。
面對這麼多效能指標的伺服驅動器，在做機器人的時候，到底該怎麼選擇呢？根據三種不同的應用場景，來看一下伺服驅動器的選型指標及排序吧！
伺服驅動器的選型指標伺服驅動器的選型指標
桌面型的小型雙足機器人，往往需要大批次的量產，因此價效比是非常敏感的要素；對於四足機器人來說，響應速度、抗衝擊力、價格的指標要求比較優先；大型雙足機器人的要求則要高一些，特別是控制精度、響應速度、通訊實時性等。
未來研究方向
隨著近幾年消費機器人的熱潮，不同機器人對伺服驅動器的要求也越來越高，在電驅伺服驅動器的方向，仍有不少改進空間，比如減小體積、外觀流暢、提升功率密度，以達到跑和跳的動作需求。
雙自由度設計也是方向之一，把兩個自由度做在一個伺服驅動器裡，同時產生兩個垂直的輸出，例如髖部，可以把前後的運動和側向的運動做成一體，以此來節約體積和重量。此外，還有IMU慣導功能的伺服驅動器、多圈旋轉模式（中空滑環設計）、具有剎車/離合功能伺服驅動器、具有彈性儲能裝置的伺服驅動器、新材料（如碳纖維）使用等，也是未來的重點研究發展方向。
伺服驅動器作為核心技術的佈局之一，未來，優必選科技仍會繼續更深的挖掘和技術的積累，致力讓人工智慧推動全產業發展，讓智慧機器人走進千家萬戶。
