人形机器人之伺服系统

Ai机器人网2024-07-26 02:33:16145

人形机器人**全身的关节数量对应着伺服系统的需求量，如特斯拉Optimus人形机器人拥有40个自由度，优必选人形机器人walke X含有41个高性能伺服驱动关节，达闼机器人Cloud Ginger 2.0采用41个柔性智能关节，傅利叶通用人形机器人GR-1全身更是多达51个自由度。

虽然版本迭代使用量会有变化，但总体来说对伺服系统的需求是巨大的。

伺服系统的本质

伺服系统是一个将输入的能量信号转换为精确控制的机械运动输出的复杂系统。它结合了能量转换、力学控制、反馈控制、信号处理、电磁兼容性、热管理和材料科学等多个领域的基本原理，以实现对机械运动的精确控制。

伺服系统里面有个智能的大脑（控制系统），它会不断地检查电机是否按照你的要求在工作，如果有偏差，它就会自动调整，确保机械部件能够精确、稳定地运动（基于反馈来调整纠偏的控制）。

一般高精度伺服系统的主要构成

电机：这是伺服电机的核心部分，包括定子和转子。定子通常嵌有多相绕组，而转子可能采用永磁材料制成，特别是在无刷直流伺服电机中。

伺服电机的分类方式多种多样，其中一种常见的分类方法是根据电机的驱动源。在这个标准下，伺服电机主要分为交流伺服电机和直流伺服电机两大类。

直流伺服电机通常使用有刷或无刷直流电机作为驱动源。有刷电机通过物理接触（电刷和换向器）来改变电流方向，磁极不动，线圈旋转。无刷电机没有刷子和换向器，而是用电子方式控制电流。无刷电机磁极旋转，线圈不动。

交流伺服电机以其高效率和高可靠性在自动化领域得到了广泛的应用，它们还可以进一步细分为同步电机和异步电机。同步电机的特点是转子转速与定子旋转磁场保持同步，而异步电机的转子转速则略低于定子磁场的同步速度。

除了工作原理，伺服电机还可以根据其结构形式进行分类。有框电机带有机械框架，便于安装和维护；无框电机则没有固定框架，更加轻便，适合空间受限的应用；模块化电机则设计为可组装和拆卸的模块，方便定制和适应不同的应用需求。

编码器：伺服系统中的编码器是一种关键的传感器，它用于提供关于电机轴位置和旋转速度的精确信息。编码器的性能直接影响到伺服系统的精度和可靠性。

它将机械位置或角度转换为电信号，这些信号随后被控制器用于与期望的位置或速度进行比较。通过这种比较，控制器能够计算出偏差，并据此调整电机的输出，以确保电机的运动精确跟随控制指令。此外，编码器还提供了必要的速度反馈，使得系统能够进行动态调整和优化，以适应快速变化的运行条件和负载要求。

按照提供相对位置还是绝对位置可以分为增量式和绝对式。

增量式编码器：提供相对位置信息，即它们能够测量并报告位置的变化量。增量式编码器通常有两个输出信号，一个是索引脉冲，用于标识参考位置（提供一个固定的参考点），另一个是正交脉冲对，用于计算位移和速度。它们广泛应用于需要快速响应和低成本解决方案的场合。

绝对式编码器：提供特定位置的绝对位置信息。与增量式编码器不同，绝对式编码器无需参考点即可报告位置。它们通常用于需要精确位置控制和故障安全应用的场合。

按照测量方式可以分为磁性和光学。

磁性编码器：利用磁场的变化来测量位置和速度。磁性编码器可以是增量式的，也可以是绝对式的，它们通常具有较高的分辨率和抗干扰能力。

光学编码器：使用光学元件（如光电二极管和码盘）来测量位置和速度。光学编码器提供高精度和高分辨率的反馈信号，但可能对污染和环境条件较为敏感。

人形机器人的执行器，无论是旋转型还是直线型，都需要编码器来确保精确的运动控制。编码器提供的位置反馈信号使得控制系统能够调整执行器的运动，以适应不同的任务要求和环境变化。

在某些关键的关节，如人形机器人的旋转关节，可能会采用双编码器方案。一个编码器用于基本的位置反馈，而另一个用于高精度的扭矩计算。这种配置提高了系统的冗余性和可靠性，同时也增加了控制的精确度。

人形机器人中使用的编码器主要有光电编码器和磁性编码器。光电编码器因其高精度和稳定性而广泛应用于需要精确测量的场合，而磁性编码器则因其小型化、抗震动和耐污染的特性，在空间受限的关节中越来越受欢迎。

控制器：伺服系统中的控制器是整个系统的大脑，负责接收指令信号并根据反馈信息进行处理，以实现对电机或其他执行机构的精确控制。控制器的性能直接影响到伺服系统的整体精度、稳定性和响应速度。

控制器根据控制理论，如PID控制、模糊控制、自适应控制等，对输入的指令信号和反馈信号进行比较和计算，生成控制误差，并据此调整输出信号。PID控制是最常见的控制策略，通过比例（P）、积分（I）和微分（D）三个参数的调整，实现对系统误差的有效控制。现代控制器还可能集成更高级的控制算法，如前馈控制、滑模控制等，以提高系统的性能。

可编程逻辑控制器（PLC）在工业伺服系统中应用广泛，其模块化和可编程特性使得系统设计更加灵活，易于实现各种复杂的控制逻辑。嵌入式控制器通常集成在伺服驱动器内部，具有体积小、响应快的特点，适用于对空间和响应速度有严格要求的场合。

在人形机器人的设计中，驱控一体化技术可以有效缩小体积、减轻重量并提高性能。通过将驱动器与控制器集成，实现更快速的内部通信和更高效的控制算法执行，从而提升整体系统的性能和响应速度。

随着人工智能技术的发展，人形机器人控制器也在不断地进行软件创新。通过构建高实时、高可靠、高智能的专用操作系统，控制器能够与通用大模型等技术深度融合，提供安全、稳定、易用的系统平台。

驱动器：驱动器接收来自控制器的控制信号，根据这些信号，通过内部的功率放大器和信号调制器，生成适合驱动电机的电源信号。同时，驱动器还会根据电机和负载的实际状态，调整输出信号，以确保电机按照预定轨迹精确运动。

伺服系统的主要玩家

在伺服系统市场中，主要玩家包括国内外的知名品牌。

国际品牌如安川、三菱、松下、西门子等，由于其产品成熟度高和技术先进，长期占据国内伺服系统的中高端市场。这些品牌在伺服系统的研发、生产和应用方面具有深厚的积累，提供了一系列高性能的伺服产品和解决方案。

国内企业近年来通过技术进步和市场拓展，逐渐提升了市场份额。2023年上半年汇川技术在中国伺服电机市场的份额达到24.3%，而排名第二的西门子市场份额约为10.6%，安川9.4%。此外，禾川、伟创等国内公司的伺服系统也在快速发展中。

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