机器人能跑能跳的秘密武器：揭秘伺服驱动器的前世今生

介绍机器人的秘密武器：伺服驱动器如何赋予机器跑、跳、上下楼梯的能力？

想象一下，一个机器人能够自如地行走、跳跃、上下楼梯，甚至为我们端茶倒水，这其中究竟是何方神圣在默默助力？答案就是伺服驱动器。

伺服驱动器，作为机器人运动的核心部件，其功能类似于人体中的关节组织，因此被形象地称为“关节驱动器”。它不仅负责机器人的运动控制，还要担当起感知外界力量的重任。当机器人与外界环境互动时，伺服驱动器能够感知外界的力，并给出一个精确的力反馈，从而实现柔性控制。这使得机器人在复杂多变的环境中，依然能够安全、流畅地执行任务。

当我们谈到服务型机器人时，伺服驱动器的重要性更是凸显。由于其安装空间和应用工况的局限性，对伺服驱动器的要求极高。它不仅要体积小、重量轻，还需具备大扭矩、高精度的特性。在很多情况下，伺服驱动器的成本甚至占到机器人总成本的50%以上。

可以说，伺服驱动器是机器人的“心脏”，为机器人的每一个动作提供动力。当我们赞叹机器人的灵巧与智能时，不妨想想背后默默付出的伺服驱动器，正是它的精湛技术，赋予了机器人如此强大的能力。随着服务机器人市场的迅猛增长，一种名为伺服驱动器的“高精尖”零部件正逐渐走进人们的视野。这篇文章，由国际标准化组织齿轮技术委员会（ISO/TC60）的委员、教育部长江学者特聘教授石照耀博士，以及优必选人形机器人创新中心的专家丁宏钰共同撰写，名为《双足仿人机器人驱动器——演进、现状与前景》。

文章深入探讨了伺服驱动器的发展历程，并针对双足仿人机器人关节的运动特性进行了详细分析。双足仿人机器人被誉为“制造业上的明珠”，其关键部件——机器人关节驱动器，也就是我们通常所说的机器人一体化关节，按照动力来源的不同，可以分为液压、气动、电机驱动等多种类型。

本文将焦点放在了电机驱动的驱动器上。这种驱动器由多个部分构成，包括电机、减速器、编码器、控制板和控制软件等。双足仿人机器人在许多场合都能协助甚至替代人类完成工作，例如家庭助手、灾难救援、防爆和反恐等。

研究人员一直在努力让机器人的运动性能接近甚至达到人类的水平。尽管我们已经看到了诸如本田的ASIMO、波士顿动力的ATLAS以及意大利技术研究院的Walk-Man等令人印象深刻的成果，但遗憾的是，目前还没有任何一款机器人能够完全达到人或动物的运动性能。

这篇文章不仅梳理了伺服驱动器的发展历程，还分析了双足仿人机器人的技术挑战和前景展望，为我们揭示了这一领域的最新研究进展和发展趋势，为我们进一步了解这一技术提供了深入的见解。双足仿人机器人的关节运动特点与人类相似，展现出快速的运动能力、出色的机动性能以及灵活的步幅和步频变化。它们还表现出能量新陈代谢的变化、离散着地点以及承受高速碰撞的能力。这些运动特性要求驱动器必须具备高功率密度、快速响应、高效能量利用和耐冲击等特性。

本文详细探讨了三种主流技术路线的驱动器：刚性驱动器、弹性驱动器以及准直驱驱动器。文章深入分析了国内外研究现状，对比了这三种驱动器的技术特点，并探讨了当前面临的挑战以及未来的发展趋势。

经过30多年的研发历程，双足仿人机器人技术主要集中在四大领域。早在1971年，早稻田大学的加藤一郎教授成功研制出世界上第一台三维双足机器人WAP-3，这款机器人已经能够实现静态步行，标志着双足仿人机器人研究的开端。从那时起，双足仿人机器人技术不断发展，不断突破，为人类的科技进步带来了无限可能。双足仿人机器人与传统的轮式和履带式机器人相比，拥有诸多显著的优势特点。其卓越的地面适应性、低能耗、宽敞的工作空间以及双足或多足行走能力，突显了其在机器人技术领域的先进性。这些特点的实现，对机器人的机械结构以及驱动器提出了更高的要求。

对于双足仿人机器人的驱动器研究，已经历了三十多年的发展历程，其历程及关键事件如图1所示。早在1983年，早稻田大学研究的WL-10R机器人便采用了刚性驱动器TSA，从此，刚性驱动器被广泛应用于双足仿人机器人，作为关节动力源的首选。

随后，在1995年，麻省理工学院的Pratt等人提出了弹性驱动器SEA的概念，这一创新拉开了弹性驱动器研究的序幕。不久，美国宇航局的机器人Valkyrie和意大利技术研究院的机器人Walk-Man都纷纷采用了弹性驱动器技术。

而近年来，双足仿人机器人驱动器的研究又迈出了新的一步。2016年，Wensing等人提出了准直驱驱动器PA的概念，并将其成功应用于四足机器人Cheetah和双足机器人Hermes。这一新型驱动器成为了近年来研究的热点，为双足仿人机器人的进一步发展开启了新的可能性。

双足仿人机器人的驱动器研究不断突破，从刚性到弹性，再到准直驱，每一次的技术革新都为机器人的性能提升带来了质的飞跃。在过去的三十多年里，驱动器技术经历了翻天覆地的变革，主要集中表现在以下几个方面。

▲图1 驱动器类型和历史

从驱动器和整机关系角度看，驱动器不再仅仅是一个独立的部件，而是经历了与整机融合的发展过程。这意味着驱动器与整个系统的协同作用更加紧密，为整体性能的提升打下了坚实基础。

在整体设计方面，驱动器技术从最初的刚性驱动器逐步演进到了弹性驱动器和准直驱驱动器。这一变革不仅提高了驱动器的适应性和灵活性，也为其在各种复杂环境中的应用提供了更广阔的空间。

在减速器方面，驱动器技术也经历了显著的改进。传统的大传动比减速器逐渐被小传动比减速器所替代，这一变化不仅使驱动器的性能得到了提升，而且为其在精密控制领域的应用提供了可能。

在控制方面，驱动器技术也从最初的位置控制发展到了力位混合控制和阻抗控制。这一进步使得驱动器不仅能够精确控制位置，还能实现对力和阻抗的精准控制，为其在多种应用场景下提供更加精细、准确的控制提供了保障。

这些驱动器技术的变革推动了整个行业的发展，为未来的技术创新和进步奠定了坚实的基础。经过深入研究和分析，驱动器技术领域展现出了三种主流技术路线，即刚性驱动器、弹性驱动器和准直驱驱动器。本文将详细探讨这三种技术路线的演进，并对它们进行综合比较，也将探讨下一阶段驱动器原理的新研究方向和现有驱动器技术的发展趋势。

我们来关注刚性驱动器。这一技术路线在设计上正面临一些瓶颈，尤其是在功率密度方面，它无法与自然界的生物肌肉相匹敌。

刚性驱动器的基本构造包括电机、高传动比减速器、编码器、力矩传感器和控制板等核心组件，其中，力矩传感器并非必需品。这种驱动器在功率传输上具有较高的精度和效率，但在模拟生物肌肉的运动方式和效率方面仍存在较大的差距。尽管经过多次技术迭代，刚性驱动器依然无法完全模拟生物肌肉的运动方式和效率。这主要是由于生物肌肉在运动过程中的自适应性和高效性能，是现今技术尚未完全攻克的研究领域。尽管如此，研究者们仍在不断努力，探索如何提升刚性驱动器的性能，以期在未来实现更大的突破。

弹性驱动器与准直驱驱动器作为另外两种主流的技术路线，也在不断地发展和完善。弹性驱动器以其独特的弹性和灵活性在运动控制和能量效率方面展现出优势；而准直驱驱动器则在直接驱动技术和高精度控制方面取得了显著的进步。尽管这三种技术路线各有优势和局限，但它们都在不断地推动驱动器技术的进步，为未来的研究和应用提供了广阔的空间。

总体来看，虽然驱动器技术在模拟生物肌肉运动方面取得了一定的进展，但仍存在许多挑战和未解决的问题。未来，随着科技的进步和研究的深入，我们期待驱动器技术能够在模拟生物肌肉运动方面取得更大的突破，为人工智能、机器人等领域的发展提供更强的动力。图2展示了机器人LOLA的刚性驱动器设计，由Sebastian等人精心打造。驱动器中包含了无刷电机、谐波减速器、绝对编码器和增量编码器等核心组件。整个设计既体现了技术的精细之处，又展现了驱动器的强大功能。

无刷电机的应用为机器人LOLA提供了高效且稳定的动力来源。谐波减速器则通过其精确的减速机制，确保机器人运动的精准控制。而绝对编码器和增量编码器的结合，使得机器人LOLA的定位和运动控制更为精确和可靠。

这个刚性驱动器设计不仅体现了先进的技术水平，也为机器人LOLA的性能提升奠定了坚实的基础。无论是从结构设计还是从功能实现上，这都是一项令人瞩目的成就。Iribe等人针对SDR机器人设计了一款驱动器，这款驱动器融合了内转子电机和精密减速器，其显著特点是拥有强大的反驱动能力。为简化设计布局和拆装流程，Park等人创新性地提出了驱动器模块化设计理念。

表1展示了当前主要的刚性驱动器配置对比。值得注意的是，韩国Robotis的Dynamixel Pro Series驱动器采用了独特的摆线针轮减速器。而其它驱动器则普遍采用谐波减速器。在轴向尺寸空间方面，刹车和力矩传感器并非必备元素，这有助于进一步节省空间。所有的设计都选用了绝对式编码器，这是因为大多数机器人本体已配备了陀螺仪IMU（惯性测量单元），因此驱动器很少额外安装IMU。

这款驱动器不仅体现了技术上的创新，其性能与特点也使其在许多机器人应用中具有广泛的应用前景。通过模块化的设计概念，不仅方便了布局和拆装，也提高了驱动器的适应性和可扩展性。与此对于减速器的不同选择，也反映了当前机器人技术在硬件配置上的多样性和创新性。表1：刚性驱动器配置比较与优化

在设计领域，Huber及其团队开创了一种独特的方法，该方法基于执行器的性能特征，旨在选择最适合特定任务的执行器类型。他们的设计哲学深刻理解了执行器的核心性能，并将其与实际应用需求相匹配，从而达到最优的设计效果。

与此Van de Straete等人则提出了一种全新的驱动器设计方法。他们将设计过程划分为两个阶段：可行性研究以及优化阶段。这种方法的独特之处在于，它为伺服驱动器系统提供了一个快速且自动化的设计流程。通过这种方式，设计师可以更加高效地探索不同的设计方案，从而找到最优的解决方案。

更令人瞩目的是，他们的研究成果可以通过图表直观地展示出来。这些图表不仅展示了各种设计方案的性能数据，还揭示了不同设计参数之间的相互影响。这对于深入理解驱动器的性能特征，以及进一步优化设计，都具有非常重要的意义。这种可视化的呈现方式，也使得研究成果更加易于理解和应用。针对机器人驱动器的性能优化，Roos及其研究团队深入探讨了减速器传动比对驱动器性能的影响，以及伺服电机与减速器的集成优化问题。他们致力于机械与控制整合设计的创新研究，旨在提升驱动器的综合性能。

Vaculik团队则聚焦于驱动器的设计流程，构建了电机与减速器的参数模型，为后续的优化研究提供了有力的工具。

为了平衡电机与减速器的参数，Zhou团队开发了一个由MSC.ADAMS动力学模型和Matlab代码优化算法组成的协同仿真平台。该平台通过精准模拟不同组合下的电机和减速器性能，成功实现了五轴机械臂的重量轻量化，显示了其在实际应用中的巨大潜力。

Budinger团队则率先建立了基于模型的机电执行器初步设计的估算模型，为机电执行器的初步设计提供了参考依据。

Rezazadeh团队的研究则关注了一般负载下机器人系统中驱动器电动机和传动装置的机电选择优化问题，他们提供的解决方案为行业提供了一种有效的优化方法。

Saerens团队针对机器人的最大连续输出扭矩和转动惯量，制定了比例定律，该定律考虑了减速器的级数、传动比以及不同类型的尺寸参数。从上述分析可见，当前刚性驱动器的整体设计已趋于成熟，研究者更多地聚焦于电机与减速器的整体优化设计上，旨在进一步提升驱动器的性能表现。经过元器件工艺和原理的限制，传统刚性驱动器在功率密度方面难以达到生物肌肉的水平（500W/kg）。当机器人受到外部冲击时，刚性驱动器无法保障零部件的强度。为了突破这些限制，弹性驱动器逐渐崭露头角。

弹性驱动器借助肌肉力学模型，能够模拟肌肉的运动方式。关节运动通过弹性驱动器得以实现，与刚性驱动器相比更具灵活性。采用弹性驱动器的机器人能够在行走、奔跑、跳跃等方面展现出更加接近人类和动物的运动能力。尽管有所突破，当前TSA的机器人在运动能力上仍远未达到生物体，尤其是人类和动物所依赖的肌肉系统的水平。

未来，随着技术的不断进步和创新，我们期待机器人技术能够更加接近生物体的运动性能，为人类带来更多的便利和可能性。动物以其刚柔并济的肌肉骨骼系统，在运动过程中展现了能量的储存与释放的神奇能力。它们巧妙地调节能量在时间上的分配以及功率密度的匹配，从而提升关节的瞬时爆发力，并实现能量的高效循环利用，同时确保落地时的缓冲效果。为了深入理解并应用这一自然力量，科研人员研发了多种自适应的弹性驱动器，以模拟肌肉系统的功能。这些驱动器使得关节展现出柔顺、安全以及高能量效率的特性。其设计原理主要基于Hill肌肉三元素力学模型。

如图3所示，肌肉收缩的复杂性可以被概括为三种基本元素：CE（收缩单元）、SE（串联弹性单元）以及PE（并联弹性单元）。这些单元以不同的组合方式，形成了两种主要的肌肉模型：PS（并行-串联）肌肉模型和SP（串联-并行）肌肉模型。

CE是肌肉收缩的核心部分，负责产生肌肉的主要收缩力。SE代表了肌肉中的串联弹性成分，它在肌肉收缩过程中起到储存和释放弹性势能的作用。而PE则代表了肌肉的并联弹性成分，它有助于调节肌肉的刚度和阻尼特性。

▲图3展示的是Hill肌肉力学模型，它揭示了肌肉的力学特性。基于对PS和SP肌肉模型结构的深入理解，我们可以基于结构相似性进一步探索并创新。如图4e所示，我们得到了两种仿生弹性驱动器结构，它们分别是并串式弹性驱动器PSEA（parallel series elastic actuator）和串并式弹性驱动器SPEA（series parallel elastic actuator）。这两种结构的设计灵感来源于自然界的生物力学原理，体现了人类对肌肉力学模型的深入研究和创新应用。

PSEA结构如同一个巧妙的并行串联系统，将弹性元件与驱动器相结合，展现出独特的性能优势。而SPEA结构则是一种串联与并联相结合的创意设计，它在实现功能的也展现了生物力学原理的巧妙应用。这两种仿生弹性驱动器的出现，不仅拓宽了我们的视野，也为我们提供了更多探索和研究的可能性。

图4揭示了弹性驱动器的不同类型。我们常见的几种基本模型包括刚性驱动器（TSA）、串联弹性驱动器（SEA）、并联弹性驱动器PEA以及离合弹性驱动器CEA。这些模型可以被看作是微弹性驱动器（MEA）的特定形式。

刚性驱动器（TSA）坚实稳定，如同名字所示，它以其刚性的特性为标志。串联弹性驱动器（SEA）则通过在关键部位串联弹性元素，赋予了系统更大的灵活性和适应性。并联弹性驱动器PEA则通过并联方式引入弹性组件，优化了系统的响应性能。而离合弹性驱动器CEA则巧妙地结合了离合器和弹性驱动器的特点，为系统提供了更为精细的控制。

这些不同类型的弹性驱动器，如同精密的工具箱中的工具，各具特色，适用于不同的应用场景和需求。它们的设计和使用，为我们的生活带来了更多的便利和可能性。近年来，弹性驱动器领域的研究成果及其应用领域极为引人注目，主要集中在串联弹性驱动器、并联弹性驱动器、离合式弹性驱动器和多模态弹性驱动器等方向。尤其是串联弹性驱动器，作为一种在驱动元件和负载间增加弹性单元的装置，它能够有效缓冲外部冲击和进行能量储存。

麻省理工学院的Pratt等人率先提出了弹性驱动器（SEA）的概念。他们深入研究了SEA的抗冲击性、低反射惯性、精确稳定的力控制性能，以及其对环境破坏的减少和能量存储的优势。随后，他们进一步探索了SEA的闭环力控制及其在腿足机器人上的应用。

经过几十年的发展，如今对SEA的研究主要集中在变刚度设计、控制和应用等方面。其中，Vanderborght等研究者深入研究了机械可调节的柔度和可控制的平衡位置驱动器。这种驱动器的柔度和平衡位置可以完全独立地控制，而且这两项功能均由专用伺服电机设定，这无疑为弹性驱动器的发展开辟了新的道路。

Sariyildiz等研究者则聚焦于新型SEA的运动控制问题，也就是位置和力控制问题。他们提出了一种基于加速度的鲁棒控制器，这大大增强了弹性驱动器的运动控制性能。这些研究不仅深化了我们对弹性驱动器的理解，也为这一领域的未来发展提供了坚实的理论基础和实践指导。通过巧妙结合软弹簧与硬弹簧，我们成功开发出一种可变刚度的SEA（声弹性体驱动器），旨在突破传统SEA的性能局限。Haddadin等研究团队通过精准控制策略的优化，使得变刚度弹性驱动器的输出速度达到最大化。令人惊讶的是，由于弹性驱动器独特的储能特性，其最大输出速度已经超越了理论电机的输出能力。

面对救灾机器人面临的跌落和环境碰撞挑战，意大利技术研究院设计了一款新型弹性驱动器，广泛应用于WALK-MAN机器人的手臂。实验证明，这款驱动器不仅具备出色的负载能力，还拥有强大的抗冲击能力。更值得一提的是，在谐波减速器的输出端与驱动器之间，特别设置了一种弹性零件——扭力杆，如图5所示。这一设计不仅提升了机器人的适应性，也使得其在复杂环境中更加灵活稳定。这一创新技术为救灾机器人的未来发展打开了新的可能。图5展示了弹性驱动器的构造。由前述分析可知，SEA（弹性驱动器）具备缓冲机器人触地冲击和缓解外部碰撞冲击的重要功能，同时还能储存能量。由于引入了弹性元件，系统变成了欠驱动系统，其运动控制的精度相对较低。

接下来要探讨的是并联弹性驱动器。这种驱动器在驱动元件的基础上增加了并联的弹性元件，使得这些元件能够共同作用于被驱动对象。通过控制驱动元件，我们可以调节并联弹性元件的能量储存和释放。

并联弹性驱动器的一个典型应用是由Mettin等人在2阶倒立摆模型中的实践。在这个应用中，被动弹簧与欠驱动执行器被并联起来，显著降低了能量损耗。

这种驱动器结合了弹性元件和驱动元件的优势，既能提供稳定的能量储存和释放，又能通过调节驱动元件来控制系统的运动。它的应用不仅有助于提高机器人的运动性能，还能在碰撞和冲击情况下提供更强的保护。这一技术为机器人的设计和控制带来了新的可能性，将有望在未来的机器人技术中发挥重要作用。经过深入研究和实验验证，Niehues及其团队证明了在机器人关节存在时间延迟的情况下，通过引入PEA（平行弹性元件），可以有效提高机器人的稳定性和鲁棒性。为了验证这一理论，研究人员精心设计了两个具备PEA的2自由度肌腱驱动手指。实验结果显示，在平滑轨迹跟踪方面，特别是在稳定性和对抗冲击的鲁棒性上，PEA的引入为机器人手指带来了显著优势。

Brown团队则在机械臂中融入了PEA的智慧。他们发现，合理设计的弹簧能够降低电机峰值转矩约50%，并将能耗降低25%，这一创新为机械臂的性能提升和能效优化带来了新思路。

Borras等人在Stewart并联机器人的关节处巧妙地增加了并联弹簧，并提出了简单的优化策略。当这种并联机器人受到特定力，例如重物压在平台上时，PEA能够显著减小驱动元件的输出力矩。这一创新实现了小功率电机驱动大载荷的壮举，且在不影响刚性的情况下，极大地提高了机器人的负载能力。

Mazumdar团队则专注于双足机器人腿部的研究。他们探索了PEA如何帮助减少能量损耗，提高能量利用效率。他们提供的原理图展示了PEA的工作原理，及其在机器人髋关节上的实际应用。

Toxiri团队则将焦点放在了上肢外骨骼机器人上。他们在设计中融入了PEA，这一创新大大减少了电机力矩的需求，并改善了控制性能。相较于不添加平行弹性元件的设计，这一改进为上肢外骨骼机器人带来了更加流畅、自然的运动体验。

这些研究不仅展示了PEA在机器人技术中的广泛应用，也证明了其在提高机器人性能、效率和稳定性方面的巨大潜力。随着技术的不断进步，我们期待看到更多关于PEA在机器人领域的研究和应用，为机器人的发展注入更多活力。▲图6展示了并联驱动器的基本构造。基于之前的分析，我们可以了解到并联弹性元件在能量存储和释放方面扮演着关键角色。相较于传统的刚性驱动器，并联弹性驱动器展现出了显著的优势，它能够大幅提升输出功率并降低能量损耗。要让并联弹性驱动器与机器人的运动完美配合，并最大化地实现能量的储存和释放，我们仍面临一系列挑战。这些问题需要我们深入研究和探索，以推动并联弹性驱动器在机器人技术中的更广泛应用。近年来，离合弹性驱动器成为了驱动器研究的热点之一。这一设计是在串联弹性驱动器或并联弹性驱动器的弹性元件位置增加离合装置，通过控制弹性元件的开合，实现弹性元件的能量储存和释放的精准控制。这一技术的引入，为驱动器性能的提升带来了革命性的变革。

Haeufle等研究者展示了CEA初始原型机的设计和控制策略。这台原型机集成了直流电机、弹簧以及低成本的电子离合器。在模仿人体反弹任务中膝部伸肌的扭矩和运动模式的实验中，该原型机表现出色。其中的并联弹簧设计，使得执行器的能耗降低了约80%，同时降低了直流电机的峰值扭矩需求约66%，这一成果令人瞩目。

与此Plooij及其团队提出了双向离合并联弹性执行器（BIC-PEA）的概念和设计。他们验证了通过控制离合装置，可以在时间和方向上实现加载和卸载的精准控制。并行弹簧的设计进一步减少了机器人的能耗，具体设计如图7所示。根据形态的不同，Plooij等还将CEA细分为9类，并为CEA功能分析提供了有效的数学方法。

这些研究成果展示了离合弹性驱动器在提升驱动器性能方面的巨大潜力。随着技术的不断进步，离合弹性驱动器将会在机器人、自动化以及其它领域得到广泛应用，为我们的生活带来更多便利。图7展示了离合驱动器在机器人外骨骼设计中的应用。Penzlin及其团队巧妙地运用CEA（一种设计理念）于外骨骼机器人的设计中。他们通过构建非线性模型、制作样机并进行一系列实验，证明了CEA理念能够显著提高外骨骼设计的效率。这一设计不仅增强了机器人的性能，也为其赋予了更高的灵活性和适应性。

CEA设计理念在外骨骼机器人中的应用，展现了其在提高设计效率方面的巨大潜力。通过细致的非线性模型建立，Penzlin团队成功地将CEA融入外骨骼机器人的核心组件——离合驱动器。这不仅优化了机器人的性能表现，同时也为其在复杂环境下的应用提供了更强的适应性。

样机的制作和实验是验证设计理念的关键环节。Penzlin团队通过严格的测试，证明了CEA理念在实际应用中的有效性。这一系列实验不仅展示了外骨骼机器人的卓越性能，也进一步验证了CEA在提高设计效率方面的优势。这一创新性的设计理念为外骨骼机器人的发展开辟了新的道路，预示着未来机器人技术的崭新篇章。DeBoon及其团队对CEA在康复外骨骼机器人领域的应用进行了深入研究。他们采用了包括直流电机、扭簧和磁粉制动器在内的驱动器，并提出了自由运动、弹性运动和辅助阻抗运动三种制动模式。这些创新的应用方式，得益于引入了离合装置，使得CEA能够控制弹性元件能量的储存和释放，从而大幅提高了能量效率。在具体应用中，可以根据需求灵活调整弹性元件和离合机构的形式，这一领域正成为当前研究的热点。

为了克服单一驱动器在机器人瞬时高输出扭矩、能量效率和抗冲击能力方面的不足，研究人员进一步探索了多模态弹性驱动器的概念。Mathijssen等人率先研究了串并联驱动器SPEA，它利用平行弹性元件实现了可变的载荷储存和释放。该装置采用多个带有锁紧环和锁板的不完全齿轮作为与电动机并联的间歇机构，能够有效降低电动机的扭矩要求，缩小电动机尺寸，从而提高整体效率。

▲图8 多模态驱动器

从上述分析来看，多模态弹性驱动器汇聚了单一驱动器的精华，出色地实现了能量存储与节能的目标。这款驱动器在设计上颇为精妙复杂，它的系统建模和控制过程也因此变得更加富有挑战性。

该驱动器以其卓越的性能，实现了多种模态的协同工作。每一种模态都凝聚了技术的精髓，使得驱动器能够在不同的工作场景下展现出卓越的性能。这种多模态的设计也带来了不小的技术挑战。系统的建模过程需要考虑到各种模态之间的相互作用，以及它们与环境因素之间的复杂关系。而控制过程也需要适应这种复杂的动态环境，确保各种模态能够稳定、高效地协同工作。

尽管如此，多模态驱动器仍然以其出色的性能和适应性，赢得了工程师和技术专家的青睐。随着技术的不断进步和研究的深入，我们期待这一驱动器能够在未来实现更广泛的应用，为各种场景提供更为出色的解决方案。准直驱驱动器是一种电机驱动开环的系统，它能够感知机器人脚部与外界的交互力，这种能力被称为本体感知。与传统的驱动器不同，准直驱驱动器不依赖外部力或力矩传感器，而是直接通过驱动器电机开环力控来实现本体感知功能。它也被称作本体驱动器。

尽管电机直接驱动是最理想的选择，但由于电机工艺和技术的限制，直驱驱动器的扭矩密度无法满足机器人的需求。我们采用了一种折中的方案：电机加上低传动比减速器。这种方案要求负载质量和转动惯量尽可能小，以实现高带宽力控和良好的抗冲击能力。

准直驱驱动器主要由高扭矩密度电机、低传动比减速器、编码器和控制板等关键部件组成。其中，Wensing等人设计的一种准直驱驱动器采用了内转子电机和传动比为5.8的精密行星减速器，这一设计如图9所示。这种驱动器的结构紧凑、高效，能够提供良好的力控和动态性能，是机器人领域的一项重要创新。

准直驱驱动器是一种具有创新性的机器人驱动系统，它通过结合电机和减速器的优势，实现了高扭矩密度和优秀的力控性能。这一技术的发展将有助于提升机器人的性能和应用范围，为机器人技术的进一步发展奠定坚实基础。在科技前沿领域，Benjamin及其团队通过精心设计，成功推出了改进版的准直驱驱动器。他们不仅构建了高性能的四足机器人Cheetah和双足机器人Hermes进行测试，还展示了其创新的驱动技术。

▲图9展示的是准直驱驱动器的核心构造。它采用外转子力矩电机设计，这种电机的直径增加，使得电机力矩与半径的关系呈现平方增长，因此扭矩密度远高于传统的内转子电机。传动比为6的行星减速器被巧妙地内嵌于电机内部，使得整个驱动器的轴向尺寸更加紧凑。

如图10所示，这款驱动器的性能令人瞩目。其扭矩密度高达35.4Nm/kg，功率密度达到了惊人的1416W/kg，这一数据甚至超越了人类肌肉的功率密度500W/kg。这意味着准直驱驱动器在动力输出上具有显著优势，为机器人技术带来了革命性的进步。

Benjamin团队的努力不仅为我们展示了机器人的未来发展潜力，同时也为驱动技术领域树立了新的标杆。他们的成就无疑将推动科技界进一步探索和创新，为机器人技术的进步做出重要贡献。▲图10：改进版准直驱驱动器

宇树科技推出的这款新型准直驱驱动器，其设计巧妙地融入了新的结构元素。在电机基座与内齿圈之间，增设了一种特殊的离合结构。这一创新设计的目的在于，当外界的负载冲击力即将超越减速器零件的承受极限时，这个看似平常的离合结构就会发挥至关重要的作用。它的作用机制十分独特，能将外界的冲击能量转化为摩擦热量，然后通过摩擦热量将其消耗掉，这样一来，就能有效地保护减速器免受损害。这种巧妙的能量转换机制确保了驱动器的稳定性和耐用性。图11展示了这一新结构的详细布局和设计细节。这款改进版准直驱驱动器的推出，无疑为相关领域的技术发展注入了新的活力。图11展示了带离合功能的准直驱驱动器。这款驱动器独具特色，其电机端和输出端均配备了位置编码器，而电机轴则采用了中空结构设计。银弗科技在此基础上进一步创新，推出了一种紧凑型的准直驱驱动器。

这种新型驱动器的亮点在于将四点角接触轴承的滚道直接设置在行星减速器的机架上。这一设计显著缩减了驱动器的轴向尺寸，同时有效减轻了其整体重量。图12为我们生动描绘了这一创新结构。

这款驱动器以其卓越的性能和创新的设计理念，为现代机械驱动领域注入了新的活力。其紧凑的结构、高效的性能以及轻巧的重量，使其在多种应用场景中都能发挥出卓越的表现。无论是工业生产线还是精密仪器，这款带离合功能的准直驱驱动器都将展现出其独特的优势。优必选科技最新推出了一款紧凑型准直驱驱动器，其设计独具匠心。如图12所示，这款驱动器被巧妙地设计为轴向尺寸紧凑的结构。

这款驱动器主要由控制板、电机和两级行星减速器组成。控制板被巧妙地布置在电机的下方，而第一级行星减速器则被嵌入电机定子的内部。这种设计不仅优化了空间布局，也使得驱动器在保持高效性能的实现了轴向尺寸的极大缩减。

进一步地，第二级行星减速器被设置在电机外部。这一设计进一步提高了驱动器的整体性能，同时也方便了对驱动器进行维护和升级。这款驱动器的出现，无疑将为相关领域的应用带来革命性的变革。

优必选科技的这款紧凑型准直驱驱动器以其创新的设计和卓越的性能，必将为行业带来全新的体验。其独特的结构设计和优化布局，不仅减少了驱动器的轴向尺寸，还提高了驱动器的整体性能。这款驱动器无疑是优必选科技在驱动器领域的一次重要突破。▲图13：紧凑的准直驱驱动器概览

当我们观察现代驱动技术，主要有三种类型的驱动器引人注目：刚性驱动器、弹性驱动器和准直驱驱动器。本文将从结构布局、力矩测量方式、控制特点、功率特点、能量特点、安全性和应用场景等六个领域对这三种驱动器进行深入比较。

一、结构布局

刚性驱动器以其坚固稳定的设计而著称，通常用于需要高精确度和稳定性的应用。

弹性驱动器则拥有更高的灵活性和适应性，能够适应不同的工作环境和需求。

准直驱驱动器则结合了两者优点，具有紧凑的设计，同时保持了较高的性能和稳定性。

二、力矩测量方式

刚性驱动器通常采用直接的力矩传感器进行测量，精确度高。

弹性驱动器则依赖于复杂的算法和模型来估算力矩，虽然精度稍逊，但适应性更强。

准直驱驱动器则结合了直接的力矩测量和算法估算，提高了测量的准确性。

三、控制特点

刚性驱动器控制简单，稳定性好，适用于高精度控制需求。

弹性驱动器控制复杂，但能够适应多种工作环境和需求，灵活性高。

准直驱驱动器则在控制上兼具两者优点，既稳定又灵活。

四、功率特点

刚性驱动器通常具有较高的功率密度，适用于高功率应用。

弹性驱动器在功率方面表现中等，能够满足大多数应用需求。

准直驱驱动器在功率方面表现优异，能够在紧凑的设计中提供高效的性能。

五、能量特点

三种驱动器在能量转换效率方面表现各有优劣，但准直驱驱动器通常能够在效率和性能之间达到较好的平衡。

六、安全性

三种驱动器的安全性取决于其应用场景和使用方式。刚性驱动器和弹性驱动器在安全性能方面表现稳定，而准直驱驱动器的安全性则取决于其设计和控制策略。

七、应用场景

刚性驱动器广泛应用于需要高精度和高稳定性的领域，如精密制造和机器人控制。

弹性驱动器则适用于需要较高灵活性和适应性的领域，如航空航天和自动化生产线。

准直驱驱动器则因其兼具多种优点而广泛应用于各种领域，包括工业制造、医疗设备、新能源等。

表2 伺服驱动器特性比较

如表2所示，在结构布局方面，TSA伺服驱动器采用了常规无刷电机驱动高传动比减速器的设计，展现出独特的优势。它能够直接带动输出端，展现出高效且稳定的性能。部分设计还巧妙地在电机端融入了刹车功能，同时在减速器和输出端配备了高刚性的力矩传感器，进一步提升了整体性能。

这一设计不仅体现了技术的先进性，也展示了伺服驱动器在细节上的精心考虑。无论是直接驱动输出端，还是集成刹车功能，以及配备高刚性力矩传感器，TSA伺服驱动器都展现出其在性能上的卓越表现。在谈论弹性驱动器时，我们需要理解几个不同种类的驱动技术。其中，SEA驱动器采用了常规的无刷电机驱动高传动比减速器，并在减速器和输出端之间巧妙地加入了弹性体。而PEA驱动器则在TSA的基础上进一步增加了平行的弹性机构。CEA驱动器则又在SEA或PEA的基础上引入了弹性体开关机构。至于MEA，它是PEA、SEA和CEA技术的完美结合。

另一方面，准直驱驱动器是一种高扭矩密度的电机驱动技术，它采用低传动比减速器，并且输出端具有小惯量的特性。在力矩测量方面，刚性驱动器主要依赖电流或应变片式力矩传感器，而弹性驱动器则采用编码器原理或应变片式力矩传感器。准直驱驱动器则应用电流环检测。

从控制角度来看，各种驱动器各有特色。刚性驱动器的控制相对简单，但精度极高。SEA的控制较为复杂，精度稍低；PEA的控制相对简单，却保持了高精度的特点；CEA的控制简单，精度属于中等水平。而准直驱驱动器的控制虽然简单，却达到了高精度。在功率方面，刚性驱动器没有功率调节功能，而SEA、PEA和CEA的功率调制性能良好，MEA则表现出极佳的功率调制性。准直驱驱动器在这方面稍显逊色。

这些驱动器技术无疑为各种应用提供了丰富多样的选择，满足了不同的性能和精度需求。经过深入研究与多年发展，双足仿人机器人的驱动器技术已经经历了从刚性驱动器到弹性驱动器以及准直驱驱动器的演变。至今，双足仿人机器人的运动性能仍待提升，驱动器技术方面仍存在诸多挑战。

在能量特性方面，刚性驱动器虽然设计理论成熟且工业应用广泛，如传统的双足机器人、工业机器人、协作机器人和工业精密转台等领域，但其效率相对较低。而SEA和PEA的效率则属于一般水平，CMA、MEA和PA的效率则相对较高。这主要是因为刚性驱动器在电机和减速器功率密度上存在限制，其最大输出功率密度只能达到200～300W/kg，远不及动物肌肉的500W/kg。

安全性方面，刚性驱动器的表现较差。而SEA和MEA因有弹性体的保护，安全性较好。PEA的安全性则属于中等水平，CEA则较差。准直驱驱动器由于其独特的反驱特性，安全性表现良好。

双足仿人机器人的驱动器技术发展至今已有30多年的历程，但机器人的运动性能仍远未达到人类和动物的水平。这意味着驱动器技术仍有很大的提升空间，且存在一些难点需要克服。未来的发展方向需要进一步深入探讨和研究。

随着科技的不断进步，我们期待双足仿人机器人在驱动器技术方面能取得更大的突破，为未来的智能化生活带来更多的可能性。这也将推动相关产业的发展，为社会带来更多的价值。近年来，刚性驱动器领域尚未建立统一的标准检测方法和性能评价标准。相较之下，弹性驱动器已经取得了显著的进展，并在一些尖端产品中得到了广泛应用，如苏黎世理工的四足机器人ANYmal、美国宇航局的Valkyrie和意大利技术研究院COMAN等。

由于引入了弹性体，系统变为欠驱动，给控制带来了挑战。尤其在机器人腿部应用上，整机运动控制难以实现。目前，PEA、CEA和MEA技术的应用相对较少。其中，PEA技术面临控制并联弹性体能量吸收和释放时机的问题，CEA虽然能妥善解决串联弹性体的开关时机问题，但增加了辅助控制装置或机构。而MEA技术和结构较为复杂，控制难度较高。

与此准直驱驱动器作为新兴技术，在近几年得到了快速发展，并在多款机器人产品中得到了广泛应用，如麻省理工的Cheetah、宇树科技的Laikago和云深处科技的绝影等。准直驱驱动器的设计理念在于提高驱动器的扭矩密度、瞬间响应性和抗冲击能力，同时降低成本。其独特之处在于只有电机端配备位置编码器，这也带来了机器人断电后驱动器如何回归机械零位的新问题。

无论是弹性驱动器还是准直驱驱动器，它们都在不断发展和完善，为机器人技术带来新的突破和可能性。随着技术的不断进步，我们期待这些驱动器能在未来为机器人技术带来更多的创新和进步。人形机器人的运动挑战与未来趋势展望

研究表明，人类步行、疾跑和跳跃等动作时，脚底与地面的冲击力是自重的3倍以上。对于双足仿人机器人来说，要达到近似人类或动物的运动能力，其驱动器的性能至关重要。不仅要考虑驱动器系统的驱动能力相对于自重或负载的表现，还需结合传感系统、控制系统的感知和控制功能，实现快速响应。

仿生学研究为我们提供了新的设计原理。以鸵鸟、鹌鹑和家禽等动物的腿部骨骼和肌肉为仿生对象，我们可研究新的腿部构型，并根据构型需求设计驱动器的形式。这种设计需整合机器人整机设计与运动控制，确保整体性能的优化。

现有驱动器方案在工业领域已有广泛应用，但在人形机器人应用上受限。对于刚性驱动器，我们需要建立性能指标的检测方法和评价标准，包括回差、增速启动转矩、刚性、绝对精度等多个方面。而对于弹性驱动器，其关键是在PEA基础上增加离合装置，以控制平行弹性体的开关，从而提高能量利用率。这一方向的研究需要着眼于如何简化离合装置并提高其节能效率。

随着研究的深入，通信革新可能成为人形机器人的未来趋势。通过优化驱动器性能和整合先进技术，人形机器人在运动能力、能量效率和智能控制方面将取得显著进步。期待未来人形机器人能在更多领域发挥其潜力，为人类生活带来更多便利。结语：驱动器性能超越肌肉，准直驱驱动器引领未来主攻方向

随着中国经济和社会的快速发展，服务机器人领域呈现出广阔的应用前景。其中，双足仿人机器人以其类人的外形，更容易被人类接受，成为服务机器人领域的重要组成部分。而在这其中，驱动器作为机器人的核心部件，其性能优化显得尤为重要。

关于弹性驱动器设计，仅仅整合设计是远远不够的。为了实现机器人整体性能的最优化，我们必须结合机器人整机结构设计、驱动器设计、运动学和被动动力学，进行系统级优化设计。特别是在准直驱驱动器方向，我们需要进一步解决单编码器驱动器回零点问题，研究如何取消或延长绝对编码器的后备电池寿命。通过改善设计和工艺，提高电机的功率密度，这将使准直驱驱动器不仅限于四足机器人，更可广泛应用于双足仿人机器人及其他领域。

驱动器通信方面，随着5G、互联网和云技术的不断进步，驱动器可以与机器人上位机或云端总控进行无线通信。这不仅解决了机器人内部走线复杂、线材易磨损的问题，还能实时检测和监控驱动器的状态。计算和通信的集成化技术为驱动器的智能化提供了无限可能，使其更加灵活、高效。

随着技术的发展，准直驱驱动器或许将成为未来的主攻方向。其性能的优化和提升，使得机器人在模拟人类肌肉运动方面有了更大的突破。双足仿人机器人作为服务机器人的重要分支，将因此获得更广泛的应用和认可。本文将深入探讨双足仿人机器人驱动器的历史演变与关键性能指标。从刚性驱动器、弹性驱动器到准直驱驱动器的发展历程，都将被详尽阐述。我们会比较它们的特性，并指出虽然已有一定的成果，但驱动器的性能仍然远未达到生物肌肉的水平。双足仿人机器人的运动能力也未能完全模拟人类或动物。

文章还将展望未来驱动器的研发方向。以双足动物为蓝本的仿生腿部机构研究，将为机器人整机与新型驱动器构型的结合提供新的动力。对于现有的驱动器方案，如果没有电机和减速器的性能大幅度提升，刚性驱动器在双足仿人机器人领域可能会逐渐被淘汰。

弹性驱动器方面，需要在功率密度、能量效率、结构布局等多个指标之间取得平衡。结合机器人整机结构布局与运动步态控制算法进行整合优化，将是未来研究的重点。准直驱驱动器技术正在迅速发展，特别是编码器的技术创新和电机功率密度的突破，将成为未来的主攻方向。整个文章语言生动、流畅，既保持了原文的风格特点，又增强了内容的吸引力。驱动器通信技术革新正如一场波澜壮阔的征途，正在成为引领行业发展的必然趋势。在这场革新中，众多科技巨头如优必选科技、宇树科技以及银弗科技等纷纷投入其中，开始挑战伺服驱动器技术的难关。核心技术的突破不是一蹴而就的，也不是坐享其成或者靠购买就能实现的。这需要坚定的决心，脚踏实地的研发精神，以及持之以恒的投入。这是一场硬实力的较量，半点侥幸心理都无从谈起。这些企业正用实际行动证明，只有掌握核心科技，才能立于不败之地。