集成式伺服电机在仿人机器人中的应用 - 解决方案 - NiMotion

随着全球工业自动化和服务智能化的加速演进，仿人机器人由于具有类人的运动灵活性和场景适应性，正在成为制造、物流、公共服务、家庭服务等领域的关键创新载体。

然而，仿人机器人的关节驱动系统长期面临着结构复杂、体积大、控制精度和响应速度有限等挑战。特别是在它们的多自由度关节中，传统的单独的电机，减速器和控制器的组合往往会导致系统集成度低，占用空间大，装配复杂，动态性能不足。

在此背景下，集成伺服电机 (高度集成伺服电机、驱动器、编码器等核心部件的机电一体化解决方案) 因其结构紧凑、响应速度快、控制精确、易于安装维护等显著优势，正成为克服上述瓶颈的关键技术路径之一。本文以仿人机器人产品中选择的解决方案为例，探讨集成伺服电机在这些应用中的具体应用方案、技术挑战和取得的成就。

1.设备介绍

人形机器人是一种智能机器人，具有人形形状，关节的多个自由度以及模仿人类动作的能力，例如行走，抓握和操纵。类人机器人的核心运动能力在很大程度上依赖于它们的关节驱动系统，该系统通常由伺服电机、减速器、传感器和控制器组成，负责将电能转化为精确的机械运动。近年来，随着材料、传感和控制算法的进步，类人机器人正从实验室转向工业和商业应用，如汽车装配、精密电子制造、仓储和物流、医疗服务，甚至家庭伴侣。

当前行业技术发展呈现以下趋势:

1.集成和轻量化: 为了减小尺寸和重量，业界正在大力开发模块化解决方案，将电机、减速器 (如谐波减速器) 、编码器和驱动控制器集成到一个单元中。

2、高动态、高精度: 为满足工业场景的精密操作要求，伺服系统需要具备极高的动态响应和定位精度。

3、感知与智能的融合: 先进的伺服系统集成了高精度编码器、力传感器、视觉传感器，结合AI算法，赋予机器人更强的环境感知和自适应控制能力。

2.应用解决方案

在仿人机器人的案例研究中，选择了集成伺服电机来驱动核心关节，旨在实现轻量化设计，高精度和快速集成的设计目标。

集成的伺服电机通过PP (位置) 模式与主机通信，接收并执行精确的运动轨迹命令，以驱动关节完成指定的动作。用户希望该解决方案能够在保证高扭矩输出的同时保持伺服系统的小尺寸和低功耗，以满足仿人机器人严格的空间和能效要求。

• 产品型号: PMMB8063B-COE-0HEB (主机控制)/直连螺丝

• 应用设备名称: 人形机器人

• 每台设备的近似数量: 1台

• 使用的功能: PP模式

3.应用产品

4.问题和解决方案

遇到的问题:

移除启用信号后，制动器未能正确关闭，导致负载 (接头或执行器) 意外下降。

问题分析:

伺服电机制动器通常需要单独的24v直流电源来驱动其电磁线圈 (通电时制动器释放，断电时锁定)。问题可能涉及制动控制电路 (例如，接线顺序)，制动电源或驾驶员内部控制信号的配置。

经过详细的电路故障排除和测试，工程团队发现，用于将更高电压 (可能为48v或更高) 转换为制动所需的24v的降压模块的24v负极端子 (接地) 错误地连接到伺服电机制动接口的接地线。这种不正确的连接导致制动电路的电势参考和控制逻辑中的故障，使得制动线圈的控制信号无效。

解决方案:

根据技术规范校正了电路连接。降压模块输出的24v电源现在仅正确提供给制动线圈的正极和负极，确保与伺服驱动器的控制信号地、制动控制信号地等正确隔离或共同接地，严格遵守产品电气手册中的接线要求。纠正连接后，系统逻辑恢复正常: 当主机控制信号或驱动器使能信号被移除时，制动器可靠地立即关闭并锁定，有效防止负载自由下落或滑动。

这个问题表明，即使使用高度集成和标准化的 “集成伺服电机”，其外围辅助电路 (尤其是安全功能电路) 的精确设计和连接对于确保可靠的系统操作仍然至关重要。任何接线偏差都可能导致关键安全功能失效。

5.总结和结论

通过这种应用，集成的伺服电机解决方案有效地简化了关节的机械和电气设计。通过高度集成核心技术模块，它正在深刻改变人形机器人的设计范式，为其带来卓越的性能，更可靠的质量和更具竞争力的成本结构。