電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/梁浩斌）大家現(xiàn)在最熟悉的人形機(jī)器人，比如宇樹G1，可以很明顯地看出驅(qū)動(dòng)其關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的電機(jī)是直接安裝在關(guān)節(jié)上，關(guān)節(jié)是通過電機(jī)和減速器直接驅(qū)動(dòng)。但最近被“打假”的挪威人形機(jī)器人公司1X Technologies推出的NEO家庭服務(wù)機(jī)器人，宣傳視頻中顯示它的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)中用到非常多的“繩索”。
繩驅(qū)柔性驅(qū)動(dòng)的特性，讓其在人形機(jī)器人領(lǐng)域有一定的優(yōu)勢，除了1X 之外，星塵智能同樣選擇繩驅(qū)路線。

繩驅(qū)的優(yōu)勢

繩驅(qū)是一種以高強(qiáng)度柔性繩索為傳動(dòng)介質(zhì)，通過繩索的收放、張緊、張力調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞與運(yùn)動(dòng)控制的驅(qū)動(dòng)技術(shù)。其核心邏輯區(qū)別于傳統(tǒng)剛性驅(qū)動(dòng)，不依賴剛性部件的直接接觸傳動(dòng)，而是通過繩索的拉力協(xié)同將動(dòng)力從遠(yuǎn)程動(dòng)力源傳遞至末端執(zhí)行器或關(guān)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)平移、旋轉(zhuǎn)、多自由度復(fù)合運(yùn)動(dòng)等功能。

繩驅(qū)系統(tǒng)主要由三大部分組成，包括繩索、傳動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)、控制感知系統(tǒng)。繩索是繩驅(qū)技術(shù)的核心介質(zhì)，需同時(shí)滿足高強(qiáng)度、低伸長、耐磨損、環(huán)境適配四大要求。目前繩驅(qū)繩索的材料多樣，包括碳纖維、凱夫拉/芳綸、聚乙烯等，根據(jù)不同的應(yīng)用場景選擇。

傳動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)負(fù)責(zé)將動(dòng)力源的電機(jī)動(dòng)力轉(zhuǎn)化為繩索的線性收放，再通過繩索牽引實(shí)現(xiàn)末端運(yùn)動(dòng)，核心組件包括電機(jī)、導(dǎo)向和張緊機(jī)構(gòu)、末端執(zhí)行/關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)。

而最難的部分是控制感知系統(tǒng)，因?yàn)槔K索不是剛性的傳動(dòng)部件，在傳動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生彈性形變，所以需要通過感知與算法實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)精度與穩(wěn)定性，比如需要相關(guān)的張力傳感器等，以及需要特殊的控制算法，需要對(duì)繩索的彈性形變延遲等進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

同時(shí)，索長期受力會(huì)出現(xiàn) “蠕變”，即逐漸變長，導(dǎo)致張力下降、運(yùn)動(dòng)精度偏差；繩索數(shù)量越多，張力與長度的協(xié)同難度越大；而在不同的環(huán)境里，溫度不同、濕度不同，都會(huì)對(duì)繩索的材料性能產(chǎn)生影響。

另外，繩驅(qū)因?yàn)椴皇莿傂赃B接動(dòng)力源，所以負(fù)載必然有限，難以完成較大強(qiáng)度的負(fù)載工作。

但相比電機(jī)直驅(qū)，繩驅(qū)在機(jī)器人領(lǐng)域仍有幾個(gè)關(guān)鍵的優(yōu)勢，比如重量比伺服驅(qū)動(dòng)更輕，因?yàn)閯?dòng)力源可以外置，關(guān)節(jié)通過繩索傳動(dòng)，輕量化也帶來更低的能耗；繩索有彈性形變空間，所以在需頻繁與人類近距離交互的機(jī)器人領(lǐng)域，當(dāng)人形機(jī)器人肢體意外接觸人體時(shí)，繩索可通過微小形變吸收沖擊力，最大沖擊力可控制在 50N 以內(nèi)，避免剛性驅(qū)動(dòng)的碰撞風(fēng)險(xiǎn)；人形機(jī)器人的肢體需具備大角度運(yùn)動(dòng)能力，繩驅(qū)的多繩協(xié)同牽引可突破剛性關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)限位；繩驅(qū)無需復(fù)雜的齒輪、絲杠等剛性傳動(dòng)件，可大幅簡化關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，令系統(tǒng)更緊湊。

其他機(jī)器人驅(qū)動(dòng)形式

機(jī)器人領(lǐng)域目前最常見的事電氣驅(qū)動(dòng)，通過電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，配合傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)形式，因具有高精度、高可靠性、低污染等優(yōu)勢，占據(jù)全球工業(yè)機(jī)器人市場 90% 以上的份額，尤其在精密制造領(lǐng)域不可或缺。同樣在人形機(jī)器人領(lǐng)域，具備功率密度、效率的優(yōu)勢。

電氣驅(qū)動(dòng)的核心組件包括電機(jī)、傳動(dòng)元件（減速器、RV 減速器、絲杠、聯(lián)軸器等）、驅(qū)動(dòng)器、編碼器、控制器，負(fù)責(zé)電機(jī)轉(zhuǎn)速、位置、扭矩的精準(zhǔn)控制，以及電源、散熱等輔助裝置。

液壓驅(qū)動(dòng)以液壓油為傳動(dòng)介質(zhì)，通過液壓泵將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能，再經(jīng)液壓缸/液壓馬達(dá)將液壓能還原為機(jī)械能，具有超大輸出扭矩、強(qiáng)抗沖擊能力等特點(diǎn)，是重載、惡劣環(huán)境下機(jī)器人的首選驅(qū)動(dòng)形式，在工程機(jī)械、大型工業(yè)設(shè)備中很常見。

液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心是壓力能傳遞，動(dòng)力源主要是液壓泵；執(zhí)行元件包括液壓缸（直線運(yùn)動(dòng)）、液壓馬達(dá)（旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）；控制元件包括溢流閥、減壓閥、換向閥、比例閥/伺服閥，調(diào)節(jié)壓力、流量與方向；另外還需要油箱、過濾器、冷卻器、密封件等輔助元件。

氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)以壓縮空氣為動(dòng)力介質(zhì)，通過氣缸、氣動(dòng)馬達(dá)等執(zhí)行元件實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、無油污污染等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于輕型、低精度的機(jī)器人場景。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心是氣壓能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，核心組件包括作為動(dòng)力源的空壓機(jī)、氣源處理單元等；執(zhí)行元件包括氣缸、氣動(dòng)馬達(dá)、真空吸盤；控制元件包括電磁閥、流量控制閥、壓力開關(guān)等。

小結(jié)：

繩驅(qū)在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)逐漸往更多應(yīng)用拓展，尤其在醫(yī)療、倉儲(chǔ)等對(duì)輕量化、柔性要求高的場景中優(yōu)勢顯著；而在人形機(jī)器人領(lǐng)域，繩驅(qū)的輕量化、安全性可解決傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的核心痛點(diǎn)，但負(fù)載能力、可靠性、環(huán)境適應(yīng)性的缺陷還需通過技術(shù)突破。未來通過繩索材料的進(jìn)步、以及控制算法的優(yōu)化，繩驅(qū)有望在人形機(jī)器人中成為重要的驅(qū)動(dòng)形式補(bǔ)充。