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鸡蛋大小的关节,凭什么撑得住启元人形机器人
这篇文章要回答一个问题:一个体积只有鸡蛋大小的关节,凭什么能撑住一台将近 17 公斤的人形机器人?还是老办法,从官方开源的模型文件里把每个关节的力矩上限和速度上限掏出来,再用中学物理的杠杆原理算一遍.算完发现两件事:这个数字确实够用,顺便还暴露了一个官方从没公开过的参数.1. 先算一笔账:撑住 17 公斤,到底需要多大力矩聊关节之前,得先知道它要扛多少东西.模型文件里每根连杆都写了自己的质量,我把 26 个全加起来,整机 16.9173 千克,换成重量大约166 牛顿.这个数先记着,后面要用.再看长度.从模型里的关节位置可以直接读出来:部位长度怎么读出来的大腿(髋关节到膝关节)199.3 毫米髋俯仰,髋侧摆,髋旋转,膝四个关节的纵向偏移累加小腿(膝关节到踝关节)190.0 毫米膝,踝俯仰,踝侧摆三个关节的纵向偏移累加骨盆到脚踝368.4 毫米上面两段加上骨盆到髋关节的 21.4 毫米数字都摆出来了.接下来是一个容易被忽略的事实.直立站着的时候,膝盖的电机几乎不出力.这个结论我第一次算的时候也愣了一下.人的体重是靠骨骼一节节压到地面的,电机只在关节需要对抗力矩的时候才出力.站直不动时,重力顺着大腿骨,小腿骨直接传下去,膝盖压根不用使劲.所以那个 36 牛·米,根本不是为站着准备的.真正让电机出力的是这三类动作:蹲下与站起,单腿支撑,落地缓冲.它们的共同点是,重力作用线和关节转轴之间出现了距离.这就是杠杆.力矩等于力乘以力臂,力臂就是那个距离.以蹲下为例.Q1 蹲到底的时候,膝盖相对脚踝会向前移动大约 12 厘米(这个数值按小腿长 190 毫米,膝关节弯曲到接近直角推算).此时单腿承受全部体重 166 牛顿:力矩 166 牛顿 × 0.12 米 ≈ 20 牛·米这是蹲起动作里膝关节的力矩需求,接近 36 牛·米上限的56%.同样的算法可以套到其他动作上.慢走时单腿支撑,垂直方向的地面反力约为体重的 1.2 倍,膝盖相对脚踝前移约 5 厘米,力矩需求约 10 牛·米;上台阶时反力约 1.5 倍体重,力臂约 10 厘米,力矩需求约 25 牛·米.把这些需求排成一张表,就能看出 36 这个数字的位置:动作膝力矩需求占 36 牛·米的比例直立站立接近 0—慢走·单腿支撑期约 10 牛·米28%蹲下与站起约 20 牛·米56%上台阶约 25 牛·米69%跳跃落地(3 到 4 倍体重)约 50 到 66 牛·米超出 39% 到 83%这张表已经能说明一半的问题了:日常动作的需求集中在 10 到 25 牛·米之间,36 牛·米留了大约 40% 的余量;而跳跃这类冲击动作会直接冲破限位.余量不是浪费,它要留给两件事:一是动态过程中的惯性冲击,二是机器人抱着东西走动时的额外负载.至于为什么不去满足跳跃,那是产品定位的问题,后面再说.2. 36 牛·米,是个什么概念光看数字没感觉,找个参照物.一瓶 500 毫升的矿泉水,重量约 5 牛顿.把它挂在 1 米长的扳手末端,拧紧力矩就是 5 牛·米.那么 36 牛·米相当于:7 瓶矿泉水挂在 1 米扳手上,或者1 瓶矿泉水挂在 7 米扳手上,或者一个 3.6 公斤的哑铃挂在 1 米扳手上一个成年人用 1 米长的扳手去拧 36 牛·米的螺栓,得用上半个身体的重量往下压.而这个关节的直径,按官方在发布会上对自研 QDD 准直驱关节的描述,体积约莫鸡蛋大小.换个角度看密度.一颗鸡蛋的体积大约 50 立方厘米;作为会转动的机械部件,带外壳,轴承,编码器的关节通常要做到 100 立方厘米上下,也就是 0.1 升.按这个体积估算:这么一除,扭矩密度大概在 360 牛·米每升.得说明一下这是估算,官方没公布关节的确切体积,我按鸡蛋大小的口径取了个偏保守的 0.1 升.300 到 400 牛·米每升,是衡量关节水平的一个硬指标.它决定了同样大小的机器人,能有多大的力气.3. 同样叫关节,其实有三条完全不同的技术路线要弄明白 36 牛·米是怎么来的,得先说说减速比.电机有个甩不掉的矛盾,转得快的没劲,有劲的转不快.可关节要的偏偏是又慢又有劲.办法是在电机和关节之间塞个减速器,拿转速换扭矩,这个换算比例就是减速比 N.减速比的选择,直接决定了关节的性格.业内大致分成三条路:路线减速比扭矩能被外力推动吗力量怎么控制直驱1:1小很容易,一推就动电流直接对应力矩准直驱(QDD)约 9:1中等,靠电机硬扛较容易,能被推回去电流基本对应力矩谐波减速约 100:1大很难,几乎推不动需额外的力矩传感器三者的差别其实就一句话,减速比越大越有劲,但关节也越硬,越不听话.听话这件事为什么重要?因为人形机器人是待在人身边的.撞到人,被人推,摸到障碍物,这几种情况下关节都得能立刻软下来.谐波减速器减速比高,再叠上齿轮摩擦,关节就像被卡住,外力要推它得先克服一大截内部阻力,那点微小的力根本传不到控制系统里.准直驱换了个路子,不靠齿轮放大,直接把电机本身做猛,减速比只取 9 左右.这样既有劲,又留住了被推动的能力.4. 从官方文件里的两个数字,反推它的减速比问题来了.启元说自己的关节是 QDD 准直驱,但减速比到底多少,官方从来没公布过.这玩意儿能自己算出来吗.能.而且只需要官方模型文件里已经写着的那个速度上限.能,而且用的还是官方文件里已经写着的那个速度上限.链条是这样接的.模型文件给每个关节都写了速度上限,髋,膝,腰这几个大关节 36 弧度每秒,踝,肩,肘 32.注意这是关节输出端的转速.输出端转速等于电机转速除以减速比.机器人上用的无框力矩电机,额定转速一般落在3000 到 4000 转每分钟,换成弧度每秒是 314 到 419.一除,减速比就出来了.电机转速假设关节速度上限 36 弧度每秒关节速度上限 32 弧度每秒3000 转每分(314 弧度每秒)减速比约 8.7:1减速比约 9.8:14000 转每分(419 弧度每秒)减速比约 11.6:1减速比约 13.1:1结论:无论取电机转速区间的哪一端,算出来的减速比都落在 9:1 到 13:1 之间.这正好是准直驱的典型区间.官方的产品表述,加上官方模型文件里的速度限位,两条完全独立的线索指到了同一个答案.这种交叉印证,比任何单独一条都靠得住.做个对照.要是换成 100:1 的谐波减速器,还是 3000 转每分的电机,输出端只剩3.14 弧度每秒,也就是每秒 180 度.Q1 的 36 弧度每秒折合每秒2063 度,快了将近 11 倍.转得快有什么用.一是走路时腿得快速摆动,慢了跟不上步频.二是摔倒那一瞬间要靠手脚快速撑地,调整姿态.反应速度本身就是安全性的一部分.还有个反直觉的细节,承重的髋,膝,腰反而比踝,肩,肘转得快,36 对 32.想想也合理,腿摆不快就走不了路,而手脚末端更讲究精细,慢一点无所谓.5. 减速比不是越大越好:三条曲线的取舍既然减速比能把扭矩放大,为什么不干脆做到 1000:1.因为放大的同时,另外两个东西在缩水.把这三个量摆在一张图上,关系一目了然.扭矩正比于减速比,转速反比于减速比,而背驱能力,也就是被外力推动的容易程度,同样反比于减速比.谐波减速器上它还跌得更狠,齿轮之间的摩擦会形成一段死区,力气小了根本推不动.三条曲线在 N 差不多等于 9 的地方交叉,那就是准直驱的位置,扭矩够用,转速和背驱几乎没损失.代价也在这儿.减速比只有 9,意味着那 36 牛·米绝大部分得靠电机自己生出来,齿轮帮不上多少忙.电机必须又小又猛.鸡蛋大小这四个字真正的分量在这里.6. 难点为什么在鸡蛋大小一台电机的扭矩,主要取决于两件事:磁路能产生多大的力,以及散热能带走多少热量.前者和体积相关,后者更是硬约束,体积小,表面积就小,热量散不出去,绕组就会过热.再算一笔账.力矩乘以角速度就是功率:36 牛·米乘 36 弧度每秒,等于1296 瓦.这是一个大关节在力矩和速度同时拉满时的机械功率,差不多一台家用微波炉.而鸡蛋大小的部件绝不可能持续输出这个数,热量会瞬间把绕组烧掉.所以这里有个必须分清的区别.峰值限位持续工作点含义短时间能顶到的上限可以长时间稳定输出典型时长几秒以内不限受什么限制磁饱和,结构强度散热能力模型文件里那个 36,是峰值限位,不是它能一直出的力.看任何关节参数都得先问一句,这是峰值还是持续,不问的话数字很容易骗人.真正体现水平的是峰值和持续之间那个落差有多大,以及落差能撑多久.官方公开的说法是这条产线挪用了汽车工业的制造节拍,每 2.5 分钟下线一台,装配数据还能长期追溯.这说明它是按量产件在做,不是实验室样机.7. 22 个关节,只有两个规格把模型文件里 22 个可动关节的力矩和速度上限全列出来,结果整齐得有点意外,只有两个规格.两个规格的分布是这样的:规格数量关节36 牛·米 / 36 弧度每秒10 个两侧髋各 3(俯仰,侧摆,旋转),两侧膝各 1,腰部 2(侧倾,旋转)22 牛·米 / 32 弧度每秒12 个两侧踝各 2(俯仰,侧摆),两侧肩各 3(俯仰,侧摆,旋转),两侧肘各 1分法很清楚,要扛体重,要转身的给 36,做平衡微调和末端精细动作的给 22.有两处想单独说.踝关节只有 22 牛·米,是膝盖的 61%.看着像减配,其实是力学决定的.踝到地面距离短,力臂小,同样的力矩撑起来效果更明显.它干的也不是承重的活,而是人站着的时候不停做前后左右的微调,把重心稳稳圈在支撑面里.这种事要的是快和准,不是大力.肩关节 22 牛·米,能拿多重的东西.还是杠杆算法,肩到腕的距离约 306 毫米,手臂自己重约 1.5 公斤(模型里五个连杆加起来的).手臂完全伸直平举,力矩全用来对抗重力,反推出来理论静载极限大概6 公斤出头.注意这是手臂伸直平举,力矩全给提举,一点不留给加减速的理想值.工程上标称载荷通常只取这个数的一半甚至更低.官方没公布 Q1 的标称负载,所以这 6 公斤只是我算出来的理论数,不能当产品参数引用.8. 把数字放回真实场景绕回最开始那个问题,36 牛·米够不够撑住这台机器人.把第一节算的那些动作和 36 这条线画在一起,答案挺直观.能直接读出三件事.日常动作有余量.走,蹲,上台阶最高到 25 牛·米,离 36 还有三成以上的空间.这部分余量在抱东西,加速,急停的时候会被吃掉.跳跃是明确的能力边界.3 到 4 倍体重的落地冲击要 50 到 66 牛·米,超了.这不是缺陷,是产品定位决定的,Q1 面向家庭,主要做陪伴,交互和轻量任务,不追求跑跳这类高动态动作.难的不是能不能撑住,是该不该硬撑.关节长期贴着限位工作,电机温度蹭蹭往上走,寿命和精度都得受影响.留余量说白了就是拿更大的关节换更长的寿命.补一句关于撑住这个词.整机 16.9 公斤,单腿支撑时膝盖力矩才 10 牛·米左右,听着很轻松,但这是静态数.走路时腿在不停加减速,惯性力让实际力矩上下晃,这也是参数表必须标峰值的原因.9. 小结:三个可以带走的判断一份公开的模型文件,加一点中学物理,就足够对一台机器人的关节水平做出相当具体的判断.三个结论可以带走.关节的大小决定的是峰值,不是日常.真正撑住机器人站立的,是骨骼式的结构承压;电机只在姿态变化和对抗外力时出力.所以力气够不够要按动作算,不能按体重算.减速比是安全性的旋钮,不只是性能参数.调高它,扭矩大,精度高,但关节变硬,撞上人的时候更容易顶过去.选 9:1 不选 100:1,说白了是把安全排在了精度前面.看关节参数先问峰值还是持续.36 乘 36 是 1296 瓦,鸡蛋大小的东西扛不住这个.把峰值当成工作点,是这行最常见的误读.最后收一句:鸡蛋大小的关节之所以撑得住一个人形机器人,是因为它只需要在很短的瞬间,很小的力臂上出力,大部分时间里承重是结构的事,不是电机的事.而它选低减速比,是为了在有力气之外多留一个能力,被推一下就能让开.启元机器人开发者社区https://dev.primebot.com/
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