打破机械传动瓶颈，这家轮足机器人企业选择直驱电机

前段时间，“开电动轮椅上下班”引起热议。电动轮椅即停即走，智能的电动轮椅应对斜坡或楼梯也不在话下。无独有偶，一款运载和越障能力俱佳的轮足机器人同样适合“懒人”，呼之即来，招之即去，能捎带物品，能遥控跑酷，未来某天或将成为年轻人的“心头好”。

轮足机器人是轮和足的结合体，既用两只轮子驱动本体运动，又能将轮子当作支点，像双足机器人一样伸腿、行走。这样，轮足机器人将轮式机器人的敏捷和足式机器人的机动越障性能巧妙地融合在一起，展现出了独特的优势。

东莞市本末科技有限公司（以下简称“本末科技”）专注轮足机器人研发，以直驱电机为突破口，不断推动轮足机器人技术迭代。借创始人兼CEO张笛之言，就是“没有齿轮和减速器，去掉各种各样的传动机构，是我们团队正在致力于去做的事情”。

图1 本末科技的“刑天”机器人

抛弃传动机构后

本末科技迎面狙击难题

机器人结构中，动力机一般无法直接满足执行构件的最佳运动速度和多种运动形式，仅依靠调整动力机来实现机器人运动状态的改变是不可行的，这时需要增减速（多为减速），以及在两者之间设计机械传动系统。为提升性能，机械传动系统必须付出更高的制造成本，但传统的机械传动速度已经提升到了瓶颈，高速带来的噪音、摩擦和能量损耗困扰业内专家许久，且成本的付出和性能的提高也完全不成比例。

在直驱型机器人的硬件结构中，驱动关节和传统的减速机驱动结构不同，它将电机与被驱动工件直接连接，省略了减速机、丝杠等能量损耗较大的传统中间环节，不仅减少能量损耗、增加续航时间，还能维持较高的控制精度和控制频率。由于结构上没有减速机的齿轮磨损，直驱电机能够有效减少齿轮之间摩擦所产生的热量，使用寿命可达传动电机的10倍之久。此外，直驱电机使机器人无噪音运行，紧密的一体化结构也更利于内部硬件集成。

图2 “刑天”部件介绍

表面来看，直驱电机成本稍高，但综合传动系统的节省和维护成本的降低来看，发展直驱电机具有可观的效益。“去掉减速器的优势很明显，当然也很有难度。要实现快速、精确的动作控制，我们在高性能直驱电机的研发上下了大功夫，”张笛笑道，“但我觉得这是值得的。”

去除减速器后，机器人在运动控制方面迎来关键的几个挑战：高精度位置控制、高动态响应、振动抑制等。首先，直驱电机在去除传动结构后，需要采用更先进的控制算法和更高精度的传感器，以减少电机输出的位置误差；其次，直驱技术使得电机具备更快的动态响应速度，控制系统需要有更优秀的动态性能以适配；最后，直驱技术通常会致使机器人产生更强烈的振动，需要采取有效的隔振、减振措施。

“刑天”的一小步

直驱技术发展的一大步

本末科技研发的直驱型双轮足机器人“刑天”，有匍匐、半蹲、站立三种运动模式，全身由6个M1502D直驱型机器人关节驱动，腿部呈四连杆结构，并相互独立。“刑天”在多地形下具有高效灵活的运动能力，主要赖于硬件组件提供强大的驱动力和感知能力，同时也离不开上层软件组件提供高效的控制策略支撑。

图3 在草地中匍匐的“刑天”

“刑天”通过传感器获取环境信息和自身状态信息，做出在各种环境下变换适应性动作的决策。主要的传感器是IMU（Inertial Measurement Unit，惯性测量单元），用于检测机器人的加速度、角速度和姿态等信息。控制器是软硬件的桥梁，一方面，控制器在接收传感器信息后，根据预设算法计算出机器人当前姿态，向执行器发送控制指令。另一方面，传感器数据作为反馈信号输入，通过比较期望姿态和实际姿态之间的差异来调整控制指令。“我们设计了高效、稳定的控制算法，通过姿态估计和控制、动态建模和控制策略、反馈控制实现‘刑天’的各种复杂动作。”张笛就机器人自平衡控制方法讲解道。

以“刑天”纵向跳跃动作为例：在起跳过程中，需要关节电机按给定力矩输出，轮毂电机和IMU配合，在机器人起跳过程中维持稳定；在双足离开地面的极短时间内，机器人测定关节位置和IMU数值，估计本体姿态，并利用轮毂产生的反力矩，调整落地姿态；在落地过程中，机器人根据电池的电流数据以及电机的电流数据，对着地缓冲进行规划，以防反电势过大、砸地过猛的情况出现。

“刑天”为

机器人商业化“扛大旗”

“刑天”机器人在2021年实现批量化生产并推向市场销售，目前在智慧园区、矿山、建筑和其他复杂工业环境中均有应用，主要担任巡检、运输、数据采集、扫描测绘等任务。任务的高效完成，很大程度上基于其优秀的行走和越障能力。以户外工程巡检领域举例，首先，轮足结构不容易为复杂的地面条件所困；其次，“刑天”有单脚越障能力，还可以上下调整机头高度（10cm以上）用于穿越障碍，提升了机器人的通过性，在相对狭小的空间内360°旋转，自由移动，大幅度提高了作业范围及效率；最后，“刑天”最大行进速度达2m/s，使机器人能应对较高频次巡检的应用场景，多个“刑天”协同作业，能有效扫除监控盲点，或避免安全员涉足险地，实现智慧园区监控系统。同时，本末科技通过模块化结构及开放式接口设计，将“刑天”打造成可拓展的轮足机器人平台，广泛应用于各高校、研究院的教学、科研和竞赛中。

图4 本末科技的“刑天”机器人

“除了轮足机器人的动态系统，通信系统、机器视觉、模块化设计、人机交互等，也一直是我们努力的方向。”张笛介绍道。本末科技研发团队持续优化通信协议、减少数据传输延迟，并提高通信系统的抗干扰能力，以保障机器人与机器人、机器人与控台间组网的稳定性。与此同时，采用多通道、多频段等冗余设计，确保在某一通信链路出现故障时，机器人仍能维持基本的通信能力。

在机器视觉上，本末科技采用深度相机和一系列配套硬件，大幅提升了机器人的立体视觉。机器人眼前不再是二维图像，而是周边环境的三维重建。丰富机器视觉感知力、提升机器人感知准确性，机器人可以掌握更丰富的空间信息。相应地，机器人能更准确地基于三维地图提升机器人决策系统的准确性，实现动态路径规划和避障，确保机器人在复杂环境中能够自主导航，识别到前方障碍或人员靠近时，也可以及时制动。

在模块化设计上，机器人采用热插拔电池系统，可以在运行过程中完成电池插拔，不打断持续运动。通用的模块化设计系统具备“快装快拆快用”的特点，可快速拓展配件，无需任何驱动；在人机交互层面，较传统机器人，“刑天”新增灯光和语音交互系统，在协助人完成任务之余，使机器人与人的交流更加直观且富有情感。此外，作为轮足机器人开发平台，开放式的接口设计允许机器人搭载视觉模块、通信模块、AI主机、边缘处理器和各种传感器，拓展功能、灵活运用。

以安全可靠为本，汇集高机动性、稳定性、灵活性、强负载能力等一众优势，“刑天”无疑成为机器人走向商业化的良好范本。在“刑天”的基础上，本末科技持续深耕轮足机器人领域，持续迭代相关技术，同时发挥机器人本体制造优势，于2023年推出一款全新的双轮足机器人——TITA，全身拥有8个自由度，运动性能得到进一步提升。

本末科技视关键核心零部件为产品创新与变革的核心，拥有从传感器、驱动器到电机本体的全套设计生产技术，为客户提供从需求定制、方案设计、调试维护的全套解决方案和强大交付能力，并推动轮足机器人产业链上下协同发展，实现合作共赢。

减速器时代，技术研发者在99%的前人成果上，拼命弥补1%的性能欠缺，而本末科技选择推翻100%的合理性。随着技术的逐步成熟和市场形态跃升，直驱技术将在电机驱动领域发光出彩，机器人动力系统领域持续迎来新概念的洗礼，各家企业正蓄力创新、奋起突围。

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