更高的扭矩密度和更高的带宽。
准直驱执行器的核心部件包括电机、减速器、轴承、控制器和编码器。我们以麻 省理工学院 Benjamin G. Katz 的论文《A Low Cost Modular Actuator for Dynamic Robots》中所设计的准直驱执行器为例。Katz 在 MIT Cheetah 机器人 准直驱执行器的基础上，设计了一款改进的准直驱执行器，应用在四足机器人上。 相比于 MIT Cheetah 2、3 的执行器，其改进的准直驱执行器的优点是成本更低、 体积更小。图 8 展示了 Katz 准直驱执行器的构成，该设计中包含前盖、输出轴 承、行星架、输入引脚、行星滚针轴承、行星轮、齿圈、定子、转子、太阳轮、 后盖、CAN 总线、控制器、直流电源和电子设备盖。简而言之，电机（定子、 转子）、减速器（行星轮、太阳轮、行星架）、轴承（输出轴承、行星滚针轴承）、 控制器和编码器（集成在控制器中）是准直驱执行器的核心部件。
（1）电机：更大的扭矩密度与扭矩惯性
准直驱执行器所用电机需要非常大的扭矩密度与扭矩惯性比。1）扭矩密度大。 扭矩密度等于电机输出扭矩与电机质量之比。准直驱执行器为了节约成本而使用 低减速比低的减速器，要与高减速比执行器输出同样的扭矩，电机输出扭矩就必 须更大。若准直驱执行器要在大减速比执行器的应用场景下实现代替，则质量也 应相仿。因此，准直驱执行器需要扭矩密度较大的电机。2）扭矩惯性比大。扭 矩与惯性之比就是电机转子的加速度。足够大的加速度让机器人能完成需要高爆 发力的、高度动态的动作。
准直驱执行器常用无刷直流电机。无刷直流电机采用永磁体来做转子，定子是线 圈，通过控制通向线圈的电流，改变线圈磁场方向和大小，使转子旋转。相比有 刷直流电机，无刷直流电机具有更高的扭矩密度、效率、可靠性，更低的噪音， 更长的寿命（无电刷和换向器侵蚀）。并且，无刷直流电机不存在限制换向器产 生电离火花的问题、易于维护、电磁干扰小。无刷直流电机还可以搭配更高水平 的电子控制技术。例如，磁场定向控制（FOC，也称为矢量控制），不仅可以控 制无刷直流电机的速度和功率，还能以可控的有限转矩将其保持在期望的位置。
Katz 改进的准直驱执行器使用的是外转子无刷电机。该电机在形状和性能上与 T-Motor U8 几乎相同，但售价在 60-90 美元，不到 U8 成本的 1/3。峰值扭矩和 扭矩常数与 U8 相同。Katz 选择这种电机的原因是其间隙直径大，达到 40.5 毫 米，并有多达 21 对极对。这些特性使其扭矩密度较大。转子经过加工，以适应 行星齿轮箱的太阳齿轮和用于位置测量的径向磁化圆柱形磁体的大小。定子的大 通孔使整个行星减速器能够安装在定子的内部。这样的设计使整个执行器非常紧 凑。转子和定子共占执行器总质量的一半左右，约 240 克。外转子设计使得转子 上能够使用更多数量的永磁极。这意味着更大的扭矩和更平稳的操作。并且，外 转子设计也使得间隙半径增加，扭矩密度提高。
（2）减速器与轴承
在物理原理上，准直驱执行器使用低减速比减速器的原因是其透明度高，使电流 环控制的实现成为可能。减速比小使得传动摩擦和反射惯性都小，这提高了整个 执行器的透明度。透明度为电机电流和执行器输出扭矩相匹配的程度，如果两者 之间存在一个比较明确的定量关系，就表示透明度高。因此，只有在透明度较高 的执行器上，才有可能通过测量和调节电流来达到预期的扭矩，而不借助任何其 他传感器。小减速比减速器的高透明度体现在无论正驱还是反驱时，电流都可以 近似为扭矩的线性函数，即扭矩=电机常数×电流。大减速比减速器向前驱动、 达到一定速度并且负载不降低时，也具有该性质；否则，扭矩会成为电流的非线性函数，难以通过电流估算扭矩。因此，小减速比减速器更适合准直驱执行器。
行星减速器和摆线针轮减速器常用于准直驱执行器。行星减速器的主要结构包括 行星轮、太阳轮和齿圈，单级减速比一般在 3-10，具有高刚性、高精度(单级可 做到 1'以内)、高传动效率、高扭矩体积比等特点的特点。摆线针轮减速器需要 定制化设计，因为摆线齿轮、偏心轴、箱体、针齿等零部件相互影响，改变任意 一个零部件的结构或尺寸，都会影响减速器的整体性能。在实际应用中，多以重 量最轻、体积最小、承载能力最大等作为设计目标。
Katz 的准直驱执行器采用减速比 6：1 的行星减速器。该减速器包括 3 个行星齿 轮、1 个太阳齿轮和 1 个齿圈。行星齿轮和太阳齿轮分别是 Misumi 的 GEFHB0.5-40-5-8-W3 和 GEABN0.5-20-8-K-4，齿圈是 KHK Gears 的 KHK SI0.5-100。齿圈需要后加工至 55 毫米的外径，并压入执行器壳体的前半部分， 太阳齿轮则压入转子。
轴承被称为“机械的关节”，主要作用是支承旋转轴、减小摩擦，通过承受径向荷 载和轴向荷载传动力和运动。使用在准直驱执行器中的轴承有滚珠轴承、滚柱轴 承、滚针轴承、薄截面公制轴承等。准直驱执行器的电机和减速器中都会使用轴 承。大多数电机都使用滚珠轴承连接转子与定子，好处是将摩擦造成的能量损失 降低至可忽略的水平。常用于行星减速器的轴承有标准角接触球轴承、标准深沟 球轴承和标准四点接触球轴承。摆线针轮减速器中会使用滚珠轴承、滚柱轴承。
行星减速器中，四点角接触轴承可以代替标准轴承，起到轻量化的作用。由于标 准角接触球轴承、标准深沟球轴承、标准四点接触球轴承的高度尺寸较大，因而 使用标准轴承的行星减速器体积、重量较大,并且受输出端轴承内径限制，输出 扭矩也较小,无法满足准直驱领域对减速器的尺寸、重量和扭矩要求。用四点角 接触轴承代替上述标准轴承，并将其滚道直接设置在行星减速器的机架上，可以 缩短减速器的轴向尺寸，减轻重量。
Katz 的准直驱执行器使用了滚针轴承和薄截面公制轴承。该执行器的每个行星 齿轮配有一个 HK0408 滚针轴承。滚针轴承安装在硬化至 58HRC 的精密 4mm 定位销上。对于输出轴承，该执行器采用的是薄截面公制轴承，原因是成本非常 低，单价不到 10 美元。从设计的角度看，单交叉滚柱轴承可以支撑较大的径向、 轴向和力矩载荷，适合用于输出端。但是，这种轴承价格昂贵，单价超过 100 美元。使用这种轴承将会使执行器的零件总成本增加 50%以上。
（3）控制器
现代电机驱动系统主要由五部分组成，分别为计算机（上位机）、控制器、驱动 器、负载和传感器。由上位机控制控制器，控制器经过调节来控制驱动器，驱动 器按控制指令控制电机带动负载工作，通过传感器采集电机工作信号返回到控制 器，最后由控制器处理后再经过串口通信在上位机上显示工作情况。
控制器是控制电机的电路或电子设备，功能是获取输入设备的控制指令和电机的 反馈信号，经过运算后，发出控制信号。控制器的核心硬件是控制芯片。常用芯 片有 3 种。1）微控制单元 MCU。这种芯片拥有较多的 I/O 接口，通用性高、成 本低，应用广泛。2）现场可编程逻辑门阵列 FPGA。这是一种专用集成电路领 域的半定制电路，缺点是通用性较差。3）数字信号处理器 DSP。这种芯片主要 用于实时数据处理、图像处理、计算机加密解密、航空航天等高精尖领域，其运 算频率高，可达 300MHZ 以上，但功耗大、成本高。控制芯片的核心功能是执 行控制程序，如传统的 PID 程序和近年来出现的遗传算法、神经网络、模糊逻辑、 专家系统等智能算法。先进算法的实现依赖于高性能的控制芯片。
MIT模块化准直驱执行器的控制器是一块意法半导体STM32F446型MCU芯片。 STM32F446 芯片整合了增强的 ARM®Cortex®-M4、256KB 或 512KB 片上闪存 （均配备 128KB RAM）、高能效存储扩展接口以及各种通信接口。该芯片采用 意法半导体独有的自适应实时加速器 (ART Accelerator™, Adaptive Real-Time Accelerator) 技术、智能系统架构以及先进的 90nm 闪存技术，进一步提升了内 置浮点单元和 DSP 指令的标准 ARM Cortex-M4 内核处理性能。因此， STM32F446 的 CPU 具有领先同类产品的 225 DMIPS 处理性能，在 180MHz 频率下执行闪存内软件代码时，CoreMark®的测试成绩高达 608 分。在 Katz 的 准直驱执行器上，该芯片完成发出电机控制信号、接收反馈、通信的任务，并负 责运行 FOC 控制算法，也可以在需要时运行 PD 位置环算法。
（4）编码器
编码器是编码旋转角度、线性位移及速度等运动参数的传感器。编码器将传感器 元件输出的电信号转化为数字或模拟电信号的形式，然后将其传递至控制系统。 目前的准直驱执行器方案使用的是位置编码器。其作用是获取和传递电机转子的 位置和转速信息。目前常用的转子位置传感器有 3 种。1）霍尔位置传感器安装 简单、体积小、成本低，但输出位置信号分辨率低。2）旋转变压器精度高、抗 干扰，但输出信号为模拟量，需要专门的解码电路。3）光电编码器分为增量式 和绝对式。增量式编码器在掉电后会造成数据丢失，且分辨率不高; 绝对式式编 码器直接输出数字量，精度高、抗干扰能力强，且具有掉电记忆功能等优点，应 用广泛。
双编码器方案解决了回零位问题，更适合准直驱执行器。单编方案下，当驱动器 再次通电时，减速器的存在将导致执行机构旋转到最后一次断电位置附近。否则， 执行机构的零位置将发生变化。为了解决上述问题，可以使用双编码器来获取绝 对位置，使电机在任何位置通电时都能准确地获得驱动器的当前位置。
MIT 模块化准直驱执行器使用直接集成在控制器印制电路板上的霍尔效应数字 编码器。该编码器的具体型号为 AMS 公司 AS5047P 型，它属于磁式位置编码 器。该编码器可以测量转子的角度、换向和位置。电机速度也可以结合多个样本 的位置信息估计出来。
准直驱技术的发展方向有两点：更高的扭矩密度和更高的带宽。扭矩密度的提升让执行器能够更容易地推动足式机器人前进、完成快速动作，并提高效率。带宽 的提升让执行器能够在毫秒级的时间范围内调整输出力矩，帮助机器人完成高度 动态的动作，从而实现主动的顺应性。材料、设计、热管理和控制系统等方面的 改进将不断实现扭矩密度和带宽的提高。
（1）材料：高饱和磁通密度材料和轻量化材料。使用以铁钴合金为代表的高饱和磁通密度合金材料可以提高电机扭矩密度。铁钴 合金中含有 15%-50%的钴元素，这使得该材料的饱和磁通密度(2.4T)得以大大 提高，远高于普通硅钢片的饱和磁通密度(1.8T)和纯铁的饱和磁通密度(2.0T)。 钴合金适用于电机的定子和转子铁心。然而，钴合金的价格非常高，一般仅在航 空电机中使用。
聚醚醚酮（PEEK）材料密度低、质量轻，可用于电机和减速器，有利于提高执 行器扭矩密度。作为一种热塑性塑料，PEEK 在熔融温度下不会分解。因此，PEEK 非常适合熔融加工，可以制成丰富的形状。1）在电机中，PEEK 可用于电机绝 缘层、电磁线绝缘层、电机电缆线的动力插头等。PEEK 具有耐高温的特点，即 使在 260℃长期使用，依然保持着优异的绝缘性和比较高的机械强度。2）在减 速器中，PEEK 可制成齿轮。由于其弹性高于金属，因而可以减小轮齿啮合冲击， 改变共振频率，带来更优异的振动噪声性能，并且在长期旋转下比金属更不易损 坏。同样的强度下，PEEK 材料的质量和转动惯量都小于金属，能够在频繁启停 的工况下提高响应速度并减小加速度负荷。并且，热塑性聚合物齿轮能够通过挤 出注塑制备，这可以显著降低齿轮生产成本、提高大批量生产的效率。
连铸球铁力学性能好、质量轻，适合减速器使用，有利于提高扭矩密度。连铸球 铁密度低于钢，能降低执行器质量，增加扭矩密度。并且，连铸球铁还具有韧性 强、强度高的优势，适合在减速器中使用。1）连铸球铁可用于行星减速器的行 星架、输出轴、箱体。球铁用于行星架，优势是韧性比铸钢更高。行星架是行星 减速器中承受扭矩最大的零件，对整个装置的承载能力以及噪声和振动等有很大 影响，使用的球墨铸铁必须具有足够的刚度和强度。输出轴是需要高强度材料的 部件，因此适合使用连铸球铁。2）连铸球铁可用于摆线针轮减速器的摆线轮。 摆线轮是摆线针轮减速器的核心零件，可采用轴承钢制造，其材料较贵、热处理 等工艺要求高，限制了整机成本的降低。采用球墨铸铁代替钢制摆线轮，接触强 度足够，并且更耐磨、传动效率更高、噪音更低、可减少摆线轮制造成本 25-30%、 减少整机成本 5%左右。
（2）设计：提高间隙半径、轴向磁通电机和磁场调制。增加电机间隙半径可以增加扭矩密度，使用外转子电机方案可以增加扭矩体积比。 间隙半径是指电机转轴中心到定子转子间隙中点的距离。扭矩密度和间隙半径成 正比。但是，电机的间隙半径受限于工作空间，并且它的增加会减小电机的加速 度。目前，许多准直驱执行器使用外转子电机设计。这种设计具有更大的间隙半 径。因此，在电机整体半径和轴向长度相同时，外转子电机能达到比内转子电机 更大的扭矩，如果认为此时电机质量也相同，那么外转子电机的扭矩密度也更高。 但是，外转子电机面临加速度较小的问题。因此，要同时满足扭矩和加速度的要 求，除了调整间隙半径外，还需要调整电机材料和结构设计等其他因素。
相比径向磁通电机，轴向磁通电机的扭矩密度大、扭矩体积比大。实验表明，在 额定扭矩等输出性能和材料都相同的情况下，径向磁通电机的质量比轴向磁通电 机高出 36%，原因是径向磁通电机的定子铁芯、绕组和永磁体都更重。轴向磁通 电机的有效磁表面积位于电机转子的表面，而不是外径，因此在一定体积内通常 能提供更大的扭矩。
磁场调制型永磁电机扭矩密度大于普通电机。这类电机的永磁体在内、外气隙中 形成的磁场凭借导磁块串联为回路，形成不一样的调制比，使内外转子上的永磁 体皆可参与转矩传递，提升了永磁体的利用率，因而具有较高的扭矩密度。将海 尔贝克（Halbach）阵列充磁技术应用于磁场调制型永磁电机，可进一步提高扭 矩密度。原理是按 Halbach 方式排布的永磁体可以使气隙磁密波形更接近理想 正弦波，同时增大气隙磁场强度。海尔贝克阵列磁场调制电机的转矩密度可达传 统永磁电机的 1.5 倍以上。
（3）热管理：风冷系统和液冷系统。准直驱执行器输出大扭矩时，会产生大量焦耳热，需要高效的散热系统。焦耳热 是通过电机绕组的电流产生的热量。由于没有减速器放大扭矩和降低速度，电机 必须在大扭矩和低速度状态下运行，大扭矩又依赖于大电流，这会产生焦耳热。 及时散热才能保障执行器在高扭矩下持续运转。一些准直驱执行器通过定子绕组 封装来改善热传递效率。定子绕组封装是指将具有高热导率的材料注入绕组和电 机外壳之间，使绕组的热量更有效地传导出去。常用材料是热固性树脂，如环氧 树脂。在此基础上，电机外部还可以加装液冷、风冷系统，进一步提高散热效率。
风冷散热系统成本低、可靠性高、工艺简单、安装方便，缺点是噪声大。风冷散 热系统可以根据是否采用额外的增强空气流动的装置分为自然风冷和强迫风冷。 自然风冷不需要额外的动力装置，仅仅通过机壳与周围空气的自然对流进行热交 换。一些自然风冷方案在电机机壳表面设计散热筋、散热翅片结构以增加散热效 率。强迫风冷通常利用风扇系统加强电机与外部空气的热交换，额外的风扇系统 提高了电机的散热效率，但也在一定程度上增加了电机系统的电力消耗和噪声。
液冷系统散热效率高、噪声小，缺点是质量大。电机液冷一般采用水冷，原因是 电机水冷系统相对油冷系统结构更简单，并且水易处理，无污染，费用较低，冷 却效果较佳。目前的电机水冷系统一般是在电机外壳上加装水套进行冷却。液冷 系统的问题在于需要存储大量液体，这不利于执行器的轻量化。因此，液冷系统 的最佳规格需要在质量和冷却带来的扭矩提升之间权衡。如果系统过小，则散热 效果不足，无法提升扭矩。如果冷却系统过大，带来了过多的新增质量，那么也 起不到提升扭矩密度的效果。
（4）提高带宽：电流环响应、芯片和算法。对于使用电流环力控的准直驱执行器而言，电流环响应的快速性决定了整个系统 的响应速度。电流环内部延迟主要包括反馈环节的电流采样延迟、PI 计算环节的 计算延迟、空间矢量脉宽调制(SVPWM)算法的计算延迟以及逆变电路中功率器 件的开关延迟等。提升电流环响应速度有两种主要方式。1）通过解决电流采样 周期和 SVPWM 占空比更新上存在的问题，提升响应速度。目前已经提出的方 法有双次采样、分段式更新策略、SVPWM 调控增量预测等。2）改变传递函数， 采用其他控制方式来取代传统的 PI 控制，降低系统延时。
由于带宽与控制系统的计算耗时相关，采用计算速度更快的控制器对于提升带宽 有很大的帮助。当下主流的控制芯片可分为三大类，分别为微处理单元（MCU）、 数字信号处理器（DSP）及现场可编程逻辑门阵列（FPGA）。相比于 MCU 和 DSP，FPGA 以硬件描述语言作为编程语言，由于直接由硬件实现逻辑，所以它 并行执行，从而使运行速度大大提升，可提高关节算法的运行效率，也大量应用 于复杂逻辑控制以及大量的数据运算和处理。
改进的 PID、滑模控制等算法具有更快的响应速度。PID 最基本的电机控制算法， 优点是简单、可靠性高。但是传统 PID 算法的响应速度较慢，目前的研究往往把 PID 与其他控制算法相结合，以改善响应速度。例如，基于小波神经网络 PID 算 法的电机能够更迅速地响应突增扭矩的指令，更快收敛到给定值。除改进的 PID 算法外，目前比较成熟的现代高级控制算法主要有模型预测控制、神经网络控制、 模糊控制、滑模变结构控制。其中，滑模变结构控制算法具有高精度、高响应速 度、高鲁棒性的特点，并且能很好地与其他控制算法相结合，在电机控制系统中 得到了广泛应用。
