宏集分享 | 微型线性伺服执行器如何驱动人形机器人关节？从驱动原理到实际选型

前言

人形机器人要实现类似人的抓取、操作和交互能力，关节除了需要动起来外，还需要在有限空间内完成位置、速度以及一定程度上的输出控制。

在手指、手腕、夹爪等尺寸受限、需要较高运动灵活性的部位，微型线性伺服执行器提供了一种不同于传统旋转关节的机械设计路径。

一、人形机器人关节的实施难点

从机械结构来看，人形机器人可以简单理解为多个关节和连杆组成的运动系统。肩、肘、腕、髋、膝、踝以及手指等部位，都需要执行器提供动力。但不同关节的工作要求差异很大。例如，腿部关节需要较大的持续扭矩和功率；髋部和膝部需要承受较大的动态载荷；而手指关节则更关注体积、重量、运动范围和多自由度布局。

因此，人形机器人并不存在一种适用于所有关节的“通用执行器”。目前机器人执行机构大体可以分为旋转执行和线性执行两种形式。

电机、减速器、编码器等组成的旋转执行机构较为常见，而线性执行器则直接输出直线位移。近年来，线性执行机构也被用于机器人手部等仿生结构中。相关研究表明，采用电机与丝杠组成的线性执行器，可以通过机械机构实现手指关节运动，并获得较高的抓握能力。

由此可见，机器人关节真正需要的不是某一种电机，而是与关节结构相匹配的“动力+传动+控制”组合。

二、线性执行器为什么可以驱动旋转关节？

乍一看，线性执行器只能前后伸缩，而机器人手指、手腕等关节需要绕轴旋转，两者似乎并不匹配。实际上，二者之间只需要增加机械转换机构。

最常见的方式之一，就是通过连杆或摇臂，将执行器的直线位移转换为关节角度变化。可以把它简单理解为：

电机旋转 → 传动机构 → 丝杠/螺杆产生直线位移 → 连杆/摇臂 → 关节旋转

其中一个重要参数是力臂。在理想的静态条件下，关节输出扭矩可以近似理解为：

T = F × r

其中，T为关节输出扭矩；F为执行器轴向推力；r为执行器作用点到关节旋转中心的有效力臂。

因此，执行器的100 N推力，并不意味着关节就能直接获得100 N·m的扭矩。实际输出还会受到安装位置、连杆角度、运动范围、机械效率以及动态负载等因素的影响。

这也是微型线性执行器进行机器人关节设计时非常关键的一点：不能只看执行器额定推力，而需要把执行器参数与整套机构的运动学设计结合起来。

三、为什么在仿生手中线性执行方式具有一定优势？

人手的手指并不是简单的单轴旋转结构。以一个典型手指为例，通常包含多个指骨和关节。机器人如果希望模拟类似人手的弯曲、伸展以及抓握动作，就需要在有限空间内布置多个驱动单元。

传统旋转电机直接安装在关节附近虽然结构直观，但当关节数量增加后，会产生几个问题：

第一是空间：多个电机、减速器和驱动元件集中布置，会增加手掌和手指的体积。

第二是重量：执行器安装在末端，会增加远端质量。对于机器人手臂而言，末端质量增加后，上游关节需要承担更大的惯量和负载。

第三是结构布局：如果能够将动力源布置在更合适的位置，再通过连杆、拉索等方式传递动力，就可以给机械结构设计留下更多空间。

机器人手领域已经存在多种这种思路。例如，早期的人形机器人手研究就采用了腱绳驱动，将执行器和传动结构结合起来实现多指运动。近年来的研究也在继续探索通过腱驱动、欠驱动等方式，在执行器数量、手部重量和灵活性之间取得平衡。

因此，线性执行器并不是要取代旋转伺服，而是为小型、高自由度机器人机构增加一种可选的动力架构。

四、微型线性伺服执行器与普通电动推杆有什么区别？

如果只是需要完成简单的伸缩动作，普通电动推杆已经能够满足很多应用。但对于机器人关节而言，执行器通常还需要与控制系统进行实时交互。

微型线性伺服执行器的核心区别，就在于它不仅输出运动，同时还能够对运动状态进行检测和控制。

宏集12Lf系列线性伺服执行器
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以宏集IR Robot的12Lf系列线性执行器为例，其内部集成了无芯直流电机、齿轮箱、驱动电路和位置传感器，可以进行位置、速度和电流控制，并通过通信接口提供位置、电流等反馈数据。该系列产品提供27、40、53和90mm等不同有效行程，并根据齿轮比提供不同的额定负载和速度组合。这意味着它在机器人系统中承担的角色，并不是一个简单的“推杆”，而更接近一个高度集成的微型伺服执行单元。

基本控制链路可以理解为：

上位控制器 → 通信指令 → 执行器内部驱动 → 电机/传动机构 → 直线运动 → 位置/电流反馈

这样一来，机器人控制系统就可以根据目标位置和运动要求，对多个执行器进行协调控制。

五、在人形机器人关节中真正需要关注哪些参数？

（一）推力与关节扭矩

首先需要根据目标关节的负载计算执行器所需推力。如果采用连杆机构，需要结合关节角度变化计算不同位置下的有效力臂。

同一个执行器，在不同关节角度下可能产生不同的实际输出扭矩。因此，选型时不能只看一个静态参数，而需要考虑整个运动范围内的负载曲线。

（二）行程与关节运动范围

线性执行器的行程决定了机械结构可以实现多大的位移。但行程并不等于关节角度。相同的执行器行程，通过不同长度和安装角度的连杆，可以获得不同的关节运动范围。

因此，机器人结构设计通常需要先确定关节所需的角度范围，再反推执行器的安装位置、力臂和行程。

（三）速度

机器人手指完成抓取、释放、姿态调整时，对运动速度有不同要求。我们需要注意一个基本规律：在相同执行器条件下，负载和速度通常存在权衡关系。一般来说，额定负载越高，对应的最高速度通常越低。不同齿轮比会形成不同的推力与速度组合。

因此，不能简单地认为“最大速度越高越好”。机器人应用真正关注的是目标负载下能达到什么速度。

（四）位置反馈

对于机器人关节而言，执行器是否知道自己“走到了哪里”非常重要。有一点我们需要注意，执行器的线性位置精度不能直接等同于机器人关节角度精度。最终关节精度还会受到连杆长度、装配误差、机械间隙、结构刚度以及传动误差等因素的影响。

（五）电流控制与“力控制”

这是机器人执行器选型中比较容易混淆的一个概念。电流与电机输出力矩存在关联，因此通过电流控制可以间接影响执行器的输出能力。但“支持电流控制”并不意味着执行器已经具备独立、完整的闭环力控制能力。

以宏集12Lf系列线性执行器为例，其支持目标电流控制，并能够反馈电流等运行数据；但是，其力控制范围与具体额定负载、失速力有关，并不能简单理解为可以在任意较低推力下连续输出并精确保持目标夹持力。

因此，如果应用涉及精密抓握、柔顺接触或人机交互，还需要进一步结合力传感器、触觉传感器以及机器人控制算法进行系统级设计。

六、微型线性伺服更适合哪些机器人关节？

从目前的技术特点来看，微型线性伺服执行器并不是“整个人形机器人所有关节”的替代方案。它更适合以下几类场景。

（一）仿生手指关节

这是比较典型的应用。执行器的直线运动可以通过连杆机构转化为手指关节的旋转运动，在有限空间内实现手指的屈伸。如果进一步配合多执行器协同控制，基本可以实现不同手指或不同关节的独立动作。

（二）机器人夹爪

对于工业夹爪、仿生夹爪而言，执行器主要负责控制夹爪开合。与简单气缸相比，带有位置检测和控制功能的电动执行方案更容易与机器人控制系统进行集成。

（三）手腕及小型关节

对于一些负载较小、但对尺寸和运动控制有要求的关节，线性执行器可以通过合理的机械结构形成紧凑的驱动方案。

（四）其他小型机器人机构

类似的机械原理还可以应用于小型仿生机器人、多足机器人、攀爬机器人以及自动化夹具等。

七、宏集IR Robot方案：面向精密运动控制的线性伺服执行器

针对机器人、自动化设备以及小型精密运动机构的空间限制，宏集IR Robot提供了一系列微型线性伺服执行器产品。

与传统分体式方案相比，我们将电机、减速机构、驱动电路和位置检测集成在紧凑结构中，并通过通信接口与上位系统连接。不同系列主要通过尺寸、行程、负载、速度及通信方式进行区分，以适配不同应用需求。这种高度集成设计可减少外围部件数量，并为机械结构设计提供更多空间。

面向不同应用需求的产品选择

宏集IR Robot微型线性伺服执行器覆盖多种规格，可根据负载与运动需求选型。小型型号更关注体积与重量，高推力型号则通过不同齿轮比满足更大轴向负载需求。

宏集IR Robot产品支持位置控制、速度控制、电流控制、位置反馈和状态反馈，支持TTL/PWM、RS-485通信；具体选型需结合负载、行程、速度及控制系统综合确定。

从执行器到机器人关节

线性伺服电缸

在人形与仿生机器人中，宏集IR Robot 微型线性伺服执行器可通过连杆或摇臂结构实现直线到旋转的转换，适用于仿生手指、夹爪、手腕及小型关节等场景。多个执行器组合还可实现仿生手的多关节协同运动，如屈伸、抓握与姿态调整。

需要注意的是，执行器只是关节系统的一部分，最终性能取决于机械结构、比例设计与控制算法的整体配合。因此选型时应重点考虑关节负载、运动范围、速度需求与安装空间。

总结

人形机器人要实现更接近人的操作能力，手部及末端关节的机械设计会越来越重要。对于这类空间有限、自由度较多的机构，微型线性伺服执行器提供了一种不同于传统旋转伺服的实现方式：通过直线运动配合连杆、摇臂等机构，将动力转换为关节运动，同时把驱动、位置检测和通信功能集成到较小的执行单元中。

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