人形机器人能流畅拿起水杯、精准避开障碍，全靠关节模组在背后起作用。
这些关节怎么能比人类关节还灵活？一个巴掌大的关节里，到底有多少精密零件？国产关节模组真的能赶上国际水平吗？
关节模组就像人形机器人的筋骨，既要能撑起机身，又得像穿针引线那样灵巧，每个环节的技术进步都会影响整个产业。
01|关节模组
关节模组的数量比人类更多
人类全身有300多个关节，但人形机器人的关节模组数量常常超过50个。
比如成都的天行者2号就有55个自由度，每个自由度都对应一套独立的关节模组。
这些多出来的关节主要在手部和腰部，手部每个手指一般需要3到4个关节配合，才能完成抓、捏、拧这些精细动作，腰部的枢轴关节还能让机器人转身更自然，不会动作僵硬。
单个关节的零件数量超想象
别小看一个拳头大的关节模组，里面的零件数量经常超过100个。
除了电机、减速器这些关键部件，还有轴承、齿轮、传感器、导线等小零件。
最精巧的要数谐波减速器里的柔轮，壁厚只有0.2毫米，表面齿形的加工精度得达到微米级，哪怕是比头发丝还细的误差，都可能让动作卡住。
关节寿命秘密藏在润滑里
人形机器人关节的寿命不是电机或齿轮说了算，而是看润滑技术好不好。
工业里的机器人关节每天要转10小时以上，内部齿轮和轴承高速摩擦，普通润滑油不到一周就没用了。
现在行业常用的特种固体润滑脂，能在零下40度到150度之间保持稳定，把关节寿命从几千小时延长到上万小时，足够机器人连续工作一年多。
相关报告和资料，均发布在知识星球：
02|材料供应
轻与硬的平衡
关节模组的结构框架得同时做到轻和结实，以前常用铝合金，现在有了更好的选择。
PEEK材料的重量只有铝合金的70%，强度却比它高两倍，鹿明机器人用它做摆线减速机的齿轮，不仅让关节更轻，转动效率也比传统材料高很多。
还有氮化铝陶瓷，用在电机外壳上，既能挡住电磁干扰，又能快速散热，让电机在小空间里稳定工作。
碳纤维复合材料用在关节的连接部件上，比如智动力的直线关节模组，用碳纤维代替钢材做推杆，重量轻了一半，却能承受1吨的最大推力。
这些材料不能直接用，得靠金发科技这样的企业进行改性处理，调整材料的韧性和耐磨性，才能适合关节的工作环境。
驱动材料
关节驱动的关键是电机，电机的性能要看铁芯和线圈材料。
现在主流的铁芯材料是35W250高硅钢，它的磁导率比普通硅钢高30%，能减少电机工作时的能量浪费。
线圈用的漆包线也有门道，用无氧铜做的，表面镀一层聚酰亚胺薄膜，既能导电又能绝缘，能承受220℃的高温，防止电机长时间转着过热坏掉。
更先进的驱动材料是氮化镓，这种第三代半导体材料做的芯片，开关速度比传统硅基芯片快10倍，导通损耗降了70%。
英诺赛科的100V氮化镓产品用在关节电机驱动上，让功率提高30%，电源体积却小了30%，天行者2号能续航2小时，氮化镓芯片帮了大忙。
润滑材料
关节内部的摩擦部件需要专用的润滑材料，不同部位的要求还不一样。
齿轮之间用的是特种锂基润滑脂，加了二硫化钼添加剂，能在金属表面形成一层耐磨膜，就算高速转动也不会被磨掉。
轴承用的是聚脲基润滑脂，耐高温更好，在电机运转产生的高温环境里也能保持粘度稳定。
这些润滑材料不是通用的，得和关节结构匹配才行。
比如谐波减速器的柔轮经常变形，润滑脂的流动性要刚好，太稀会流走，太稠会阻碍变形。
国内企业已经能生产这类特种润滑脂，性能和进口的差不多，价格却低20%以上，大大降低了关节模组的成本。
03|精密齿轮
齿轮设计
齿轮的齿形可不是简单的三角形，而是用精确计算得出的渐开线形状。
这种形状能让两个齿轮咬合时受力更均匀，不容易磨损。
现在更先进的是复合摆线齿形，鹿明机器人就用这种齿形做PEEK齿轮，转起来比传统渐开线齿轮效率高15%，噪音也小了10分贝。
设计齿轮时还得考虑模数和齿数，手部关节的齿轮模数一般在0.3到0.5之间，比米粒都小；腿部关节的模数就得达到2到3，这样才能扛住身体的重量。
设计师会用专业软件模拟齿轮咬合的过程，优化齿形的接触面积，保证每个齿轮都能转得稳。
微米级的精度把控
齿轮加工得经过滚齿、插齿、剃齿、磨齿好几道工序，每一步都不能大意。
滚齿这一步，用高速转的滚刀在齿坯上切削，转速能到每分钟3000转，误差控制在5微米以内。
磨齿是最后一道精细加工的步骤，用金刚石砂轮打磨齿面，让表面粗糙度达到Ra0.4微米，差不多和镜面一样光滑。
国内企业已经掌握了这些工艺，比如绿的谐波的齿轮加工车间，全自动化生产线24小时不停转，转子生产线自动化率100%，定子生产线是70%。
车间里用激光测量仪实时检查齿轮精度，一旦误差超了标准就自动停机调整，保证每个齿轮都达标。
让齿轮更耐磨
齿轮得承受反复的冲击力，所以得做热处理来增加硬度。
常用的方法是渗碳淬火，把齿轮放进渗碳炉里，在900℃的高温下通甲烷气体，让碳原子渗到齿轮表面，再快速冷却淬火。
这样处理后，表面硬度能到HRC58到62，核心还能保持韧性，既耐磨又不容易断。
像PEEK这类塑料齿轮，不用做渗碳淬火，而是用玻纤增强改性的办法，在材料里加20%到30%的玻璃纤维，强度能翻两倍多。
鹿明机器人的PEEK齿轮经过这种处理，能扛的扭矩比普通塑料齿轮高3倍，能用1万小时以上。
04|伺服电机
小型化设计
人形机器人的关节空间很小，特别是手部关节，伺服电机得做得足够小才行。
空心杯电机是现在常用的，它没有铁芯，比传统电机轻40%，体积也小30%。
江苏雷利做的空心杯电机直径只有10毫米，差不多和铅笔芯一样粗，但能输出足够的扭矩，满足手指关节的驱动需要。
为了把体积再缩小点，电机用了无框设计，去掉传统的外壳，直接把定子和转子装到关节结构里。
这种设计能省20%的空间，还能减轻重量，天行者2号的关节电机就用了这个方案，让整机重量控制在55公斤。
力矩密度提升
力矩密度是看伺服电机性能好不好的关键指标，意思是单位重量能输出的扭矩。
国内企业优化了电机绕组的结构，用扁线绕组代替传统的圆线绕组，铜损降了20%，力矩密度提高15%。
江苏雷利的无框力矩电机，力矩密度能到每公斤5牛米，比国外同类产品高10%。
氮化镓芯片的使用也帮着提高了力矩密度，它能让电机驱动的开关频率变高，让电机在更小的体积里输出更大的功率。
意优科技把英诺赛科的氮化镓芯片装在关节驱动板上，让电机的转换效率到98.5%以上，比传统硅基方案高3到5个百分点，既更节能也更有力。
控制算法
伺服电机的精准控制是靠算法实现的，好的算法能让电机启动和停止更稳，不会动作卡顿。
现在常用的是PID控制算法，调比例、积分、微分三个参数，就能让电机的转速和位置控制精度到0.1%。
更先进的是模型预测控制算法，能提前想到负载会变，调整输出的扭矩，让机器人搬重物时也能保持平稳。
国内企业在算法上也有突破，比如智动力的研发团队改了好几次驱动软件的控制算法，尽量降低硬件的能量损耗。
他们做的自适应算法能根据关节的负载情况自动调参数，空载时降低功耗，满载时提高扭矩，既节能又能保证性能。
手臂的工作空间
05|减速器
谐波减速器
谐波减速器有柔轮、波发生器、刚轮三个部件，工作时波发生器带着柔轮变形，和刚轮咬合传递动力。
它的好处是体积小、传动比大、精度高，单个谐波减速器的传动比能到100到300，精度能到1弧分，很适合人形机器人的手臂和手部关节。
以前谐波减速器主要靠进口，现在国产的已经有突破了。
绿的谐波的谐波减速器在国内市场占了40%以上的份额，额定转矩、重复定位精度这些关键参数和国际领先水平差不多。
他们的柔轮用专用合金钢材料做的，经过好几道热处理工艺，能用1万小时以上才会疲劳损坏。
RV减速器
RV减速器有行星齿轮和摆线针轮，结构比谐波减速器复杂，但能扛更重的东西，也能承受更大的冲击，适合用在机器人的腿部和腰部关节。
它的传动效率能到90%以上，传动比范围也广，从30到200都有，能根据不同关节的需要调整。
国产RV减速器的技术也在进步，优化摆线轮的齿形设计后，咬合时的磨损变少了，使用寿命也变长了。
现在国内企业做的RV减速器，额定扭矩能到500牛米以上，满足大型人形机器人的承重需要，价格比进口的低30%左右，性价比更高。
摆线减速器
摆线减速器是最近几年新出来的一种减速器，用摆线针轮咬合传动，体积比RV减速器小，重量也更轻，适合对轻量化要求高的关节。
鹿明机器人和富春染织一起做的摆线减速器，用PEEK材料做摆线轮，加上复合摆线优化齿形的技术，转起来比传统摆线减速器效率高20%。
这种减速器还有个好处是噪音低，咬合时的冲击小，运行时噪音能控制在50分贝以下，比谐波和RV减速器都安静。
现在已经用在轻型人形机器人上了，能让整机重量轻10%以上，续航时间也长15%。
主臂设计
06|传感器集成
角度传感器
角度传感器能实时测关节转动角度，给控制系统传反馈，让动作更准。
MPS的MAQ600A是现在常用的型号，用了隧道磁阻元件，RMS噪声不到0.015度，全温区误差低于0.6度，校准后误差更小，连关节的微小转动都能抓得准。
这款传感器体积很小，用3毫米见方的QFN-16封装，随便塞进关节的小空间都没问题。
安装方式也灵活，轴端或侧轴都能装，适合不同的关节结构。
高速端配多极磁环，能测到更准的角度；低速端的话，精度和尺寸要求都能轻松达到。
力传感器
力传感器能测关节受到的外力，让机器人抓东西时知道用多大劲，不会捏碎也不会抓不住。
六维力传感器是现在最先进的，能同时测三个方向的力和三个方向的力矩，技术难度大，以前一直被外国品牌垄断。
现在国产六维力传感器有了突破，蓝点触控的产品国内市场占比超过70%，精度最高能到0.1%FS，响应速度超过10kHz，核心零件全是国产的。
用这种传感器，机器人动作会更像人，少点机械味，适合精密装配、医疗手术这些地方。
扭矩传感器
扭矩传感器能测关节输出的扭矩，防止过载坏了零件。
蓝点触控的关节扭矩传感器综合精度比0.1%FS还好，能实时反馈力矩，给机器人的灵活控制和碰撞安全提供基础数据。
机器人碰到东西时，扭矩传感器发现扭矩突然变大，马上发信号让电机停转，不会弄坏关节或撞到东西。
它还能看关节有没有磨损，通过扭矩变化判断齿轮和轴承坏得怎么样，提前提醒维护。
2025年上半年，蓝点触控的关节扭矩传感器卖了7万多套，占国内总销量的95%以上，成了行业大公司的主要供应商。
完整机械设计图
07|模组调试
精密装配
关节模组装得准不准直接影响性能，每个零件都得对齐。
在智动力的装配车间，工人和机械臂一起干活，用激光定位仪帮忙装，电机和减速器的同轴度误差控制在2微米以内，这比一根头发丝的直径还小得多。
轴承的安装要用专门的压装机，施加均匀的压力，避免过紧或过松影响转动。
装的顺序也有讲究，一般先装减速器，再装电机，最后装传感器和驱动板。
每一步做完都要检查，比如装完减速器要试试转得顺不顺，装完电机要测空载转速。
装完的关节模组，还要量整体尺寸，确保和设计的一样。
软件调试
装好了的关节模组要调软件，校准角度、扭矩这些参数。
调试人员用专门的测试台固定关节，通过电脑软件发指令，让关节转不同角度，同时记传感器反馈的数据。
如果角度有偏差，就调软件参数，直到误差在允许的范围里。
调试还包括负载测试，给关节加不同的重量，测扭矩输出和反应速度。
意优科技的调试团队会模拟机器人抓东西、搬东西这些实际情况，调驱动算法的参数，让关节在不同重量下都能稳着转。
调完后还要重复测好几次，确保参数不变。
肩部CAD零件
老化测试
要保证关节模组靠谱，得做老化测试。
测试时把关节放进模拟实际工作环境的箱子里，在不同温度、湿度下连续转几千小时。
智动力的老化测试会让关节用不同速度和重量循环转，累计转2000多小时，差不多是实际用一年的量。
测试时会实时看关节的温度、声音、扭矩这些参数，一旦有问题就标成不合格。
老化测试能把早期坏的产品挑出来，让出厂的产品更合格。
现在国内企业的关节模组合格率到了99%以上，和外国品牌一样好。
——THE END——
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