2019WRC＃INNFOS SCA關節模塊化驅動器測評

在今年的世界機器人大會上，INNFOS（前沿驅動）推出了一系列商業化關節驅動器，之前基於其關節模組搭建的人形機器人XR-1完成了很高精度的穿針的雙臂協同操作，也由此很棒地登上了2月的IEEE Spectrum Video Friday封面：

圖為INNFOS的XR-1登上IEEE Spectrum Video Friday封面

藉由此次在北京的世界機器人大會的機會，作者來到了INNFOS的展台，向其技術人員詢問了INNFOS相關的技術特點並親自體驗了一把相關驅動器的性能，特地整理和分享如下。

關節驅動器選型匯總

從作者目前從INNFOS拿到的datasheet來看，其可供選擇的關節驅動器主要有如下幾類：

QDD系列（金屬材料行星減速箱，NE30和PR60為鋁合金，NU80為鋼）

QDD系列採用的是傳統鋁合金材料的行星減速箱，根據其電機類型不同，分為如下幾類：

QDD-NE30-36，減速比：36，額定扭矩：6.912Nm，峰值扭矩：20.7Nm，重量：300g，直徑：52mm，長度：68.9mm；（On stock）

QDD-PR60-36，減速比：36，額定扭矩：23.76Nm，峰值扭矩：72Nm，重量：717g，直徑：80mm，長度：66.6mm；（On stock）

QDD-NU80-6，減速比：6，額定扭矩：6.6Nm，峰值扭矩：19.8Nm，重量：453.1g，直徑：100mm，長度：37mm；（On stock）

在以上三款中，作者要特別地把QDD-NU80-6這款擰出來，這款驅動器的原理方案來自MIT的Cheetah Mini，遵循本體驅動器（Proprioceptive Actuator）的思路：

大輸出扭矩電機（諸如公版的T-Motor U8系列） 內置於電機中的行星齒輪箱（減速比為6）=一定的扭矩輸出能力 可靠精確的電流環力反饋能力 高動態力控響應能力

基於此原理的驅動器性能已經從MIT Cheetah Mini得到驗證，其非常適合輕量化四足機器人的搭建（軸向尺寸緊湊: 37mm），作者在這裡就不再做測評。QDD-NU80-6和MIT Cheetah Mini驅動器的相應參數對比如下，性能也非常接近：

QDD-NU80-6: 重量：453.1g，額定扭矩：6.6Nm，峰值扭矩：19.8Nm，幾何尺寸：100mm(直徑) x 37mm(軸向尺寸)；

MIT Cheetah Mini: 重量：480g，額定扭矩：6.9Nm，峰值扭矩：17Nm，幾何尺寸：96mm(直徑) x 40mm(軸向尺寸)；

作者實際親手感受了相關的產品實現，如下：

整體的做工上手感覺較為精細、完整度高，相較於原始版本的Cheetah Mini驅動器加裝了防塵設計，目前的售價定在5199RMB（來源於INNFOS工作人員）。

QDD-NU80-6上手圖，做工精細。

QDD LITE系列（複合材料行星減速箱）

QDD的LITE系列，在作者理解中應該是此次INNFOS方案做的比較新，售價比較低，主推的拳頭產品，其核心特徵是採用了複合材料，注意這裡複合材料的使用不僅僅是在驅動器Housing外殼上，同樣也是用在了行星減速器上。

QDD的LITE系列目前有如下3個子型號：

QDD LITE-EL20-36，減速比：36，額定扭矩：0.4Nm，峰值扭矩：3.2Nm，重量：79.7g，直徑：35mm，長度：45mm；

QDD LITE-NE30-36，減速比：36，額定扭矩：2.3Nm，峰值扭矩：10Nm，重量：232.1g，直徑：52mm，長度：68.8mm；(On stock)

QDD LITE-PR60-36，減速比：36，額定扭矩：5.1Nm，峰值扭矩：18Nm，重量：512.1g，直徑：80mm，長度：69.3mm；（On stock）

QDD LITE系列驅動器，從外觀上就可以看到複合材料製成的Housing。

作者後續的分析將集中於QDD LITE這款系列，具體的力控測評是在QDD LITE-NE30-36上。

QDD PRO系列 （諧波減速器）

DD系列 （無減速器）

以上兩個系列屬於較為傳統的方案和產品，作者在這裡不過多贅述，感興趣的朋友可聯繫INNFOS獲得相應Datasheet。

相關技術原理和特徵分析

QDD是什麼

QDD的英文縮寫是Quasi Direct Drive，即為半直驅驅動器，這類驅動器方案運用在機器人領域的時間較短，最早是通過MIT Cheetah 2進入大眾的視線，MIT的科研人員稱這類驅動器方案為本體驅動器(Proprioceptive Actuator)，並在2017年的一篇TRO中，詳細陳述了該類驅動器的特徵：

Wensing, Patrick M., Albert Wang, Sangok Seok, David Otten, Jeffrey Lang, and Sangbae Kim. "Proprioceptive actuator design in the MIT cheetah: Impact mitigation and high-bandwidth physical interaction for dynamic legged robots." IEEE Transactions on Robotics (2017).

雖然說半直驅方案(QDD)或者說本體驅動器已經在科研圈出現了好幾個年頭，同時國內也有諸如浙大絕影和宇樹科技Laikago採用此驅動器方案集成四足機器人，但INNFOS目前可能是作者看到的第一家主打QDD系列的模塊化驅動器供應商，作者認為其對整體行業未來前景的嗅覺還是很靈敏的。

INNFOS所提的SCA是什麼

作者了解到INNFOS所提的SCA的全稱為Smart Compliant Actuator，這邊需要和SEA即Series Elastic Actuator做一個技術上的區分。從技術原理來看，INNFOS的驅動器並不具備任何機械本體上的Compliant，對比於SEA中串聯的柔性彈性體而言，INNFOS SCA實現的柔性是控制層面上產生的柔性，諸如基於電流環的低阻抗控制展現的柔性等（後有視頻）。

硬體力反饋實現方案

INNFOS在之前的對外宣傳文案中，有如下的陳述：

「我們執行器具有力矩感測功能，可以低成本的實現力控。與此同時，我們運用準直驅技術，以很小的減速比配上大扭矩密度的電機，便可以做到低成本、高產量的情況下實現力控。」

作者看到這個段落的時候，是很困惑的：關節驅動器中集成力矩感測器本身就是和低成本相矛盾。為此，作者求證了INNFOS的相關技術人員：INNFOS實現力反饋的原理僅僅是通過電流環，並沒有集成任何應變片的力矩感測器（或SEA原理的磁編碼器），這裡算是做一個糾正。

複合材料應用的優劣

之前作者提及到QDD LITE系列採用了複合材料製成驅動器內部結構中的行星減速器和驅動器Housing，具體採用的應該是三維編織的碳釺維尼龍複合材料。這類材料作者認為在驅動器的應用中有利有弊：

利：有效降低大規模的生產成本，價格低；

中：一定程度上能夠對驅動器輕量化有所幫助，但實質上對於QDD原理下使用較低減速比行星減速器的驅動器，效果並不明顯。QDD原理下驅動器重量的大頭在大扭矩電機的線圈和永磁體上。這裡就拿INNFOS的兩款產品做一個對比：

QDD-NU80-6，減速比：6，額定扭矩：6.6Nm，峰值扭矩：19.8Nm，重量：453.1g，直徑：100mm，長度：37mm；

QDD LITE-PR60-36，減速比：36，額定扭矩：5.1Nm，峰值扭矩：18Nm，重量：512.1g，直徑：80mm，長度：69.3mm；

前者採用的金屬行星減速器，後者採用了複合材料，在輸出扭矩能力和幾何尺寸較為相近的情況下，QDD-LITE的複合材料並不具有明顯的輕量化優勢。

弊：這類複合材料的一個核心缺陷是在施加較大的扭矩時，其形變數較金屬材料要大很多，不適合定位在大扭矩負載的驅動器中使用。

實際力控性能測評

之前提及到採用複合材料的QDD-LITE全系採用的減速比是36，實際上36這個減速比用電流環做力控還是稍顯大一些的，對於具體的力控性能，作者在INNFOS的展台直觀體驗了如下3個Demo：（使用驅動器的具體型號是QDD LITE-NE30-36）

低阻抗控制

重力補償

碰撞檢測

作者體會過Emika Franka Panda和KuKA LWR iiwa的相應性能，低阻抗和重力補償在肉感上感受的差距不大，但在碰撞檢測方面，感受到較為明顯的閾值力。

產品定位和前景分析

對於INNFOS此次推出的關節驅動器，其實作者認為其驅動器核心特點是QDD，即半直驅原理。相應地，其也是國內第一家推出較為完備QDD原理的驅動器供應商，這個獨闢蹊徑地針對到QDD領域，作者還是看好的。

QDD原理決定了硬體實現成本較低

因為使用電流環做力控的原因，QDD原理的驅動器不需要有額外的機械結構件（附著應變片或編碼器），可以有效地降低驅動器的硬體實現成本。從INNFOS的技術人員了解到，使用複合材料的QDD LITE-NE30-36在大批量下，可以做到1000元左右（以下）的售價。

QDD-NU80-6(MIT Cheetah Mini方案款)恐大賣

在MIT Cheetah Mini實現硬體開源後，國內就有廠商（淘寶）推出了類似原理的驅動器，目前QDD-NU80-6是作者看到的做工最精細、集成度最高的方案。這款原理的驅動器，因為軸向尺寸緊湊、輸出扭矩密度大的特性，不僅僅適合四足機器人的搭建，還很適合機械臂末端執行器的驅動器選型（可替代Maxon EC和DC系列軸向尺寸較長的電機方案），因此作者預估會受到國內外機器人研究所或高校較大的關注。

相應的產品定位

對比於國外模塊化驅動器的高昂定價（如來自ETH ANYDrive的SEA將近45000RMB的售價），QDD LITE將近1000元的售價是極其有吸引力的。這點的話，並不是所有的市場需求都是針對高負載、高精度的科研或者工業級應用，桌面級別的針對創客、機器人教育（高中與大學機器人競賽）的廉價關節模組也將會是一片廣闊的市場——填補此市場需求的空缺，INNFOS的定位還是相當明智的。

本文作者：任賾宇 編輯：Alley

END

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