为康复机器人选择 BLDC 电机：关节选型指南

为康复机器人工作选择 BLDC 电机，会颠倒塑造大多数电机选型的那套优先次序。治疗设备所产生的运动，是因规格要求而慢，而不是因能力受限而慢；它要按秒保持，而不是在毫秒内到达；并且要在一次疗程的长度内反复进行，同时把一段患者的肢体连在输出端上。因此，关节处的执行器要按三项来评判：它能长时间保持的扭矩、它能在极低转速下准确给定的扭矩，以及患者透过减速机构仍能感受到多少负载。本指南把这三个问题放到 机器人执行器 栏目当前收录的九款执行器上逐一看过——从 190 g 的 AK40-10 V3.0 KV170 到 940 g 的 AK10-9 V3.0 KV60——并将它们与 康复机器人 关节实际施加的工况相对照。

快速结论

用于康复机器人工况的 BLDC 电机，要按三项通用伺服选型不会优先看的数值来选。第一项是关节处的连续扭矩，因为治疗运动要在数秒内让一段肢体对抗重力保持，而绕组必须扛住这段保持，而不是只扛住瞬态。第二项是执行器在治疗所用转速下能够准确给定的扭矩，而治疗所用转速远低于公布的空载数值。第三项是减速比，因为这个比值同时决定了给定电机下关节能获得多少扭矩，以及有多少负载会透过输出端传到患者身上。在本指南汇集起来的九款执行器中，额定扭矩从 AK40-10 V3.0 KV170 的 1.3 Nm 一直到 AK80-64 KV80 的 48 Nm，质量从 190 g 到 940 g，减速比则跨越 6:1 到 64:1。把轻载助力关节与承载步态训练轴区分开的，正是这一比值的分布，而不是扭矩的分布。

康复机器人用 BLDC 电机必须提供什么

康复关节所施加的工况，在转速上很窄、在时长上很长，并且它到来时输出端上连着一个人。由此引出三项性质，而正是这三项，把康复机器人关节用的 BLDC 电机与同一扭矩等级下为机器人所选的电机区分开来。

治疗运动按设计就是慢的

治疗运动是以活动范围的度数和持续时间的秒数来描述的，而不是以每分钟转数来描述。一个膝关节或肘关节在数秒内走完其活动范围，就是关节以每秒几十度的速度转动；而在一个 9:1 的减速级之后，这相当于电机以几百 rpm 转动。本组执行器公布的空载转速在 AK80-6 KV100 上可达 800 rpm，远高于任何治疗运动所需的工作点，因此选型并不会撞上转速上限。相反，它会落在转速曲线的另一端，那里真正有用的问题是：执行器在低转速下输出扭矩有多平稳，以及反馈能把一个小角度分辨得多细。

负载是一段人体肢体，并且会随运动而变化

与承载固定负载的机器人关节不同，康复关节承载的是一段肢体，其有效负载会随运动的几何形状、以及患者参与的程度而变化。主动发力的患者会减少执行器需要提供的扭矩；而抵抗的患者，或者在拉伸过程中肌张力升高的患者，会在控制器未曾预料到的时刻增大这一扭矩。因此，公布的额定扭矩是定尺寸计算的下限，而不是对极端工况的描述；公布的峰值扭矩则是吸收意外的那份储备余量。这两个数值在本组中呈现不同的离散程度：AK80-6 KV100 公布峰值 12 Nm、额定 6 Nm，而 AK10-9 V3.0 KV60 公布峰值 53 Nm、额定 18 Nm，AK80-64 KV80 公布峰值 120 Nm、额定 48 Nm。

承载这一要求的三项数值

若归结到尽可能精简的一组，那么三项公布数值就承载了康复选型的大部分内容。额定扭矩是连续数值，也是保持某个姿态时所消耗的那一项。减速比同时决定了关节所看到的扭矩，以及关节对患者而言感受起来有多透明。连续电流则是前两者的电力账单，它决定随设备一同移动的驱动器与电池组的尺寸。规格中的其余每一项，从直径到极数，都是把这三项塞进整机之内的约束。

康复工作制中的低转速与高保持扭矩

转速，正是康复机器人用 BLDC 电机选型与其它所有机器人应用拉开差距的地方，也是 康复机器人 工况首先锁定的东西。工作点并不快，而该点上的扭矩要长时间保持，这就把两项公布数值推到了选型的中心。

工作扭矩位于转速区间的底端

下表额定转速一列，从 AK80-64 KV80 在 24 V 母线上的 23 rpm 一直到 AK80-6 KV100 的 603 rpm，而一个缓慢走完一段活动范围的治疗关节，其工作时间远低于其中任何一个数值。本组中的低速执行器并不是对这类工况的妥协；低速本身就是设计。AK45-36 V3.0 KV80 上的 36:1 减速级在 24 V 母线上以输出端 40 rpm 转动，而 AK80-64 KV80 上的 64:1 减速级以 23 rpm 转动，两者都落在治疗运动所覆盖的区间内，无需再做任何额外减速。

让肢体对抗重力保持，属于连续扭矩

对抗重力保持某个姿态会持续消耗电流，而电流就是热。在康复设备中，保持并不是运动之间的插曲；在持续被动运动设备或静态拉伸台架上，它占据了一次疗程的大部分时间。因此起主导作用的数值是额定扭矩，而读取它的方式，是与其配套公布的额定电流一起看。AK80-64 KV80 公布在 7 A 下额定 48 Nm，而 AK10-9 V3.0 KV60 公布在 10.7 A 下额定 18 Nm。前者以更低的电流保持了超过两倍的扭矩，而原因在于两者之间的减速比，而不是电机本身。

决定热工况的是重复次数，而不是峰值

一次疗程会把同一个运动重复很多遍，而每一次重复开始时绕组的温度状态，是由前一次决定的。连续额定值是一句关于热的陈述，而它所依据的安装条件，执行器记录并没有完整给出。在一个自带外壳与散热路径的设备内部，这份额定值能保留多少，是制造商要回答的问题；当一个关节被期望在一次疗程的大部分时间里保持高扭矩时，这个问题就应当排在需求清单的前列。

为什么安全关节必须在负载下保持可反向驱动

康复关节的输出端是与一个人共享的。治疗师用手引导一段肢体，或者患者在没有助力的情况下尝试完成运动，都会在执行器所驱动的同一根轴上施加扭矩，而关节必须接纳这一扭矩，而不是与之对抗。它能在多大程度上接纳，取决于减速级，而不是电机本身。

可反向驱动性取决于减速比与减速级

减速比把电机扭矩放大为关节扭矩，并以同一比例把关节运动缩小为电机运动，而它对人施加在输出端的扭矩也做同样的事。AK80-64 KV80 上的单级行星减速 64:1，从输出端反向驱动起来，要比 AK60-6 V3.0 KV80 或 AK80-6 KV100 上的 6:1 减速级困难得多，而这一差别是机械上的，而不是电子上的。一个必须由手来推动、或者必须在患者推压时让出的关节，正是需要可反向驱动 BLDC 电机的场合，而减速比正是扭矩放大与这份自由度之间做出权衡的地方。

高减速比拿走了什么

放大扭矩的同一个减速比，也会损害另外两项性质。它提高了输出端在传递任何负载之前必须克服的那一级的摩擦与回差，也改变了患者在关节处感受到的有效惯量。本组公布的回差数值，介于 AK80-64 KV80 的 0.18° 与 AK40-10 V3.0 KV170、AK45-10 V3.0 KV75 和 AK70-9 V3.0 KV60 的 0.3° 之间，而 AK45-36 V3.0 KV80、AKH70-16 V1.0 KV41 和 AK80-6 KV100 则分别为 0.2° 与 0.22°。回差在关节处被感受为每次换向开始时的一段死区，而在康复设备中，这样大小的死区是能在运动中被看出来的，而不只是能被测量出来。

执行器在患者接触路径中所处的位置

关于安全的论证并不止于执行器。一个托住肢体的设备还带有各项限值、扭矩指令范围、急停与机械限位，而这些属于整机，而不是模组。执行器能贡献的，是它可以被指令到一个有界的扭矩，并且在指令撤除时不会锁死。这两点都是自带驱动器的集成执行器的性质，也正因如此，对于一个在有人附着其上时必须保持柔顺的关节而言，密封模组往往是一个更简单的起点。

力控制及其背后的扭矩带宽

助力治疗首先是一个扭矩问题，然后才是一个位置问题。帮助患者完成某个运动的关节，必须按照患者已经在做的量成比例地补充扭矩，而这需要一个驱动器能够以扭矩方式被指令、并在小数值下值得信赖的康复机器人执行器。

扭矩控制需要驱动器能够据以动作的估计值

扭矩模式指令的好坏，取决于驱动器所依据的输出扭矩估计值，而这个估计值是由相电流和执行器自带的位置反馈共同构成的。本组中的密封模组把电机、减速级与驱动器放进同一个壳体内，而记录在公布了反馈配置的地方就予以说明：AK10-9 V3.0 KV60 与 AK70-9 V3.0 KV60 都记载为配备双编码器，而这正是支持扭矩环而不只是位置环的配置。

分辨率要看关节处，而不是转子处

治疗所要求的运动，在输出端很小，在电机侧则更大，而减速比就是两者之间的乘数。一个被要求在输出端分辨零点几度的关节，等于要求电机侧的反馈去分辨这个度数乘以减速比之后的量，这也是为什么高减速比执行器并不自动就是那台更容易精细控制的机型。本组公布的输出转速已经说明了这一点：在 AK80-64 KV80 上以 23 rpm 保持 48 Nm 的那台执行器，正是在转速区间的慢端保持它，那里控制环的时间充裕，而可供处理的信号却偏少。

柔顺、阻抗与按需助力模式

阻抗控制、导纳控制与串联弹性元件属于控制层的性质，而不是执行器记录里的条目，而且它们没有一项是仅靠模组就能买到的。执行器必须提供的，是跟随扭矩指令所需的带宽，以及让该指令可以很小所需的低摩擦。一个在低扭矩下摩擦与回差占主导的关节，无法靠软件变得柔顺，这就是减速比与回差数值在康复选型中与扭矩数值同样有分量的实际原因。

一次疗程中连续保持扭矩与峰值扭矩的对照

执行器标签上的两个扭矩数值回答的是两个不同的问题，而康复工况把大部分时间花在其中一个上。

额定扭矩是一次疗程所消耗的数值

额定扭矩是制造商为连续运行公布的数值上限，也是保持某个姿态或反复进行缓慢运动时所消耗的那一项。在本组中，它从 AK40-10 V3.0 KV170 的 1.3 Nm 一直到 AK80-64 KV80 的 48 Nm，而区间中段由 AK70-9 V3.0 KV60 的 8.5 Nm、AK45-36 V3.0 KV80 的 8 Nm 和 AK80-6 KV100 的 6 Nm 占据。一个支撑肢体、在一段活动范围内抵抗重力、或者顶着一次拉伸保持位置的关节，在这整段时间里都工作在额定一列。

峰值扭矩覆盖的是过渡，而不是保持

峰值扭矩是一次短暂的偏移，而它背后公布的峰值电流是同一条记录中额定电流的数倍。AK10-9 V3.0 KV60 公布峰值 31.9 A、额定 10.7 A，AK70-9 V3.0 KV60 公布峰值 23.8 A、额定 6.25 A，而这一差距没有哪个绕组能长时间承受。峰值扭矩属于康复运动改变方向、接住一段开始下坠的肢体、或者吸收肌张力突然变化的那些时刻。在一次疗程中把它当作工作点来用，会把关节推到一个制造商并未为连续运行公布的额定值上。

决定驱动器与电池组尺寸的是电流

集成执行器把驱动器带在壳体内部，但电流仍然必须从设备所携带的电池组与母线送来，而康复设备往往是便携的。本组公布的额定电流从 AK45-10 V3.0 KV75 的 1.9 A 一直到 AK10-9 V3.0 KV60 的 10.7 A，而一台带有多个关节的设备，要把这个数值乘以它同时驱动的轴数。因此，电流是关节处的机械要求与整机电气设计之间的桥梁，也正因如此，它值得在早期就确定下来。

面向康复关节的一套规格：从轻载到承载

下表把这里讨论的九款执行器汇集在决定康复关节的若干列上。每一个数值都是制造商为那款执行器公布的数值。

减速比、额定扭矩、峰值扭矩、额定电流、输出转速与重量均为制造商（CubeMars）公布值。当某一输出转速带有两个数值时，它们依次是 24 V 与 48 V 工作点。额定扭矩是连续数值，峰值扭矩是短时数值。每款执行器的绕组、热与安装数据见其制造商产品页。

沿着减速比一列往下读，这一组会分成三个带状区域，而不是九个孤立点。有三款执行器在 24 V 母线上以 10:1 或更低工作，即 AK40-10 V3.0 KV170、AK45-10 V3.0 KV75 与 AK60-6 V3.0 KV80，它们的额定扭矩都在 4 Nm 以下、重量都在 400 g 以下。有三款在 48 V 上以 9:1 工作，即 AK70-9 V3.0 KV60、AK10-9 V3.0 KV60，以及在同一母线上以 6:1 工作的 AK80-6 KV100，它们的额定扭矩介于 6 Nm 与 18 Nm 之间。剩下的一个带状区域，是用长减速级从小电机获得高扭矩的两款执行器，即 36:1 的 AK45-36 V3.0 KV80 与 64:1 的 AK80-64 KV80，而 16:1 的 AKH70-16 V1.0 KV41 填补了 9:1 这一组之上的空档。若改为横向读，电流一列又会再次分出这些带状区域：轻载的 10:1 组需要 1.9 A 到 3.8 A 来保持其扭矩，而 AK80-64 KV80 的 48 Nm 需要 7 A，AK10-9 V3.0 KV60 的 18 Nm 需要 10.7 A。

从手部与腕部到步态训练：读懂整个系列

下面这四个带状区域，从康复设备可能驱动的微型关节，一直到承载一位行走患者的轴，而每个区域都是由工况而不是由某个数字来定义的。九款全部收录在 机器人执行器 栏目中，而 康复机器人 页面正是这一应用在平台上的记载之处。

190 g 与 262 g 这一端：手部、腕部与手指轴

AK40-10 V3.0 KV170 在 53 mm、190 g 的本体里公布额定 1.3 Nm、峰值 4.1 Nm，而 AK45-10 V3.0 KV75 在同样的 53 mm 直径、262 g 下公布额定 2.5 Nm、峰值 7 Nm。两者都运行在 24 V 母线上，都使用 10:1 减速级，也都为肢体末端的关节而设定尺寸——在那里，患者在一次运动中所要携带的质量，会直接算在治疗的账上。一副必须被穿戴、而不是装在机架上的手指或腕部矫形器，正是这两款为之而造的场合。

349 g 与 380 g 这一档：肘部与轻载踝关节

AK45-36 V3.0 KV80 采用同样的小型机架，并在其后加上一级 36:1 减速级，在 24 V 下以仅 40 rpm 的输出转速公布额定 8 Nm、峰值 24 Nm，这是一个远超其质量等级的扭矩数值，代价是转速。AK60-6 V3.0 KV80 在同样的外包络里取了相反的位置，在 380 g 下透过一级 6:1 减速级公布额定 3 Nm、峰值 9 Nm，额定转速为 24 V 下 233 rpm、48 V 下 490 rpm。必须快速走完一段活动范围的肘部助力，与必须缓慢保持扭矩的踝关节，就是把两者区分开来的两种工况。

485 g 与 540 g 的中段：肩部与膝部助力

AK80-6 KV100 在 98 mm 直径、485 g 下公布额定 6 Nm、峰值 12 Nm，其 603 rpm 的输出转速居本组前列；而 AK70-9 V3.0 KV60 在 89 mm、540 g 下，配一级 9:1 减速级与一套记载在册的双编码器配置，公布额定 8.5 Nm、峰值 29.2 Nm。两者都处在这样的量级上：足以把一个肩或一个膝驱动着走完一段治疗范围，而它们之间的选择归根结底取决于这个关节是需要中等扭矩下的速度，还是需要中等速度下的扭矩。

850 g 到 940 g 这一端：步态训练与承载关节

AK80-64 KV80 使用一级 64:1 减速级，在 850 g 下公布额定 48 Nm、峰值 120 Nm；而 AKH70-16 V1.0 KV41 在 879 g 下，配一级 16:1 减速级与一根贯穿轴线的中空轴，公布额定 26 Nm、峰值 78 Nm。AK10-9 V3.0 KV60 以 940 g 位居质量一列的顶端，为额定 18 Nm、峰值 53 Nm，并有一套记载在册的双编码器配置。这些轴承载着站立中的患者，或者让整段肢体对抗重力运动，而 64:1 与 16:1 的减速级正是无需更重的电机就能做到这一点的原因。

已发表康复研究背后的两款执行器

康复关节往往在任何已发表的部署可供参照之前就已经被指定，这就让那些有记载的案例值得细读。这里就记录了一例：来自 Université de Sherbrooke、由 CubeMars 展示的一套肌萎缩康复系统，它使用本次对比中的两款执行器来产生精确的拉伸运动。

这两台就是额定 18 Nm 的 AK10-9 V3.0 KV60 与额定 48 Nm 的 AK80-64 KV80，而这一对映射到上表的两个较重带状区域，而不是其中某一个点。单一系统为何同时搭载两者，值得从数值里读出来：一次拉伸运动需要的扭矩，是关节在不让绕组分热的前提下能保持的扭矩；它还需要一段活动范围，让关节能被设备和治疗师共同带动。因此在一台机器内部，不同的轴可以落在不同的减速比上，9:1 的机台与 64:1 的机台彼此不是替代关系，而是互补关系：康复机器人执行器是按轴来选，而不是按设备来选。

为训练模式匹配执行器

康复关节是相对于某种治疗模式来指定的，而各种模式在执行器承担多少工作、以及负载变化有多快上各不相同。对于康复机器人用 BLDC 电机这一应用而言，模式是比扭矩数值更好的起点，因为它确定了患者与执行器如何分担负载。

被动与持续被动运动

在被动模式下，设备带动肢体，患者不提供任何出力，因此执行器承担全部负载，而负载只随运动的几何形状变化。要求是在整趟行程长度内保持一个扭矩，且速度低到让运动看起来平稳；决定这一点的数值，是执行器的额定扭矩与额定电流。仅为被动运动而造的关节，可以采用本组中偏长的减速比，因为这类工况里没有任何一项要求速度。

主动助力与按需助力

在主动助力模式下，患者提供一部分出力，设备填补其中的差额，而这个差额每次都随重复而变化。这正是要求扭矩控制而非位置控制的模式，也正是 AK10-9 V3.0 KV60 或 AK70-9 V3.0 KV60 上那套记载在册的双编码器配置变得相关的模式，因为扭矩环需要的反馈要同时反映电机侧与输出端。它也是低摩擦与低回差关系重大的模式，因为助力的量必须小到能保持在患者自身用力的水平之下。

阻力与力量训练

在阻力模式下，设备对抗运动而不是产生运动，执行器则充当一个可编程的制动器。负载仍然是连续的，而且施加在患者推压的方向上，这会让关节处在其行程中绕组持续耗流、关节却不移动的那一段。限定这类工况的数值是额定电流而不是额定转速，而减速比在这里的重要性和被动模式下不同：长减速级让一台小电机得以保持一个大的阻力扭矩，36:1 的 AK45-36 V3.0 KV80 与 64:1 的 AK80-64 KV80 正是为此而配置的。

步态训练与减重支撑

在步态训练中，关节跟随的是一个行走周期，而不是单一段活动范围，负载在关节保持的支撑相与关节运动的摆动相之间交替。正是这种交替，让步态轴通常落在表中较重的一端：保持相需要额定数值，摆动相需要足够的转速来跟上一段步频，而这两者合起来，会把选型推向一个既能换来扭矩、又不至于把速度全部丢掉的减速比。AKH70-16 V1.0 KV41 通过轴线上的中空轴为上下两侧的关节走线，而峰值 53 Nm 的 AK10-9 V3.0 KV60 也在此列——这两套配置正是这类工况倾向于取用的。

选型清单

工况与安全论证

• 在看任何型号之前，先写下关节必须保持的连续扭矩，以及每一次保持的时长。
• 写下运动在换向时所需的峰值扭矩，并把它与保持数值分开。
• 判断这个关节是否必须由手来推动、或者在患者推压时让出，并据此确定减速比。
• 确认扭矩指令范围与整机将施加的各项限值，因为这些属于设备而不是执行器。

机械结构与患者接触界面

• 把公布的质量对照设备的携带方式来核对，并把远端质量计入运动，而不是计入机架。
• 把公布的回差对照治疗必须分辨的细微运动来核对。
• 在比较扭矩数值之前，把公布的直径与长度对照肢体所允许的包络来核对。
• 在导线必须跨过关节的地方，核对是否有贯穿轴线的中空轴可用。

集成、反馈与驱动器

• 确认执行器所公布的反馈配置，以及它是否支持扭矩环而不只是位置环。
• 用公布的数值把保持扭矩换算成额定电流，再按设备同时驱动的轴数相乘。
• 利用公布的输出转速一列，按运动在所需扭矩下所需的速度来确定母线电压。
• 向制造商索取连续额定值背后的热阻与安装条件，因为记录并未给出这些。

常见问题

官方资料

CubeMars 在自己的网站上记载了 AK 系列，而本次对比中的每一款执行器都有一个官方页面，载有其完整规格、减速级与安装图纸。制造商的产品系列 是入口，而康复系统中点名的两台则各自单独记载：AK10-9 V3.0 KV60 与 AK80-64 KV80。CubeMars 制造商档案 在 ToBMS 上汇集了同一系列，而平台各栏目下的产品文档则归集在 技术资料 之下。制造商仍是绕组选项、热额定值与反馈变体的权威来源；ToBMS 保留发现与对比这一层，而本指南中所用的每一个数值，都是平台产品记录中保存的公布值。

下一步看什么

与本指南关系紧密的姊妹篇是 外骨骼执行器：三款 CubeMars 准直驱执行器，从 260 g 到 1.4 kg，它为可穿戴设备解读同一类关节工况；而 外骨骼用 BLDC 电机：无框力矩电机还是集成执行器 接续了更早的那个决定——关节应当是一套裸定转子组件，还是一个密封模组。就执行器这一类本身而言，机器人执行器：如何为机器人关节选择合适的一体化执行器 走完了完整的规格集合，而 关节模组怎么选：从 190 g 到 1.4 kg 的五款 CubeMars 执行器 更详细地追踪了同一系列的轻载一端。在这一应用旁边，人形机器人用 BLDC 电机：如何匹配扭矩、转速与尺寸 与 协作机械臂用 BLDC 电机：应当看哪些参数 覆盖了相邻的工况。

若目的是列出一份候选清单而不是做研究，可以从整个 机器人执行器 栏目入手，在 选型 里按扭矩、减速比与质量收窄候选，再把它们放进 产品对比 逐项对垒。当关节必须是一套裸组件而不是一个密封模组时，无框力矩电机 栏目承载了该系列的这一端，而直驱的替代方案则位于 准直驱执行器。康复机器人 页面是这一应用的入口，而相邻的 关节模组、协作机械臂、人形机器人 与 四足机器人 页面，则覆盖了共用这些执行器的各种应用。