人形机器人用 BLDC 电机：如何匹配扭矩、转速与尺寸

人形机器人是一个分布在全身每一个带动力关节上的扭矩问题，而描述其中每一个关节的三个量——它必须保持多大扭矩、它必须移动多快、以及这条肢段能承载多少质量——彼此并不独立。动其中一个，另外两个就会跟着变。因此，为一台人形机器人挑选 BLDC 电机，意味着要逐一为每个关节找到这三条曲线相交的那个点，然后再核对已公布的记录是否真的支撑所选定的那个点。顺序一旦搞错，机器要么站不起来，要么抬不起自己的脚。

快速结论

这三个量由两个变量联系起来：电机与关节之间的减速比，以及电机所运行的母线电压。像 6:1 这样的低减速比让关节保持高转速与可反向驱动，但要产生有用的扭矩就需要一台更大的电机；像 64:1 这样的高减速比能用一台小电机做出大扭矩，却要花掉转速，以及关节被外部负载推动的能力中的大部分。减速比由关节的工作制选定，质量由减速比与扭矩推出，而公布的峰值扭矩是一个短时窗口内的声明，不应当拿来当作工作数值。

在 ToBMS 上，人形机器人 应用汇集了服务于人形机器人关节的 CubeMars 集成执行器，从一台带 10:1 减速级的 262 g 模组，到一台公布峰值扭矩 222 Nm 的 1396 g 中空轴模组。本指南逐一说明扭矩、转速与尺寸如何按关节逐个匹配，并把其中八款模组作为一套规格来读。

为什么人形机器人关节是扭矩、转速与尺寸之间的取舍

人形平台与其它机器的不同之处在于，它的结构与它的负载是同一样东西。工业机械臂是被锚定的，它的连杆只需要承载自身惯量与末端工具，底座可以做得多重就做多重。而人形机器人必须把执行器、电池与电子件都背在那些真正做功的肢段上，而这些肢段还必须被移动到足够精确、以维持平衡。加在膝上的每一克，都是髋必须甩动的一克；加在髋上的每一克，都是踝必须补偿的一克。

工作制先于任何型号到来

关节规格里的第一个数字并不是扭矩，而是对关节在一个周期内做什么的描述：它保持静载多长，逆着重力移动多长，多久加速一次，以及其中有多大比例的时间是在负载下低速运行。站立时的髋要在几乎不动的情况下、一次又一次地承担一部分体重，连续几分钟。行走时的膝要在几十毫秒内吸收一次冲击，然后自由摆动。操作任务中的肘，可能在一个班次里大部分时间都以接近恒定的角度握持一件工具。这是三个不同的热学与电磁学问题，要靠扭矩—转速平面上不同的点来解决。

支撑相与摆动相要求的是曲线的两端

腿关节在两种工作制之间交替。在支撑相，关节在可能超过体重的负载下接近静止，这是一个几乎没有转速成分的扭矩需求。在摆动相，同一个关节必须以大角度快速运动、几乎不带负载，这是一个几乎没有扭矩成分的转速需求。同一台电机必须同时满足两者，而减速比正是决定这个折中如何切分的因素。高减速比服务支撑相，并惩罚摆动相；低减速比则相反。正是这种交替——而不是任何一个单一数字——使得双足机器的腿关节比固定工业机械臂里一个可比的轴更难定规格，而当一个新平台的人形机器人关节 要在各类执行器之间分配时，这正是首先要看的东西。

控制回路真正对抗的是反射惯量

在电机与关节输出之间坐着减速器，而减速器在向外传递时，把转子的惯量除以减速比的平方。因此高减速比会让控制器在关节处看到一个非常小的表观惯量，这使位置控制变容易、力控制变困难，因为关节再也分辨不出自己在推的是什么。低减速比把更多转子惯量反射到输出端，让关节能感知外部世界、并能被可预测地反向驱动，这也正是为什么在机器人必须与未知物体或人接触的地方，会采用带 8:1 或 9:1 减速级的准直驱关节。设定扭矩与转速的那个减速比，同时也设定了这种行为，因此它不是一个可以留到软件里再修正的机械细节。

平衡恢复是额定窗口必须覆盖的一种瞬态

双足平衡靠的是在受到扰动后不到一秒内施加的纠正扭矩，而这些纠正的幅值可能是站立不动所需扭矩的好几倍。这就是关节公布的峰值扭矩必须覆盖的瞬态，也是为什么在当前 ToBMS 执行器集合中，部分型号的峰均比可达约三倍。一个只按静态负载定规格的关节，能保持站立的姿态，却无法从一次推力中恢复——而在人形平台上，那意味着摔倒，而不是错过一个周期。

减速比如何把转速转换成扭矩

减速比是人形机器人关节规格里最有用的一项数字，因为它以固定的方式把电机侧的每一个量映射到关节侧。一旦减速比已知，关节的转速就是电机转速除以它，关节的扭矩就是电机扭矩乘以它，而这两者的公布数值可以相互印证。

关节转速是电机转速除以减速比

一台集成执行器所引用的每个转速都是输出转速，也就是关节看到的那个数字。带 6:1 减速级的 485 g AK80-6 KV100 公布空载 800 rpm，而带 64:1 减速级的 850 g AK80-64 在 24 V 母线上公布 37 rpm——输出转速相差约二十二倍，这是减速比的差异造成的，而不是电机品质的差异造成的。对关节而言，每分钟转数是个别扭的单位，所以值得换算一下：1 rpm 就是每秒 6 度，这让 800 rpm 的模组在空载时成为每秒 4800 度的关节，而 64:1 的模组在同一点上是每秒 222 度的关节。一个必须在 300 ms 内摆过 60 度的髋，要求的是每秒 200 度的持续输出，而仅这一条要求，就排除掉了任何执行器系列中高减速比那一端的一大部分。

扭矩乘以同一个减速比，再减去传动所消耗的部分

这个倍乘是真实的，但并不免费。一个 6:1 的减速级把电机处的 6 Nm 变成关节处大约 36 Nm，再减去摩擦与齿轮啮合中的损耗；按同样的算术，一个 64:1 的减速级把 0.75 Nm 变成大约 48 Nm。这就是为什么一个系列里最重的模组并不自动就是最强的：750 g 的 AK60-39 V3.0 通过 39:1 的减速级公布 72 Nm 峰值扭矩，而 850 g 的 AK80-64 通过 64:1 的减速级公布 120 Nm，于是一百克的质量差换来了 67% 的扭矩优势，因为干活的是减速比。减速比同时也设定了效率上的代价，因为每增加一级减速，都会损耗通过它的功率的一小部分，并为回差增添它自己的一份贡献。

KV 乘以母线电压决定电机侧的转速

KV 是电机侧的常量：它是减速器之前，转子在每伏所施加母线电压下的转速。用 KV 乘以母线电压、再除以减速比，可以估出一个空载输出转速，而这个估值可以对照公布值核对，作为对记录的一次算术交叉验证。对于 24 V、经 10:1 的 AK45-10 V3.0 KV75，75 乘以 24 再除以 10 得到 180 rpm，对应公布的 180 rpm。对于 24 V、经 6:1 的 AK60-6 V1.1 KV140，估值是 560 rpm，对应公布的 560 rpm；对于 48 V、经 6:1 的 AK80-6 KV100，是 800 rpm 对应 800 rpm；而对于同在 48 V、经 9:1 的 AK70-9 V3.0 KV60 与 AK10-9 V3.0 KV60，两种情况下都是 320 rpm 对应 320 rpm。这种对应关系并非普遍成立——48 V、经 48:1 的 AKH70-48 V1.0 KV41 估值为 41 rpm，而公布值是 35 rpm——这恰恰说明，应当作为设计依据的是公布的输出转速，而不是从 KV 推导出来的值。

高减速比买来扭矩，花掉可反向驱动性

随着减速比升高，有两个效应在与关节作对。第一，输出端的反射惯量随减速比的平方下降，于是关节变得更易于指令、也更难以感知。第二是摩擦：多级减速器会抵抗从输出侧施加的扭矩，而在高减速比下，这种抵抗可能大到关节在人手或某个表面推动它时干脆不再移动。在本套中，较低减速比的模组公布的是 6:1、9:1 与 10:1，而承载型模组运行在 39:1、48:1 与 64:1，这两组之间的分野，取决于这个关节是被期望做出柔顺接触，还是安静地保持一个大负载。回差是与之相伴的规格，走向却相反：这一组里的模组公布的值介于 0.18 与 0.55° 之间，而一个较低的减速比配上一项严紧的回差数值，正是赋予关节「在手下感觉刚性、却仍能被推动」这一特性的组合。

匹配扭矩：额定、峰值，以及各自背后的窗口

扭矩是大多数人形机器人关节决策最先落在其上的那个轴，也是大多数决策最先做错的那个轴。制造商的记录里会出现三个不同的数字，它们回答三个不同的问题。

峰值扭矩是一个窗口，而不是一项能力

峰值扭矩描述的是执行器在短时间间隔内——通常是把一条肢段加速、或拦住一次扰动所需的时间——能够输出的扭矩，同时不超过驱动器的电流限值、也不让任何东西退磁。对于一次平衡恢复事件、或一次抬举的头一瞬间，它是正确的数字；而对于任何必须重复发生的事，它是错误的数字。在这一组里，峰值与额定的比值从 AK80-6 上的 2.0，一直到 AK70-9 V3.0 上的 3.4，因此两台额定扭矩相同的执行器，其所能提供的瞬态可以相差一半以上。只读峰值那一列会抹平这种差异，产生一份在连续使用中会过热的候选名单。

额定扭矩受绕组散热路径的限制

额定扭矩是一句热学陈述。它是执行器在绕组保持在其绝缘等级之内时能够无限期保持的扭矩，因此它取决于热量如何离开定子——穿过壳体、进入安装结构、再离开关节自身的罩壳。这就是为什么在同样一台电机上，小而密闭的壳体内的额定值会低于大壳体；也是为什么装在肢段末端的关节的额定扭矩，与把同一个关节用螺栓固定在一副背后有大热质量的髋支架上，是两回事。这一组里的额定值从 262 g 那一端的 2.5 Nm，一直到 1396 g 那一端的 74 Nm，而额定数字应当对照关节的平均负载来比，而不是对照其最坏情况来比。在此处常常能闭上环的一次算术核对，是额定扭矩乘以以弧度每秒为单位的额定转速，再对照公布的额定功率：AK60-6 V1.1 在 420 rpm 下给出 3 Nm，即 132 W，对应公布的 130 W；AK70-9 V3.0 给出 231 W，对应 231 W；AK60-39 V3.0 给出 176 W，对应 176 W；而 AK10-9 V3.0 给出 443 W，对应 442 W。两者对不上的地方，差异通常可以追溯到引用该转速时所处的母线电压。

静止时的保持扭矩是一个电流问题

一个在负载下静止不动的关节，从绕组的视角看并没有做零功。驱动器必须把电流推入各相以保持位置，由此产生的铜耗与关节缓慢移动时是一样的。因此一个站立的人形机器人会有一种静态功耗，它随着姿态中每一个受载关节的保持扭矩而缩放，而起作用的是额定工作点处的电流：在这一组里，额定电流从 24 V 下 AK45-10 V3.0 的 1.9 A，一直到 48 V 下 AK10-9 V3.0 的 10.7 A。在电池供电的平台上，这份功耗是要用续航来支付的，这也是为什么一个能用机械止挡保持的姿态值得去设计。

扭矩密度要对照关节必须承载的质量来读

扭矩密度是把扭矩轴与尺寸轴连接起来的那项数字，而只有当它同时说明质量、以及所用的是哪一种扭矩时，它才有意义。在下面八款模组中，公布的每公斤峰值扭矩从 368 g 的 AK60-6 V1.1 上约 24.5 Nm/kg，一直到 1396 g 的 AKH70-48 V1.0 上约 159 Nm/kg，而每公斤额定扭矩在同样这两款模组上从约 8.2 Nm/kg 跑到约 53 Nm/kg。两者都是根据记录数值算出的算术。这样宽的跨度并不是制造品质的偶然：这是减速比造成的，因为较高减速比的模组是用一台转得更快的小电机产出其扭矩，而多出来的减速器质量，相对小电机所省下的质量而言很小。

在关节处匹配转速，而不是在转子处

人形机器人里的转速要求通常以「在给定时间内转过某个角度」的形式给出，而一开始很少被正确地陈述。从关节要求到执行器规格的换算要经过减速比，而减速比是为了扭矩原因而选定的，因此这两个约束必须放在一起求解，而不是按顺序求解。

摆动相决定了腿的转速要求

一条行走的腿必须在 300 到 400 ms 内把脚向前带过大约 60 到 90 度的膝部范围，这要求摆动期间每秒 150 到 300 度的持续关节转速，而在整个步态周期里要低得多。在下面八款模组中，这个区间由 6:1 与 9:1 的 485 g 与 540 g 级别来服务，它们公布的额定转速 603 rpm 与 260 rpm 分别对应约每秒 3618 度与 1560 度——余量很大，这正是关节的速度环能够在摆动内部完成加速与减速、而不必以恒定速率运行的原因。高减速比的模组并未被排除在腿之外，但它们用在关节离地面近、负载路径以支撑而非摆动为主导的地方。

跟踪与到达决定了臂的转速要求

臂的转速要求由它必须遵循的轨迹决定，而不是由单次动作决定。操作任务——伸向一个点、跟随一个表面、接住一个被抛来的物体——需要连续的位置与速度跟踪，而起作用的数字是关节在其行程中段的加速能力，而不是它在末端的空载转速。臂对质量也比腿更宽容，因为肩要带着肘与腕，但整条链不必在每一步都逆着重力加速。这种组合使系列的中段成为开始定臂规格的合理位置：在这一组里，540 g 的 AK70-9 V3.0 在 9:1 下提供 260 rpm 额定转速与 29.2 Nm 峰值扭矩，在紧凑的机身里覆盖了肘或肩俯仰。

空载转速是回路很少触及的上限

公布的空载转速是在该母线电压下、空载且控制器不加干预时的输出转速。真实的关节不会到达那个点，因为一旦它必须保持或加速任何东西，工作点就会沿扭矩—转速线往回移动，而且速度环会限制指令。空载数值的实际用途，是在核对所需转速是否可行时充当一个上界：每秒 200 度的关节要求，在每秒 4800 度的上限里绰绰有余，而离每秒 222 度的上限却近得让人不安。当要求接近上限时，关节将在高电流下度过它的一生，而这个热学后果应当放进工作制计算里，而不是放进一个脚注。

匹配尺寸：外形、孔径与远端质量的代价

尺寸是由人形机器人 平台的运动学设定的那个轴，也是可供折中最少的那个轴。一台装不进两根连杆之间空隙的执行器，无论怎么调都装不进去；而一台在链中错误位置上过重的执行器，改变的是机器的动力学，而不只是它的质量预算。

远端质量在其上方每一个关节处都要再次计费

脚上的一克，在每一次摆动中都被踝、膝与髋加速，因此它的代价每一步要付三次。同样这一克如果放在髋上，只付一次。这就是为什么要把能干活的最小、最轻的模组放在远端，而把质量留给那些必须产生最大扭矩的关节——这一点在这一组的布局里看得见：262 g 与 368 g 的模组承担 2.5 Nm 与 3 Nm 的额定扭矩，用于腕、手与踝的工作；而 940 g 与 1396 g 的模组承担 18 Nm 与 74 Nm 的额定值，用于髋与膝。把这种安排反过来——为了余量而在远端关节上装一台大执行器——会让近端关节在机器余下的整个寿命里都更吃力。

肢段内部的线缆孔径与线束寿命

人形机器人关节会旋转，而一切必须跨过这一旋转的东西——电力、传感器布线，有时还有流体或空气——要么穿过滑环，要么穿过一个必须挺过数百万次弯折循环的维修环，要么穿过执行器本身。1396 g 的 AKH70-48 V1.0 KV41 是一台中空轴行星减速执行器，这意味着线缆路径从关节中心穿过，而不是绕着它走，从而把维修环完全从关节的外形里去掉。在没有孔径可用时，维修环就必须按一个弯曲半径与一个循环寿命来设计，这些都值得对照机器的预期服役期来核对。因此下表里的外形那一列并不只是一个要装进去的直径；中空轴模组的 90 mm 直径与 81.5 mm 长度，只有连同穿过它的那个孔径一起看才有意义。

直径级别、叠厚，以及一副机架能采取的形态

集成执行器按直径级别聚集，因为减速器与电机共用同一根轴线。在这一组里，直径是 53 mm、79 mm、89 mm、90 mm 与 98 mm，长度则从 38.5 mm 到 81.5 mm。直径通常是更硬的约束，因为连杆的横截面由必须承载载荷的结构决定，而长度往往可以被吸收进连杆自身的长度里。一个必须待在大腿内部的关节需要薄而宽的封装；一个坐在髋支架外侧的关节则可以接受更长的。安装接口与尺寸同样重要：一台在一端用螺栓固定在板上、在另一端驱动连杆的执行器，会让一条负载路径穿过它自己的壳体，而壳体的刚度随后就成了关节刚度的一部分，进而决定机器在行走冲击下如何表现。

用于人形机器人关节的八款 CubeMars 执行器，作为一套规格

下表把八款 CubeMars 机器人执行器作为一套规格来读，按公布的质量排序，因为质量是人形平台被工程化时所沿着的那个轴，也因为这八款之间横跨的减速比覆盖了从 262 g 的远端模组到 1396 g 的中空轴关节的整个扭矩—转速取舍。每一个数值都是制造商公布的值；正文里每一个推导出来的数值都被标注为算术。

额定扭矩与峰值扭矩、供电电压、减速比、质量与外形尺寸均按制造商公布值。额定扭矩是执行器热限制之内的连续值；峰值扭矩是短时窗口值。AKH70-48 V1.0 是中空轴模组，因此其外形尺寸是连同穿过轴线的一条线缆孔径一起引用的。

作为一组来读，这八款模组描述了一条从 7 Nm 到 222 Nm 公布峰值扭矩、跨越 262 g 到 1396 g 质量范围的扭矩阶梯，而这条阶梯的形状与质量排序并不相同。在 540 g 这一点之上，按质量排序已不再反映扭矩顺序：750 g 的 AK60-39 V3.0 的 72 Nm 让位给 850 g 的 AK80-64 的 120 Nm，而更重的 940 g AK10-9 V3.0 只有 53 Nm，低于 850 g 的那一款，因为 850 g 用 64:1 的减速级把转速换了出去，940 g 却只有 9:1。任何只按质量来读这张表的人都会选错模组；减速比那一列必须与扭矩那两列一起读。

扭矩密度用单个数字说明了同一件事。公布的每公斤峰值扭矩，是由记录中的那两列算出的算术，从 368 g 模组上约 24.5 Nm/kg、485 g 模组上约 24.7 Nm/kg，一直到 850 g 模组上约 141 Nm/kg、1396 g 模组上约 159 Nm/kg。约六倍的跨度正是减速比在干活：高减速比的模组用一台小而快的电机产出扭矩，并在输出转速上付出代价；低减速比的模组则直接产出扭矩，并保住自己的转速。每公斤额定扭矩在更窄的范围内讲了同一个故事，从 368 g 那一端的约 8.2 Nm/kg，到中空轴那一端的约 53 Nm/kg，而当关节将以分钟、而不是以毫秒为单位保持负载时，它是两者中更有用的那个数字。

转速随减速比升高而下降，而它下降的方式值得用度、而不是用转数来陈述。把公布的额定输出转速与空载输出转速按每 rpm 每秒 6 度换算，这八款模组从 6:1 那一端大约每秒 4800 度的空载输出转速，一路跨到 64:1 那一端的每秒 222 度，而同样这些模组的额定转速从大约每秒 3618 度下降到大约每秒 138 度。一个必须在 300 ms 内摆过 60 度的髋，要求的是每秒 200 度，这落在表中低减速比那一半之内，也接近高减速比那一半的上限。在选型之前做这样一次比较，正是让设计免于落到「不得不解释一条慢腿」这一境地的原因。

从踝到髋读这八款模组

人形平台的关节形成一条从腕与踝的远端轴，到髋与膝的链，而要求沿着它单调地变化：扭矩上升，转速下降，而可负担的质量随着关节离地面的距离上升。下面这八款模组按四组映射到这条链上。

262 g 与 368 g 这一端：腕、手与踝的轴

这一组里最小的模组承担低扭矩、中等转速的工作。AK45-10 V3.0 KV75 重 262 g，壳体直径 53 mm、长 45.2 mm，用一级 10:1 减速在 24 V 母线上做出 2.5 Nm 额定与 7 Nm 峰值扭矩，并公布额定 120 rpm、空载 180 rpm 的输出转速，回差 0.3°。它公布的额定功率是 39 W，额定电流是 1.9 A，这使接进一条小的远端连杆的布线保持简单。AK60-6 V1.1 KV140 则来到 79 mm 直径与 368 g，通过一级 6:1 减速做出 3 Nm 额定与 9 Nm 峰值，而它的 KV140 电机在 24 V 下产出额定 420 rpm 与空载 560 rpm，这是这两款模组里最快的输出，空载时约每秒 3360 度。低减速比、中等扭矩、高输出转速——这一组合适合一个必须在脚下方快速调整位置的踝，或者一个必须做小幅快速修正的腕。0.55° 的回差数值是本组中公布的最松的一个，这是一个低减速比配快电机的预期后果。

485 g 与 540 g 的中段：肘部跟踪与快速膝部

这一组的中段是臂与较快腿关节所在的位置。AK80-6 KV100 是一款 485 g、直径 98 mm、长 38.5 mm 的模组，在 48 V 母线上以 6:1 的减速比产出 6 Nm 额定与 12 Nm 峰值扭矩，额定 603 rpm、空载 800 rpm 输出，公布的额定功率为 340 W。它 2.0 的峰值对额定比值是本组中最紧的，这使它成为当工作制更接近连续、而非瞬态时的选择。AK70-9 V3.0 KV60 是同一思路在减速比上升一级：540 g，壳体直径 89 mm、长 49 mm，一级 9:1 减速，在 48 V 下 8.5 Nm 额定与 29.2 Nm 峰值扭矩，额定 260 rpm、空载 320 rpm，额定功率 231 W，回差 0.3°。它 3.4 的峰值对额定倍数本组中最宽，因此在瞬态是设计工况、连续负载不大时，它是更合适的模组。两款模组都有已记录的部署：制造商发布了一份 AK80-6 在某个研究平台上的案例研究，嵌在下方。

750 g 与 940 g 这一级别：髋、膝与单支撑负载

这一组是承载机器的级别。AK60-39 V3.0 KV80 是一款 750 g、壳体直径 79 mm、长 67 mm 的模组，把它的一级 39:1 减速在 48 V 下变成 24 Nm 额定与 72 Nm 峰值扭矩，额定 70 rpm、空载 98 rpm 输出，额定功率 176 W，回差 0.25°。AK10-9 V3.0 KV60 重 940 g，壳体直径 98 mm、长 61.7 mm，把一级 9:1 减速与一套双编码器配置配对，在 48 V 下做出 18 Nm 额定与 53 Nm 峰值扭矩，额定 235 rpm、空载 320 rpm 输出，公布的额定功率为 442 W、额定电流 10.7 A。这两款模组从相反的方向论证同一件事：39:1 的模组用减速比买来扭矩、放弃输出转速，而 9:1 的模组保住自己的转速、需要一台更大的电机来做出扭矩。一个必须保持单支撑负载、随后快速伸展的髋，偏向第二种安排；一个离地面近、很少需要快速运动的膝，偏向第一种。39:1 模组的回差公布为 0.25°；这一组里 9:1 模组的记录没有带回差数值，而这个空缺应当列入向制造商提出的问题清单，而不是列入某个假设。

48:1 与 64:1 的重载端：转速被有意花掉的地方

表的顶端是那些输出转速是设计者愿意牺牲的一项的关节。AK80-64 KV80 重 850 g，壳体直径 98 mm、长 61.9 mm，通过一级 64:1 减速产出 48 Nm 额定与 120 Nm 峰值扭矩，可接受 24 V 或 48 V；它公布的输出转速在 24 V 下是额定 23 rpm、空载 37 rpm，在 48 V 下是额定 48 rpm、空载 75 rpm，回差 0.18°，是本组中最紧的。AKH70-48 V1.0 KV41 是最重的模组，1396 g，壳体直径 90 mm、长 81.5 mm，在 48 V 母线上通过一级 48:1 减速产出 74 Nm 额定与 222 Nm 峰值扭矩，额定 28 rpm、空载 35 rpm 输出，回差 0.2°。它的中空轴是把它与其余模组区分开的特征：线缆路径穿过轴线，这正是让一个髋或一个承重膝能够在不绕关节做维修环的情况下被造出来的原因。两款模组在输出端都落在每秒几百度的低位，这适合承重的膝或被支撑住的髋，并把它们排除在任何必须在几百毫秒内完成一次摆动的关节之外。制造商发布了一份中空轴模组的负载测试，嵌在下方；它的完整规格记录在 制造商的产品页 上。

这些关节电机适合的人形平台

这张表里的每一款模组在 ToBMS 上都与同一个应用关联，这反映了工作制有多窄：人形机器人 应用覆盖的是那些关节是首要设计约束、而不是固定结构附属物的机器。

双足研究与全身平台

研究平台是为了被装表测量、被反复重建而造的，因此关节规格是围绕可控性与可重复性写的，而不是围绕服役寿命写的。低减速比与中减速比在这里占主导，因为一个能被反向驱动的关节，是能被手工研究、并且其扭矩可以从电机电流估算而不必额外加传感器的关节。本表中段的公布峰值对额定比值，正好适合这种使用模式：一个原型一生中大部分时间都在额定扭矩的一小部分上度过，偶尔才用到它的若干倍。

足式与轮腿式机器

行走的机器，以及靠装在铰接腿上的轮子滚动的机器，会让关节经历这个应用中最大的负载条件范围：支撑期间的高扭矩近零转速、摆动期间的低扭矩高转速，以及两端的冲击负载。相关的问题是公布的记录到底有没有覆盖冲击工况——在这一组里，它覆盖了峰值扭矩这一项，却没有覆盖通过结构传来的冲击载荷。那个缺口要靠制造商来补，而不是靠数据表。

助力与康复硬件

当一台机器移动的是属于某个人的肢段时，关节必须同时保持负载与跟随运动，而本表中两款模组的已公布案例研究正是来自这样的场景。高减速比的模组负责保持，低减速比或低回差的模组负责跟随，这也是为什么助力设备常常在同一条肢段上混用两个减速比级别，而不是为整条链只指定一款模组。

操作、遥操作与灵巧平台

人形平台上的臂会继承它所附着的身体的约束：腕部质量不大、需要在非结构化空间里工作，以及一个必须容忍接触的控制回路。本表的中段——48 V 母线上 6:1 与 9:1 的 485 g 与 540 g 模组——是满足这些约束、又不必承担承载端质量的组，也是单一型号可以服务臂上不止一个关节的那一组。

人形机器人关节的选型顺序

这三个步骤的顺序比其中任何一个步骤内部的细节都更重要，因为每一步都会收窄下一步必须考虑的那个集合。

先确定关节的工作制与最坏工况负载

先确定机器大部分时间所处姿态下的保持扭矩、平衡恢复或抬举所要求的瞬态期间的扭矩，以及各自所占的时间比例。第一个数字给热学工况定尺寸，因而定出额定扭矩；第二个数字给峰值声明定尺寸；而两者之间的比值决定这个关节属于表的下端还是上端。在此之前的任何型号都无从决定，因为同一个扭矩要求，既可以用一台高减速比的小电机满足，也可以用一台低减速比的大电机满足，而这两个答案在关节处的表现并不相同。

其次确定母线、孔径与安装外形

母线电压跟随的是机器的功率架构，而不是执行器，因此应当把它当作一个固定的约束：这一组里的模组运行在 24 V、48 V，或两者皆可，而一个只支持 48 V 的模组无论扭矩匹配得多好，都不能用在一台 24 V 平台上。外形跟随连杆：先直径，后长度，而在关节是髋或膝、有线缆跨过它时，还要同时考虑穿过轴线的孔径。能通过这两道筛选的候选名单，通常小到足以进行像样的比较。

追问记录留下的那些数字

这一类执行器的公布记录在扭矩、转速、减速比与质量上都不错，而在那些决定关节「如何表现」而非「性能多少」的数字上则较薄。要向制造商提出的问题清单很短。

• 针对具体模组与版本、在输出端测得的回差，以及该数值是最大值还是典型值。
• 附在峰值扭矩数值上的工作窗口：多长、多频繁，以及以何种冷却方式。
• 通过整个减速级的效率，以及它在高扭矩、低输出转速时落到哪里。
• 连续电流，以及它在机器自身的安装布置下所对应的壳体温升。
• 任何冲击或撞击额定值，这是这个应用需要的数字，也是最常缺失的那一个。

凡是记录里缺失的数字，都应当放进设计余量里，而不是放进某个假设；而在关节被订购之前，这项评估应当形成书面文字。

常见问题

官方资料

CubeMars 为平台 技术资料 栏目下汇集的那些执行器系列发布产品文档，而每个型号都有一个官方产品页，载有它的完整规格、性能曲线与安装图——制造商的产品系列 是入口。制造商始终是扭矩曲线、热额定值、回差依据与驱动器配置的真值来源；ToBMS 让发现层保持可搜索、可比较，而本指南使用的数值，是平台产品记录中保存的公布值。

下一步看什么

与本指南同级的品类对应文是 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，它把其中五款集成模组作为元件相互对照来读；以及 关节模组怎么选：从 190 g 到 1.4 kg 的五款 CubeMars 执行器，它以关节模组为设计单位。本指南则从机器人出发：它经由关节链、工作制与质量预算，抵达同一类执行器——当问题是「一个人形机器人 需要什么」、而不是「哪款型号更大」时，这就是应当走的路线。

当关节类别发生变化时，有两条相邻的路线值得跟进。当关节必须被手动引导，或必须决定无框套件与密封模组之间的分界时，外骨骼用 BLDC 电机：无框力矩电机还是集成执行器 直接给出了这一比较，而 无框力矩电机 品类覆盖了灵巧手各轴通常由之搭建的定子与转子套件。当低减速比是为柔顺性、而不是为转速而选时，准直驱执行器：8:1 减速比带来什么 正是在这个基础上覆盖了 准直驱执行器 系列。

关于各类电机之间关系的更广阔背景，BLDC 电机：无刷直流电机类型、规格与选型完全指南 把集成执行器放在其他类别之中。若要做的是初筛而不是研究，就在 选型 里按扭矩、减速比、电压、质量与外形筛选候选，再在 产品对比 里让它们相互对垒；相关的关节类别被归在平台的 关节模组、外骨骼、四足机器人 与 康复机器人 应用中。机器人执行器 品类收录了这里所比较的八款模组。