在过去的两年中，随着相关技术的进步，公众对机器人的期待经历了一次显著的转变。

在过去很长一段时间里，机器人首先作为工厂自动化系统不可或缺的一部分而被运用。它被固定在生产线旁边，依据预先编好的轨迹来执行焊接、搬运、喷涂以及上下料等任务。其周围设置有安全围栏，工件通过夹具进行固定，人员则保持必要的安全距离。尽管它力气大、速度快且动作准确，但在人们的直观印象中，它仍然被视为一台需要保持距离的危险设备。

当前，相关领域的期望已转变为，让机器人突破自动化生产线的固定围栏，进入仓库、实验室等非结构化的环境，乃至家庭与养老等生活化场景。这意味着机器人所扮演的角色将发生根本性演变：它不再仅仅是生产线上按照预设程序重复执行指令的机械设备，而是需要逐步发展成为能够在与人类共享的空间中进行协作、并具备协助人类完成任务能力的可靠伙伴。

这不仅向感知、规划和控制算法等核心模块提出了更为严苛的要求，也重塑了关节模组的设计目标。

机器人关节的应用场景，正逐步从工厂生产线上那些主要负责执行预设动作的关节，拓展至需要与真实物理环境产生接触与交互的关节。

传统工业机器人中，关节模组的任务相对明确：将电机的旋转运动精准地转换为关节的角度运动，并稳定地执行由控制器预先规划的运动轨迹。只要安全围栏、专用夹具与既定工艺流程能有效隔绝未知的外部接触，那么，机器人的定位精度越高、运行状态越稳定、抵抗外力干扰的能力越强，其整体的性能表现通常就越好。

在进入开放环境之后，除了位置精度之外，与环境的交互作用同样成为了需要重点考量的因素。机械臂末端如果在空气中偏离预定轨迹一毫米，通常只会产生一个相对较小的位置偏差；然而，当这一毫米的偏差作用于桌面、工件或人体表面时，则有可能转化为显著的接触力。对于四足机器人而言，其足部按照规划轨迹触地时，地面软硬度的差异会导致关节所承受的冲击力产生明显不同。

原先的关节模组更类似于一位严格遵循预设图纸进行作业的工人，其性能评价的核心指标在于旋转的精度以及停止时的平稳性。而当前的关节模组则需要进一步承担起环境交互接口的功能：它不仅需要感知外部施加力的大小，在遭遇冲击时进行适度的顺应性退让，在存在位置偏差时避免刚性对抗，还必须依据来自环境的实时反馈，对输出的力矩进行快速且动态的调整。

所以，机器人需要感知接触。

在现有的刚性关节基础上，一种典型的解决方案是为机器人配置外部传感器。例如，通过在机械臂的末端执行器处集成六维力传感器，在关节的输出端部署力矩传感器，并借助触觉皮肤或视觉系统来补充环境感知信息。这种技术路径在实践中相当常见且具有合理性，它在工业协作机器人、高精度机械臂以及灵巧操作手等多种机器人平台上都得到了广泛应用。

然而，该方案存在一个本质性的局限：传感器仅能提供额外的信息来源，却无法从根本上提升关节本身的可控性。

如果关节在机械特性上存在摩擦系数较高、转动惯量较大、传动回差明显以及反向驱动能力不足等问题，那么即使传感器能够检测到外部施加的力，控制指令也需要穿过这条机械特性不透明的传动链路才能最终转化为输出力矩。这类似于佩戴着厚重手套去触摸纸杯的场景——尽管在手套表面粘贴压力传感器确实能够获取接触信息，但手套本身固有的机械迟滞与阻隔效应，依然会导致整体的触控动作显得迟钝与不精确。

另一种可行的途径，则是让关节模组自身便具备支持柔顺控制的能力。

机器人关节的柔顺性，并非指其处于松散状态，而是指关节在与环境接触时能够展现出恰当的力学特性：在需要提供支撑时维持必要的刚度，在承受冲击时允许发生一定程度的退让，而在执行精细操作任务时则能实现接触力的有效控制。

与此同时，这种应用范式的转变也对关节模组的性能评价体系产生了相应的影响。在以往的评估过程中，评价工作的主要关注点集中在减速比、额定扭矩、定位精度以及重复精度等传统参数指标之上。而现阶段的评价工作则需要进一步纳入反驱性能、传动摩擦特性、输出端力矩感知能力、冲击响应特性以及连续力控能力等多维度的考察要素。

基于这一变化趋势，可以识别出三种典型的实现路径。其中一种是传统高刚度位置伺服，它在实现精确、稳定以及持续输出方面具备显著优势；另一种是更加侧重于接触任务和柔顺执行的弹性关节，即Series Elastic Actuator（简称SEA）；还有一种是减速比较低、反驱性能更佳的准直驱关节，即Quasi-Direct Drive（简称QDD）。

高刚度伺服：位置控制，使命必达

高刚度位置伺服的典型结构，由电机与高减速比减速器组合而成。

电机本身更适合于高速旋转的工况，然而机器人关节实际需要的却是低速且足够大的输出扭矩。减速器在其中就扮演了力矩放大器的角色，将电机的高速小扭矩转换为关节端所需的低速大扭矩。在工业机械臂的应用中，常见的减速器类型主要包括谐波减速器、RV减速器以及精密行星减速器，再与编码器、驱动器以及制动器等部件配合使用，共同构成了一个完整的伺服关节单元。

该方案的核心目标十分明确：位置需保持稳定、刚度需达到较高水平、重复精度则需表现优良。

在工业场景之中，这些性能指标具有极为关键的作用。诸如焊接、码垛、机床上下料、喷涂以及装配等众多任务，其核心要求在于使机器人能够在可控的流程内稳定地执行操作。工件通过夹具进行定位，运动轨迹则提前完成规划，机器人所要履行的职责便是重复性地维持既定节拍与一致性。

所以高刚度伺服的优势很突出。

其能够在采用较小功率电机的前提下实现较大的输出扭矩，具备较强的静态保载能力与优良的定位精度，同时拥有成熟的供应链体系以及清晰的寿命评估模型。对企业高管而言，这意味着该方案具有可采购性、可维护性与可验收性。对工程师来说，这则意味着调试路径相对成熟，故障模式可预见性较高。

但它的代价也来自同一套结构。

高减速比会导致输出端所感受到的等效惯量被显著放大。当外部作用力试图反向驱动关节旋转时，该力需要穿过齿轮啮合副、轴承支撑结构以及润滑介质所产生的复合摩擦阻力，整体的反向驱动阻力会显著增大，甚至可能处于无法推动的状态。与此同时，电机电流往往也无法准确反映实际的输出力矩，其原因在于传动链路内部所存在的摩擦、回差、迟滞以及结构变形等非线性因素会引入额外的测量偏差。

这会给力控带来麻烦。

当机械臂需要压贴曲面进行打磨作业，或协作机器人需与人共同搬运物品时，高刚度关节在发生接触或碰撞时，其本身的特性并不会使其产生明显的退让或柔顺响应。当然，可以通过在系统中加装力传感器并引入更复杂的控制算法来应对这一挑战。但这本质上相当于在刚性的机械结构外部，额外“附加”一层触觉感知能力。该方案能够实现预期功能，不过随之而来的是硬件成本与调试复杂度的同步上升。

更现实的问题是冲击。

当机器人的脚部落地、机械臂接触到坚硬物体或关节承受外部冲击力时，高刚度传动结构会将这些冲击直接传递至齿轮、轴承以及结构件之上。工业机器人能够借助围栏和固定流程来规避这类问题，但腿足机器人与人形机器人则难以实现这一点。

因此，高刚度伺服并非一种过时的技术路线。它仅仅是在更可预测以及更重视精度与效率的世界中更为适用。

要判断其是否合适，关键在于考量该任务中未知接触发生的频率是否较高。

如果机器人需要频繁地与未知或动态的环境进行接触，那么关节的设计则必须优先考虑更具柔顺性的设计路径。反之，如果此类交互的需求并不显著，那么采用高刚度伺服方案仍然是一种稳健且可靠的技术选择。

弹性关节：其柔顺性并非缺陷，而是测量外力的固有单元
在弹性关节（SEA）的设计中，柔顺性被有意地引入系统。其典型构成包括低减速比减速器、输出端弹性元件以及力或力矩传感器。弹性元件通常为扭转弹簧或交叉滚子轴承结构，它被置于减速器输出端与关节最终输出轴之间。当关节受到外部作用力时，弹簧或弹性元件本身就会发生形变，这一形变的大小与外力之间具有明确的对应关系。借助测量该形变（通常通过应变片或编码器差分），即可间接但准确地推算出关节所承受的外力或力矩。这与高刚度关节依赖外部传感器并经由刚性传动链间接感知力的方式形成了本质区别：柔顺性本身成为了力的感知媒介。这一设计使得关节在物理层面便具备了力感知与柔顺交互的基础能力。

弹性关节的设计理念初看之下或许令人费解：如果机器人关节需要实现精确的控制，又为何要刻意引入弹性元件？

实际上，在弹性关节的设计思路中，柔顺性被视为一种有意为之的特性，其本身便可作为测量外力的固有功能单元。这类关节的典型构成包括低减速比减速器、位于输出端的弹性元件以及用于测量力或力矩的传感器。其中，弹性元件通常采用扭转弹簧或交叉滚子轴承的结构形式，并被布置在减速器的输出端与关节的最终输出轴之间。当关节受到外部作用力时，该弹性元件自身会发生形变，而形变的大小与所受外力之间存在明确的对应关系。借助测量该形变的大小——通常通过应变片或编码器差分来实现——系统便能间接但准确地推算出关节所承受的外力或力矩。这与高刚度关节那种依赖外部传感器、并且经由刚性传动链来间接感知力的方式，形成了本质上的区别。其核心在于，柔顺性本身成为了力的感知媒介。这一设计使得关节在物理层面便具备了实现力感知与柔顺交互的基础能力。

答案在力控。

在传统的高减速比关节结构中，电机与最终输出端之间隔着复杂传动机构。这种结构使得通过电机电流来估算输出端扭矩变得困难，因为传动过程中的摩擦、齿隙、弹性变形以及效率变化会引入不可忽略的系统误差。弹性关节设计的关键，在于有意引入一个具有确定力学特性的弹性元件，并将其产生的弹性形变转化为可精确测量的物理信号。

弹性关节的设计方案，是在谐波减速器的输入端与输出端分别配置编码器，借助两端所记录的角度差来读取减速器柔轮、传动链以及结构件中所产生的微小弹性形变。通过这一方式，谐波减速器、输入端编码器以及输出端编码器便共同构成了一个可被测量的等效弹性环节。

如此一来，关节所受的外力就从一个需要通过传动链进行复杂估算的间接力学问题，转化为了一个相对直接的、可通过测量确定性弹性形变来解决的问题。

弹性元件的第二个核心功能在于缓冲冲击。

腿足机器人接触地面、外骨骼与人体产生交互作用、机械臂发生物理接触时，冲击作用将不仅仅表现为电机电流中的噪声信号，而是会在驱动系统的输入端与输出端之间引发可测量的微小差值。控制器在观测到这个差值之后，便会依据此信号来实时调节电机的输出力矩。该设计方案在物理层面上为关节结构引入了一层缓冲机制，同时使得力控制的反馈回路更为直接与高效。

因此，弹性关节所要解决的，正是一个十分现实的技术难题：如何在传动链的透明度有限的情况下，实现可靠且精确的力控制。

它的应用场景也很清楚。

外骨骼与康复机器人需要实现与人体的紧密贴合，因此对于安全性和舒适性有着极高的要求。四足及双足机器人则必须有效吸收和管理足部触地时产生的冲击力。在协作场景中，当机械臂需要与人类或不确定的环境发生接触时，其关节也必须具备低阻抗特性并提供准确的力反馈，以确保交互过程的安全性与自然性。基于这些核心需求，弹性关节在上述多种应用场景中都展现出显著的技术优势。

但弹性关节的代价同样明显。

第一，弹性环节会在一定程度上降低系统的整体刚度。当关节需要快速改变输出力或位置时，弹性环节会引入相位滞后现象，并可能激发系统产生振动。如果等效刚度设置过低，虽然交互安全性与力分辨率会表现较好，但响应速度会受到影响；反之，如果等效刚度设置过高，系统带宽得以提升的同时，柔顺性与测力方面的优势则会相应减弱。

第二个方面体现在控制逻辑的复杂度显著提升。在电机侧与负载侧之间的机械连接被柔性地分隔开来之后，它们在动态特性上便不再呈现为一个刚性整体。控制器需要同时管理电机的转动量、两端编码器读数的差异、输出端的运动状态，以及系统的共振特性与稳定裕度。如果处理不当，关节就可能出现晃动，力输出会发生抖动，位置跟踪也会出现滞后。

第三，结构封装与标定过程具有相当的技术复杂性。双编码器配置、谐波减速器柔性动力学建模、机械限位保护、系统标定流程以及疲劳寿命评估等诸多关键环节，需要集成于一个紧凑的关节模组空间内。在实验室环境中得以验证的结构方案，若要应用于量产阶段，还必须应对装配一致性、成本控制以及可维护性等一系列实际生产问题。

因此，弹性关节更加适用于那些愿意为实现安全、力控以及抗冲击能力而承担更高结构复杂度的应用场景。

它并非一种通用的关节方案，但它促使机器人行业接受了一项重要认知：柔顺性可以成为一种经过设计而获得的能力，而不仅仅是对机械性能的妥协。

准直驱关节：精简中间传动环节，增强反驱性能

准直驱关节在近年来受到广泛关注，这一趋势与四足机器人、人形机器人以及低成本力控机械臂等新兴应用领域的快速发展直接相关。

从结构设计的角度审视，准直驱关节的基本原理可以概括为：采用大直径、具备较高扭矩密度特性的电机，并配合以较低减速比的传动机构。与传统谐波减速器或RV减速器常用的数百比一乃至上千比一的高减速比方案不同，准直驱关节的减速比通常仅处于几比一到十几比一的量级。这一设计理念的核心意图，不仅在于通过精简结构来降低减速器的机械复杂度，其更为重要的目标在于增强传动链路的透明度，从而使电机输出与关节负载之间的动力学关系更加直接与清晰。

传统的高减速比关节结构，就如同隔着厚手套与外界环境产生接触。准直驱关节的设计目标，在于将这层手套的厚度尽可能削减。

低减速比带来几个直接好处。

当传动链得到简化时，外部作用力能够更顺畅地反向驱动关节旋转，这一特性被称为可反驱性。以腿足机器人为例，当足部触地瞬间，所产生的冲击力能够更迅速地沿着这条简化的路径传递回电机侧，而非像在传统高减速比关节中那样，其能量主要被齿轮副的摩擦与形变所吸收和消耗。与此同时，由于中间传动环节引入的摩擦与运动迟滞显著减少，电机驱动器所输出的电流信号，也能够更准确地反映关节实际输出的力矩。此外，关节整体的等效转动惯量得以降低，这使得控制系统能够以更高的带宽进行力矩调节，从而实现对输出力更快的动态响应。

这对腿足机器人特别重要。

在四足机器人的步态循环中，单足支撑相的时间尺度极为短暂，这要求关节力矩能够在毫秒级的时间窗口内被快速建立、进行动态调节并随即释放。倘若关节的响应速度迟缓或刚性过高，机器人将难以在复杂多变的地面上维持动态稳定性。准直驱关节设计的核心优势正体现在于此：它将关节塑造为一个响应迅速、动态特性透明的力源，使其能够直接、高效地输出并调制所需的力矩。

人形机器人的应用场景同样对此类性能存在迫切需求。具体而言，髋、膝、踝等关节不仅承担着支撑身体重量的基本功能，还需要有效应对行走过程中产生的地面冲击以及各类外界扰动。例如，当机器人受到外部推力时，如果其关节系统能够准确感知这些外力并做出顺势调整，那么整机的动态控制将会变得更加平稳与高效。

准直驱关节的另一显著优势体现在其模块化设计上。该设计使得关节能够被便捷地配置、维护以及替换，这极大地增强了机器人系统的灵活性与可扩展性。

近年来，众多电机厂商与机器人公司开始推出一体化的关节模组。这类模组将电机、低比减速器、编码器、驱动器以及通信接口高度集成并封装于一个独立的模块之中。要求更为严苛的模组，会同时配备电机侧与输出侧的双编码器，利用输出端测量的真实角度信息，来对减速器固有的回差、弹性形变以及装配误差进行主动补偿。对于研发规模较小的团队、高校实验室以及进行原型验证的开发者而言，此类模组极大地降低了开发四足机器人、人形机器人样机以及力控机械臂的技术与硬件门槛。

但准直驱关节的坑也不少。

它最大的约束是热。

当减速比降低时，电机需要独立承担更多的输出扭矩任务。虽然系统在短时间内的峰值扭矩表现可以十分出色，但在持续低速大负载的运行工况下，电机铜损、驱动器温升、外壳散热能力以及电池放电电流等因素都会构成明显的性能瓶颈。例如，机器人膝关节在跳跃动作中能够输出极高的峰值力矩，然而这并不等同于它具备在工厂环境中连续执行搬运任务一小时的能力。

第二个关键问题是静态保载能力。高减速比关节能够借助机械传动结构来有效分担电机的负载。相比之下，准直驱关节在长时间维持特定姿态时，对于电机本体性能以及热管理系统设计提出了更高的要求。因此，对于人形机器人而言，例如，当其需要长时间维持半蹲姿态、搬运重物或保持手臂悬停时，关节的选型便不能仅仅依据峰值扭矩这一单项指标来进行决定。

第三个问题在于，其控制和制造具有较高的要求。准直驱关节易于控制的特性，得以建立在低摩擦、优质编码器、高带宽电流环、准确电机参数以及稳定装配的支撑之上。如果低比减速器制造粗糙，电流采样噪声过大，且FOC参数不准确，那么实际效果将会是名义上可回驱，但电机电流中却充满了噪声。

因此，准直驱关节因其具备的低阻抗与快速力控特性，而特别适用于高频接触的场景。这使其在四足机器人、人形机器人下肢、外骨骼以及低成本力控机械臂等领域，均能发挥关键作用。

但它并不适用于所有应用场景。在高精度加工、长时间重载姿态保持以及狭小空间内需要输出大力矩的场合中，传统高减速比传动方案往往更为适宜。

机器人关节的性能评估并未遵循单一的量化指标。在四足机器人的步态周期中，单足支撑相的时间窗口极为短暂，这要求关节力矩必须在毫秒级的时间尺度内被快速建立、进行动态调节并随即释放。倘若关节的响应速度迟缓或动态刚性过高，机器人将难以在复杂多变的地形上维持其动态稳定性。准直驱关节的设计优势正体现在这里：它将关节塑造为一个响应迅速、动态特性透明的力源，使其能够直接、高效地调制所需的力矩输出。对于人形机器人的髋、膝、踝等关节而言，它们不仅承担支撑体重的功能，还需有效应对行走过程中产生的地面冲击与各类外界扰动。例如，当机器人受到外部推力时，如果其关节系统能够准确感知这些外力并做出顺势调整，那么整机的动态控制将会变得更加平稳与高效。准直驱关节的另一显著优势在于其模块化设计，这使得关节能够被便捷地配置、维护以及替换，极大地增强了机器人系统的灵活性与可扩展性。近年来，众多电机厂商与机器人公司开始推出集成度更高的一体化关节模组。这类模组将电机、低比减速器、编码器、驱动器以及通信接口高度集成并封装于一个独立模块之中。要求更为严苛的模组，会同时配备电机侧与输出侧的双编码器，利用输出端测量的真实角度信息，来对减速器固有的回差、弹性形变以及装配误差进行主动补偿。对于研发规模较小的团队、高校实验室以及进行原型验证的开发者而言，此类模组极大地降低了开发四足机器人、人形机器人样机以及力控机械臂的技术与硬件门槛。然而，当减速比降低时，电机需要独立承担更多的输出扭矩任务。虽然系统在短时间内的峰值扭矩表现可以十分出色，但在持续低速大负载的运行工况下，电机铜损、驱动器温升、外壳散热能力以及电池放电电流等因素都会构成明显的性能瓶颈。例如，机器人膝关节在跳跃动作中能够输出极高的峰值力矩，然而这并不等同于它具备在工厂环境中连续执行搬运任务一小时的能力。第二个关键问题是静态保载能力。高减速比关节能够借助机械传动结构来有效分担电机的负载。相比之下，准直驱关节在长时间维持特定姿态时，对于电机本体性能以及热管理系统设计提出了更高的要求。因此，对于人形机器人而言，例如，当其需要长时间维持半蹲姿态、搬运重物或保持手臂悬停时，关节的选型便不能仅仅依据峰值扭矩这一单项指标来进行决定。第三个问题在于，其控制和制造具有较高的要求。准直驱关节易于控制的特性，得以建立在低摩擦、优质编码器、高带宽电流环、准确电机参数以及稳定装配的支撑之上。如果低比减速器制造粗糙，电流采样噪声过大，且FOC参数不准确，那么实际效果将会是名义上可回驱，但电机电流中却充满了噪声。因此，准直驱关节因其具备的低阻抗与快速力控特性，而特别适用于高频接触的场景。这使其在四足机器人、人形机器人下肢、外骨骼以及低成本力控机械臂等领域，均能发挥关键作用。但它并不适用于所有应用场景。在高精度加工、长时间重载姿态保持以及狭小空间内需要输出大力矩的场合中，传统高减速比传动方案往往更为适宜。

机器人关节设计领域当中，实际上并不存在一种能够通吃所有应用场景的最终胜出方案。

现实会是根据需求进行混搭。

一台人形机器人的内部，其髋关节、膝关节、踝关节、肩关节、肘关节、腕关节以及手指关节，所要应对的工作任务存在着本质上的区别。例如，下肢关节在支撑整个身体重量的同时，需要有效吸收和缓冲来自地面的冲击，因此其设计可能更加侧重于实现低转动惯量、良好的反驱动能力以及高带宽的力矩控制能力。与之相对，手腕和手指关节则需要执行诸如抓取、拧转或精密装配这类需要高度灵巧性的任务，因此它们的设计目标往往优先考虑紧凑的结构、轻量化的材质以及对接触环境的高感知灵敏度。至于肩部与腰部关节，它们承担着悬挂手臂以及传递躯干运动载荷的关键功能，这就要求它们能够输出更高的结构刚度和更为持久的扭矩。

关节模组在近年来所经历的演变，其本质在于从追求单一性能指标逐步转向面向具体任务的匹配化设计。高刚度位置伺服关节、弹性关节以及准直驱关节这三类技术路线都将在未来的机器人系统中继续占有一席之地，只不过每一种技术都会凭借各自不同的特性，被配置到各自更为适宜的应用位置当中。

来源：从刚性传动到柔顺控制，三种机器人关节模组一次讲清 | 具身研习社