动作模型构建：基于关节角度（运动学）与发力时序（动力学）的协同建模方法及应用.pdfVIP

动作模型构建：基于关节⻆度（运动学）

与发⼒时序（动⼒学）的协同建模⽅法及

应⽤

1.动⼒系统：关节电机需⾼扭矩输出（如150NM）以⽀

撑“蹬脚”“⾦鸡独⽴”等动作的稳定性

基于资料分析，关节电机实现150Nm⾼扭矩输出以⽀撑“蹬脚”“⾦鸡独⽴”等复杂动作的稳

定性，需从⼒学需求、技术⽅案、实现路径及案例验证四⽅⾯综合设计。以下是系统性解答：

⼀、动作⼒学分析与扭矩需求

.“⾦鸡独⽴”的稳定性机制

◦重⼼控制：单⾜站⽴时，机器⼈重⼼需精确投影在⽀撑脚掌内。重⼼偏移时，髋/膝关

节需瞬间输出⾼扭矩对抗倾倒⼒矩。

◦关节负载：以⼈形机器⼈为例，髋关节pitch⽅向（屈伸）需承受⾝体80%以上重量。

ARTEMIS机器⼈的髋/膝关节峰值扭矩要求达250Nm，远超150Nm基础值。

.“蹬脚”动作的动⼒学模型

◦地⾯反作⽤⼒：蹬地瞬间需爆发性输出扭矩加速腿部，同时对抗地⾯冲击。

▪电机扭矩需满⾜：

$$

\tau=I\alpha+mgL\sin\theta+F_{\text{friction}}\cdotr

$$

（其中$I$为转动惯量，$\alpha$为⻆加速度，$L$为⼒臂）

-四⾜机器⼈实验显⽰：脚部触地时关节扭矩骤增，需150Nm级扭矩维持关节刚度。

⼆、150Nm⾼扭矩在动⼒系统的实现⽅案

（1）核⼼组件选型与优化

组件技术⽅案作⽤与优势

电机本体⽆框⼒矩电机（外转⼦扭矩密度达35N·m/kg，体积⼩、响

式⽆刷直流电机）直接嵌⼊关节轴减少传动损耗。

减速器谐波减速器（减速⽐50-将电机⾼速低扭矩转为低速⾼扭矩，1

300）或⾏星减速器需减速⽐≥20。

控制器⽮量控制算法+电流环实现毫秒级动态响应，⽆需额外⼒矩传

⼒控低成本。

（2）扭矩升关键技术

•电机设计优化：

◦材料升级：采⽤钕铁硼永磁体⾼磁场强度。

◦绕组⼯艺：多极对数设计增加扭矩常数。

•减速器增效：

◦⾏星⻮轮采⽤渗碳淬⽕钢（表⾯硬度HRC），承载能⼒升30%。

•谐波减速器改⽤圆弧⻮形替代渐开线⻮形，解决传统结构承载弱问题。

•集成⽅案：

◦三合⼀模组（电机+减速器+驱动器）：减少连接点损耗，扭矩密度达85Nm/kg（VLAI

B关节电机，）。

三、应⽤场景与性能验证

（1）典型动作的扭矩分配

动作关键关节扭矩需求技术挑战

⾦鸡独⽴髋关节pitch峰值250Nm重⼼突变时需

响应

蹬脚推进膝关节持续80Nm，峰值抗地⾯冲击

150Nm

动态平衡踝关节rollNm（精确调姿）⾼精度位置控

（±0.1°）

（2）案例性能对标

•汽⻋电机参考：

Nm扭矩在电动⻋（如江淮iEVE）需驱动1.2吨⻋⾝匀速⾏驶，⽽机器⼈关