#2019WRC# INNFOS SCA关节模块化驱动器(半直驱原理)测评(含力控测评视频)
在今年的世界机器人大会上，INNFOS（前沿驱动）推出了一系列商业化关节驱动器，之前基于其关节模组搭建的人形机器人XR-1完成了很高精度的穿针的双臂协同操作，也由此很棒地登上了2月的IEEE Spectrum Video Friday封面：
借由此次在北京的世界机器人大会的机会，作者来到了INNFOS的展台，向其技术人员询问了INNFOS相关的技术特点并亲自体验了一把相关驱动器的性能，特地整理和分享如下。
关节驱动器选型汇总
从作者目前从INNFOS拿到的datasheet来看，其可供选择的关节驱动器主要有如下几类：
QDD系列（金属材料行星减速箱，NE30和PR60为铝合金，NU80为钢）
QDD系列采用的是传统铝合金材料的行星减速箱，根据其电机类型不同，分为如下几类：
QDD-NE30-36，减速比：36，额定扭矩：6.912Nm，峰值扭矩：20.7Nm，重量：300g，直径：52mm，长度：68.9mm；（On stock）
QDD-PR60-36，减速比：36，额定扭矩：23.76Nm，峰值扭矩：72Nm，重量：717g，直径：80mm，长度：66.6mm；（On stock）
QDD-NU80-6，减速比：6，额定扭矩：6.6Nm，峰值扭矩：19.8Nm，重量：453.1g，直径：100mm，长度：37mm；（On stock）
在以上三款中，作者要特别地把QDD-NU80-6这款拧出来，这款驱动器的原理方案来自MIT的Cheetah Mini，遵循本体驱动器（Proprioceptive Actuator）的思路：
大输出扭矩电机（诸如公版的T-Motor U8系列）+内置于电机中的行星齿轮箱（减速比为6）=一定的扭矩输出能力+可靠精确的电流环力反馈能力+高动态力控响应能力
基于此原理的驱动器性能已经从MIT Cheetah Mini得到验证，其非常适合轻量化四足机器人的搭建（轴向尺寸紧凑: 37mm），作者在这里就不再做测评。QDD-NU80-6和MIT Cheetah Mini驱动器的相应参数对比如下，性能也非常接近：
QDD-NU80-6: 重量：453.1g，额定扭矩：6.6Nm，峰值扭矩：19.8Nm，几何尺寸：100mm(直径) x 37mm(轴向尺寸)；
MIT Cheetah Mini: 重量：480g，额定扭矩：6.9Nm，峰值扭矩：17Nm，几何尺寸：96mm(直径) x 40mm(轴向尺寸)；
作者实际亲手感受了相关的产品实现，如下：
整体的做工上手感觉较为精细、完整度高，相较于原始版本的Cheetah Mini驱动器加装了防尘设计，目前的售价定在5199RMB（来源于INNFOS工作人员）。
QDD LITE系列（复合材料行星减速箱）
QDD的LITE系列，在作者理解中应该是此次INNFOS方案做的比较新，售价比较低，主推的拳头产品，其核心特征是采用了复合材料，注意这里复合材料的使用不仅仅是在驱动器Housing外壳上，同样也是用在了行星减速器上。
QDD的LITE系列目前有如下3个子型号：
QDD LITE-EL20-36，减速比：36，额定扭矩：0.4Nm，峰值扭矩：3.2Nm，重量：79.7g，直径：35mm，长度：45mm；
QDD LITE-NE30-36，减速比：36，额定扭矩：2.3Nm，峰值扭矩：10Nm，重量：232.1g，直径：52mm，长度：68.8mm；(On stock)
QDD LITE-PR60-36，减速比：36，额定扭矩：5.1Nm，峰值扭矩：18Nm，重量：512.1g，直径：80mm，长度：69.3mm；（On stock）
作者后续的分析将集中于QDD LITE这款系列，具体的力控测评是在QDD LITE-NE30-36上。
QDD PRO系列 （谐波减速器）
DD系列 （无减速器）
以上两个系列属于较为传统的方案和产品，作者在这里不过多赘述，感兴趣的朋友可联系INNFOS获得相应Datasheet。
相关技术原理和特征分析
QDD是什么
QDD的英文缩写是Quasi Direct Drive，即为半直驱驱动器，这类驱动器方案运用在机器人领域的时间较短，最早是通过MIT Cheetah 2进入大众的视线，MIT的科研人员称这类驱动器方案为本体驱动器(Proprioceptive Actuator)，并在2017年的一篇TRO中，详细陈述了该类驱动器的特征：
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).
虽然说半直驱方案(QDD)或者说本体驱动器已经在科研圈出现了好几个年头，同时国内也有诸如浙大绝影和宇树科技Laikago采用此驱动器方案集成四足机器人，但INNFOS目前可能是作者看到的第一家主打QDD系列的模块化驱动器供应商，作者认为其对整体行业未来前景的嗅觉还是很灵敏的。
INNFOS所提的SCA是什么
作者了解到INNFOS所提的SCA的全称为Smart Compliant Actuator，这边需要和SEA即Series Elastic Actuator做一个技术上的区分。从技术原理来看，INNFOS的驱动器并不具备任何机械本体上的Compliant，对比于SEA中串联的柔性弹性体而言，INNFOS SCA实现的柔性是控制层面上产生的柔性，诸如基于电流环的低阻抗控制展现的柔性等（后有视频）。
硬件力反馈实现方案
INNFOS在之前的对外宣传文案中，有如下的陈述：
“我们执行器具有力矩传感功能，可以低成本的实现力控。与此同时，我们运用准直驱技术，以很小的减速比配上大扭矩密度的电机，便可以做到低成本、高产量的情况下实现力控。”
作者看到这个段落的时候，是很困惑的：关节驱动器中集成力矩传感器本身就是和低成本相矛盾。为此，作者求证了INNFOS的相关技术人员：INNFOS实现力反馈的原理仅仅是通过电流环，并没有集成任何应变片的力矩传感器（或SEA原理的磁编码器），这里算是做一个纠正。
复合材料应用的优劣
之前作者提及到QDD LITE系列采用了复合材料制成驱动器内部结构中的行星减速器和驱动器Housing，具体采用的应该是三维编织的碳钎维尼龙复合材料。这类材料作者认为在驱动器的应用中有利有弊：
利：有效降低大规模的生产成本，价格低；
中：一定程度上能够对驱动器轻量化有所帮助，但实质上对于QDD原理下使用较低减速比行星减速器的驱动器，效果并不明显。QDD原理下驱动器重量的大头在大扭矩电机的线圈和永磁体上。这里就拿INNFOS的两款产品做一个对比：
QDD-NU80-6，减速比：6，额定扭矩：6.6Nm，峰值扭矩：19.8Nm，重量：453.1g，直径：100mm，长度：37mm；
QDD LITE-PR60-36，减速比：36，额定扭矩：5.1Nm，峰值扭矩：18Nm，重量：512.1g，直径：80mm，长度：69.3mm；
前者采用的金属行星减速器，后者采用了复合材料，在输出扭矩能力和几何尺寸较为相近的情况下，QDD-LITE的复合材料并不具有明显的轻量化优势。
弊：这类复合材料的一个核心缺陷是在施加较大的扭矩时，其形变量较金属材料要大很多，不适合定位在大扭矩负载的驱动器中使用。
实际力控性能测评
之前提及到采用复合材料的QDD-LITE全系采用的减速比是36，实际上36这个减速比用电流环做力控还是稍显大一些的，对于具体的力控性能，作者在INNFOS的展台直观体验了如下3个Demo：（使用驱动器的具体型号是QDD LITE-NE30-36）
低阻抗控制
重力补偿
碰撞检测
作者体会过Emika Franka Panda和KuKA LWR iiwa的相应性能，低阻抗和重力补偿在肉感上感受的差距不大，但在碰撞检测方面，感受到较为明显的阈值力。
产品定位和前景分析
对于INNFOS此次推出的关节驱动器，其实作者认为其驱动器核心特点是QDD，即半直驱原理。相应地，其也是国内第一家推出较为完备QDD原理的驱动器供应商，这个独辟蹊径地针对到QDD领域，作者还是看好的。
QDD原理决定了硬件实现成本较低
因为使用电流环做力控的原因，QDD原理的驱动器不需要有额外的机械结构件（附着应变片或编码器），可以有效地降低驱动器的硬件实现成本。从INNFOS的技术人员了解到，使用复合材料的QDD LITE-NE30-36在大批量下，可以做到1000元左右（以下）的售价。
QDD-NU80-6(MIT Cheetah Mini方案款)恐大卖
在MIT Cheetah Mini实现硬件开源后，国内就有厂商（淘宝）推出了类似原理的驱动器，目前QDD-NU80-6是作者看到的做工最精细、集成度最高的方案。这款原理的驱动器，因为轴向尺寸紧凑、输出扭矩密度大的特性，不仅仅适合四足机器人的搭建，还很适合机械臂末端执行器的驱动器选型（可替代Maxon EC和DC系列轴向尺寸较长的电机方案），因此作者预估会受到国内外机器人研究所或高校较大的关注。
相应的产品定位
对比于国外模块化驱动器的高昂定价（如来自ETH ANYDrive的SEA将近45000RMB的售价），QDD LITE将近1000元的售价是极其有吸引力的。这点的话，并不是所有的市场需求都是针对高负载、高精度的科研或者工业级应用，桌面级别的针对创客、机器人教育（高中与大学机器人竞赛）的廉价关节模组也将会是一片广阔的市场——填补此市场需求的空缺，INNFOS的定位还是相当明智的。
本文作者：任赜宇 编辑：Alley