Backdrivability

又稱: Backdriveability, Back-drivability, Transparency, Backdrivable
類別: Actuation & drivetrain › Ratings
標籤: actuation, transmission, compliance, safety, legged-robots

關節能否透過推動輸出端而被移動：這項特性決定了機器人能否感覺到接觸，以及能否用手移動。

定義

可回驅性是指關節能被反向驅動的程度：從輸出端推動它並讓它帶動馬達旋轉，而不只是反過來。直驅馬達幾乎是完全可回驅的；蝸輪或高減速比的諧波減速機則實際上完全無法回驅。

它主要由減速比與摩擦決定。減速會放大輸出扭矩，但也會把從輸出端看到的反射慣量與摩擦按減速比的平方放大，這就是為什麼 10:1 的驅動仍能用手推動，而品質相近的 100:1 驅動卻不行。這是致動器設計的核心取捨：扭矩密度把設計拉向高減速，透明度則拉向另一邊，而準直驅致動器的存在，正是為了刻意坐落在兩者之間的某一點。

可回驅性的重要性不只在於手感。可回驅的關節只靠馬達電流就能感測接觸，不需要力感測器，因為外部的推力會在電氣上顯現出來。它能以退讓的方式吸收衝擊，而不是把衝擊傳進齒輪。它也能被人推動，這既是一項安全特性，也是一項易用性特性，因為不可回驅的手臂一旦斷電，就會變成一個僵硬的障礙物。

為何重要

可回驅性決定了機器人在人身邊是否安全、能否不靠額外的感測器就感覺到它碰觸的東西，以及在緊急情況下是否有人能移動它。它也是最常被意外犧牲的特性：打造者為了扭矩而加大減速，才發現自己拿應用真正需要的順應性做了交換。準直驅這個術語之所以存在，正是因為一整個世代的足式機器人都是圍繞著這項取捨而設計的。

主要應用

足式機器人透過馬達電流而不是足部感測器來感測觸地
有人推動時必須退讓的協作手臂
以手實際引導機器人完成動作，來教導它一條軌跡
斷電的手臂必須用手移動的緊急情況
以退讓來保護減速箱的高衝擊任務

實際應用

測試方法顯而易見：讓關節斷電，然後推動輸出端。大致來說，直驅與最高約 10:1 的單段減速仍真正可回驅；20:1 到 50:1 處於邊緣，很大程度取決於齒輪類型；超過這個範圍，就只有在施加相當大的力時才能回驅。相同減速比下，擺線與行星驅動比諧波減速機更容易回驅，因為它們的摩擦較小；而蝸桿驅動則是刻意設計成不可回驅的，當你希望關節在斷電時保持位置，這就很有用。

常見誤解

可回驅代表無力：它描述的是透明度，而不是扭矩容量；它的取捨對象是減速比，而不是力量
它是非有即無的特性：它是一個連續範圍，設計落在哪裡取決於減速比、齒輪類型、摩擦與潤滑
只要力量夠大，任何減速箱都能回驅：蝸桿驅動與高減速比的諧波減速機實際上是鎖死的，而這有時正是你要的
加裝力感測器就不需要可回驅性：感測器能告訴你發生了接觸，但不可回驅的關節仍然無法迅速退讓

誰需要了解

任何為機器人關節選擇減速比的人
打造足式機器人與協作手臂的人
任何需要接觸感測卻不想加裝力感測器的人
思考斷電時會發生什麼事的設計者
想了解致動器選擇與控制策略為何是同一個決定的學生

影片

BEAR: Backdrivable Robot Actuator for Legged Robots, Humanoid Robots, or Robot Arm Manipulators: Kevin Wood | Robotics & AI
“90mm High-Stiffness Backdrivable Actuator | 200Nm Peak Torque!”: Robotics for Better World

Open Source Robotics