Torque Density
- 又稱: Specific Torque, Torque-to-Weight Ratio
- 類別: Actuation & drivetrain › Ratings
- 標籤: actuation, motors, sizing, humanoids, legged-robots
每單位質量或體積的扭矩：決定機器人能否承載自身致動器的數值。
定義
扭矩密度是致動器每單位質量或體積所產生的扭矩，通常以牛頓米每公斤表示。這個數字決定一個設計是否成立，因為在任何會移動自身肢體的機器人中，每個致動器除了負載之外，還必須抬起運動鏈更外側的致動器。
正是這種遞迴，讓這個數值具有決定性，而不只是有用。肩關節要承載手肘馬達、手腕馬達與夾爪，所以在末端扭矩密度的小幅提升，會一路向內累加放大。這也是為什麼足式與人形機器人對它遠比固定式工業機器手臂敏感，後者可以把沉重的齒輪箱鎖在地上，不必理會它的質量。
提高扭矩密度有三種途徑：更好的馬達，通常是扭矩隨半徑增加的大直徑無刷設計；更多齒輪減速，代價是犧牲速度與可回驅性；以及更輕的結構，代價是犧牲剛性。由於第二種途徑成本最低，公布的數值往往描述的是含齒輪的整體組件，而不只是馬達本身，所以比較數字時要確認秤的是什麼。
為何重要
扭矩密度是決定足式機器人究竟能不能站起來的限制條件。每一公斤的致動器都必須由上方的關節承載，所以設計要嘛能成立，要嘛陷入惡性循環：較重的馬達需要更重的馬達。它也是規格書上最容易被灌水的規格，因為計入或排除齒輪箱、外殼與控制器，會讓數值大幅改變。
主要應用
- 為足式機器人與人形機器人選定致動器規格，質量會沿著運動鏈累加
- 在相同基準上比較不同廠商的致動器模組
- 在更大的馬達與更多齒輪減速之間做決定
- 評估肢體設計會成立，還是會陷入元件越來越重的惡性循環
- 評估無人機與外骨骼的致動器，每一克都必須被承載
實際應用
要拿相同條件來比較：公布的質量是否包含齒輪箱、外殼與電子元件，以及扭矩數值是連續值還是峰值。峰值扭矩可能是連續扭矩的好幾倍，而且受熱容量限制，所以漂亮的扭矩密度數字往往描述的是致動器無法持續的短暫爆發。在實務上，大多數現代足式機器人是靠大直徑無刷馬達搭配低減速比的行星或擺線減速級，才在不犧牲可回驅性的前提下達到可用的數值。
常見誤解
- 數值越高永遠越好：它通常是靠齒輪減速換來的，代價是速度與可回驅性
- 公布的數值可以直接比較：計入或排除齒輪箱、外殼與控制器，會讓數字相差好幾倍
- 峰值扭矩密度才是有用的數值：機器人能持續撐住的是連續扭矩，峰值則受發熱限制
- 它只對人形機器人重要：任何承載自身致動器的機器，包括無人機與外骨骼，都受它支配
誰需要了解
- 任何設計肢體、且每個關節都要承載其外側關節的人
- 跨廠商比較致動器模組的製作者
- 任何機器人在手臂完全伸展時抬不起自己手臂的人
- 在較大的馬達與較高的減速比之間權衡的工程師
- 想了解人形機器人為何有固定式手臂所沒有的困難的學生
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