宇树G1膝关节执行器深度拆解：120 N·m扭矩、两级行星减速与双编码器全解析
近日，海外工程师 Grant 对宇树 G1 膝关节执行器进行了完整拆解，并公开了大量内部结构与实测数据。
这颗约 1 kg 的关节中，集成了18 槽 16 极电机、22.5:1 两级行星减速器、双编码器、交叉滚子轴承以及完整驱动电路。
本文基于此次拆解，带你看看宇树 G1 膝关节执行器内部究竟是如何设计的。
X博主Grant分享了其拆解宇树科技G1人形机器人的拆解报告，小编初步翻译整理后供大家参考。
1、机械结构
图 1‑1. 组装好的执行器放在台秤上，带电缆的重量为1085.1克G1膝关节是一个完全集成的伺服模块。电机、两级行星齿轮箱、两个编码器以及整个电机控制器都集成在一个圆盘状关节中，外径80毫米，厚度64毫米，不含线缆的重量约为1公斤。电源和数据通过XT30 2+2连接器传输，因此该假肢可以像链条一样连接。输出侧：十字滚轮固定板（8xM4x5mm），用于夹紧十字滚轮外侧 轴承座和挡圈与变速箱壳体贴合。变速箱壳体：铝制环承载两个内部环形齿轮，第一级位于外侧， 内部第二阶段。孔和座均采用数控机床加工。环形齿轮可能经过动力滚齿加工，但这只是推测（§3.4）。两级行星齿轮：总齿轮比 22.5:1，先 4.5:1，然后 5.0:1。电机外壳： CNC铝制外壳，带外部散热片，内部装有18槽定子和16 极转子。后盖：压铸铝材质，内侧带有蓝色导热垫。密封PCB板，并为电子元件提供一条通往外壳的横向散热路径。图 1‑2a/1‑2b。 十字滚子挡板，正反两面。周边有8个M4孔。内孔与壳体略微过渡配合，阶梯槽是十字滚子外圈的安装座。2、电机：18槽/16极永磁同步电机
2.1 插槽和杆数。18个槽，16 个极，8对极。当目标是低齿槽转矩密度时，分数槽集中绕组通常是首选，而18槽/16对是机器人执行器中两 种常见的选择之一（另一种是12槽/10对）
绕组系数：kw≈0.945。这是18s/16p绕组的理论值，并非实测值。 在这台电机上。齿槽效应：LCM(18, 16) =每转144个周期平衡磁拉力：18s/16p是对称的，因此轴承上没有净径向磁载荷。
• 单侧气隙：0.6mm，在该级别电机的正常范围 0.4至1.0mm内。平均气隙直径为 (50.6+51.8)/2=51.2mm，因此D²L=51.2²x22≈57,700 mm³，有效电磁体积约为57.7cm³。2.3 转子结构
图 2-3. 转子，背铁侧。16个镀镍表面磁铁粘合在钢制背铁杯上。转子底部轴承位于中心，六个Torx螺钉将背铁杯固定到另一侧的太阳轮盘上。
图 2-4. 转子，变速箱侧。16齿一级太阳轮是一个单独的加工零件，通过四个Torx螺钉固定在太阳轮盘上。它直接与四个一级行星齿轮啮合。
已确认是表面贴装式永磁体。16个独立的磁体片粘合在一个背铁杯（可能是钢制）周围。磁体径向厚度：2mm。简单的无泄漏估算公式B_gap ≈ B_r ·l_m / (l_m + μ_r ·l_g)，其中 l_m=2mm，l_g=0.6mm，μ_r≈1.05，对于N38级磁体（B_r =1.20T），其磁隙磁通量为0.91 T；对于 N42 级磁体（B_r=1.32T），其磁隙磁通量为1.00T。这些是上限值。考虑到极间泄漏、开槽效应以及22mm磁体叠层的端匝效应，更实际的基波气隙磁通量为0.75至0.85T。磁体等级尚未确定（§9），因此应给出该范围值。磁体轴向高度：20mm，略低于22mm磁体叠层。定子两端各1毫米的悬伸部分可以拾取边缘磁通，并略微延长有效磁长度。模块化转子：磁体杯和太阳轮盘是独立的部件，通过六颗螺钉固定在一起，太阳轮小齿轮是位于其上的第三个部件。这种设计使得电机和齿轮箱可以独立进行平衡和检查，并且意味着无需接触磁铁即可更换磨损的太阳轮。由于未进行自旋减速或反作用力矩测量，因此本计算为解析法。将转子视为一个薄钢背铁杯（直径约 46 至 50 毫米，长度约 22 毫米，壁厚几毫米），加上一个外径 50.6 毫米的 2 毫米磁环，以及太阳轮和小齿轮，计算结果在 5 至 9 x 10⁻⁵ kg·m² 范围内，具体数值取决于假设的杯壁厚度。6.5 x 10⁻⁵ kg·m² 左右是一个合理的中心值。通过 22.5:1 的传动比折算到关节输出，其惯量为 2.5 至 4.5 x 10⁻² kg·m²，这正是阻抗控制器实际感受到的惯量。3. 变速箱：两级行星齿轮式，减速比 22.5:1
总减速比为 22.5:1，分为 4.5:1（第一级）和 5.0:1（第二级）。两个环形齿轮均加工在同一个铝制齿轮箱壳体内，太阳轮、行星架和行星 齿轮在壳体内沿轴向堆叠。以下所有齿数均为拆卸零件的直接计数结果。图 3‑1. 第一级行星齿轮组。位于中心的16齿太阳轮与四个20齿行星轮啮合，这些行星轮在56齿环形齿轮内运转。行星齿轮定位 销由内部挡圈固定在行星架上太阳轮：16齿，用螺栓固定在转子上；行星齿轮：20齿 x 4，齿宽6.5毫米；环形齿轮：56齿，内啮合，加工在壳体内；传动比（环形天线固定，载波输出）：1+56/16 =4.5:14个行星齿轮（20 齿，齿面直径 6.5 毫米，卡尺测量精度 ±0.1 毫米）；4个定位销，直径3毫米，长度11.7毫米，误差±0.1毫米 ；8个垫片，厚度 0.3毫米，外径 8 毫米，内径3.2毫米，每个行星齿轮使用两个，用于轴向定位；每个行星齿轮内压入4个滚针轴承，内径3.2毫米，外径约6.5毫米，厚度6毫米。 定位销由内部挡圈固定，轴承座上的一个小孔方便将定位销推出进行维护。一级轴承座上方压入一个带屏蔽罩的深沟球轴承，并与二级轮毂配合。同一系列轴承再次出现在一级轮毂底部，与转子太阳轮过渡配合。图 3‑2. 级间过渡处的带屏蔽深沟球轴承。轮毂上的四个周边孔用于拆卸定位销图 3‑3. 第二级行星齿轮组侧视图。四个18齿行星齿轮与12齿太阳齿轮和48齿环形齿轮啮合。齿轮组下方是输出花键和交 叉滚子座。太阳轮：12齿；行星齿轮：18齿x4，齿宽8毫米，内径14.05毫米；内齿圈：48齿；传动比（内齿圈固定，行星架输出）：1+48/12=5.0:1第二阶段零件：4个行星齿轮（18齿，齿宽8毫米±0.1毫米，内径14.05毫米，使用卡尺测量）；4个定位销，直径8毫米 x 长度18毫米；4个滚针轴承，内径8.1毫米 x 外径14毫米x厚度8毫米；8个垫片，厚度0.3毫米，外径16毫米，内径8.2毫米。图 3‑4：输出顶板安装在二级轮毂上。顶板由四颗 Torx 螺丝固定，螺丝上固定着二级定位销，四个检修孔方便将定位销推出。外圈上的 CRBT505A 标记是交叉滚子轴承座（图 3‑5）第二阶段定位销用于定位行星齿轮，可以通过载具上的检修孔将其敲出。 交叉滚子轴承压装在第二级轮毂上。壳体上的凸台用于定位输出顶板，输出顶板通过螺栓固定在第二级支架上，并固定定位 销。中心外部挡圈固定空心轴管，该挡圈用4个M2x4 毫米螺钉固定，并粘上一个黑色盖帽。3.3 输出轴承：IKO CRBT505A 交叉滚子轴承图 3-5. 输出侧交叉滚子轴承。外圈标有CRBT505A，是一款IKO超薄交叉滚子轴承，内径50mm，外径61mm，厚度5mm。IKO标称其动载荷C₀=2.28kN，静载荷C₀ =3.2kN。
对于主要承受低速运动中身体重量的膝关节而言，静态额定值C₀比额定值C更为重要，而弯矩承载能力才是真正决定坠落制动载荷的关键因素。IKO并未公布该系列产品的弯矩额定值。根据公式 M₀≈C₀·d_pw/4，并假设滚轮节圆直径约为55.5mm，则可粗略估算出弯矩约为44N·m。这只是一个粗略的数值，不应将其视为额定值。图 3-6. 输出端已完全组装。四个M2 Torx 螺丝固定外部挡圈。中心粘着的黑色盖子很可能是为了防止灰尘和油脂进入，同时也可用作防篡改指示器。
横向滚轮是输出轴上唯一承受外部载荷的轴承。它通过膝关节承受身体重量产生的径向载荷和力矩载荷。图 3‑7. 变速箱壳体，俯视图。两个内环齿轮同心可见：第一级为56T外环，第二级为 48T内环。单个CNC加工的铝制零件；齿形切削方法如下所示。图 3‑8. 齿轮箱壳体和电机壳体堆叠的侧视图。从侧面可以看到两个环形齿轮，电机壳体的外径带有散热片，而不是普通的散热块。制造流程可能为：CNC加工加电动滚齿，先车削和铣削外轮廓、孔、座和螺栓孔，然后切削内齿圈。齿轮切削方法未进行直接观察。第一级壳体轴承：一个带防尘罩的深沟球轴承位于第一级环形齿轮下方，由定子侧的内环固定。第一级轮毂通过过渡配合安装在壳体上，因此无需工具即可组装。第一级齿轮位于该轴承上方。第一级/转子太阳轮轴承：一个带防尘罩的深沟球轴承位于第一级底部，通过过渡配合安装在转子太阳轮上，并将转子与第一级输入轴连接。第一级/第二级轴承：一个带防尘罩的深沟球轴承位于第一级太阳轮顶部，通过过渡配合安装在第二级轮毂上，并将第一级输出轴的动力传递到第二级。第二级锥形座：不确定第二级变速箱下方为何设有锥形座，希望了解其可能的原因。 （仅说明接口表面不平整）接头输出：压入式 CRBT505A交叉滚子轴承是唯一承受外部载荷的轴承。转子底部：陶瓷轴承（图2-3）使气隙与电机壳体内的轴承座（图4-6）保持同心。空心轴：转子孔内的滚针轴承约束穿过接头的中心管（§4.1）。润滑。整个齿轮箱内均涂有深灰色润滑脂。颜色和涂抹方式与含钼或石墨的极压润滑脂相符，这种润滑脂通常是机器人齿轮箱的首选，因为间歇性峰值负载会挤出普通锂基润滑脂。深灰色也可能是含锂复合极压润滑脂或添加黑色添加剂的聚环氧乙烷（PAO）合成润滑脂的颜色，因此实际等级未知。使用数显卡尺测量各级齿轮太阳轮和行星轮的齿顶直径：• 第一级：太阳轮 (16T) =11.5mm，行星轮 (20T)=14.5 mm，由此得出m₁ ≈ 0.65 mm• 第二级：太阳轮 (12T) =17.0mm，行星轮 (18T)=24.25 mm，由此得出m₂ ≈ 1.21 mm这两个齿顶直径均不符合ISO标准。有两种解释：一是使用了中国齿轮供应商提供的非标刀具，二是使用了标准0.7mm和1.25 mm 齿顶直径的齿轮，但进行了齿顶修改。特别是第二级，太阳轮的齿顶直径略有正向偏移。要区分这两个齿顶直径，需要测量节圆直径（通过销钉测量或使用三坐标测量机），而使用数显卡尺测量齿顶外径无法获得节圆直径。目前，应力分析仍使用直接测量值。m₂/m₁比约为1.86，这意味着第二级齿轮的齿要大得多，这正是承受倍增输出扭矩的那级所需要的。4. 装配和接线
4.1 空心中心轴。一根内衬聚四氟乙烯（PTFE）的空心铝管贯穿整个接头：穿过转子孔、两级齿轮和输出轮毂，电机端由滚针轴承固定。下游接 头的线束也穿过这根铝管，以防止电线疲劳；但是，布线完成后需要对连接器进行压接。图 4-1. XT30 2+2连接器外露。两个大号子弹头针脚用于直流母线（棕色，多股并联），两个小号针脚用于差分数据对（白色护套）。电缆出口处采用黑色模塑化合物进行应力释放。图 4-2. 执行器处的电缆入口。编织织物套管包裹着并联导体和数据线对。切口护套处的镀锡线股是两根并联直流母线导体之一。
每层都进行了应力消除处理。导体采用细绞合聚四氟乙烯绝缘线，而非单根粗导体，因此电缆可以弯曲而不会使线股疲劳。两根导体并联以提供 电流容量（直流母线为棕色和银色），数据线对采用差分连接，并且整个线束外层包裹着一层织物编织层以增强耐磨性。线束穿过中心轴上 的聚四氟乙烯管。图 4‑3. 压铸铝后盖，内侧。蓝色硅胶导热垫覆盖了大约一半的圆盘，其形状与 PCB 上的铜箔铺层相匹配（图 4‑4）图 4‑4. 带有黑色聚酯胶带的 PCB。该胶带似乎是一片模切薄片，用于防止电路板与铝制盖板短路。使用铝制盖板代替模制塑料盖板 是为了降低堆叠高度和成本后盖组件中体现了一些精心设计的面向制造/面向装配的设计细节：PCB板上采用聚酯薄膜（推测）而非注塑成型的盖板。这样可以节省轴向高度和物料清单成本，但代价是组装过程 中需要一道对准工序。使用Torx螺丝，扭矩均匀。Torx螺丝在小尺寸下比十字螺丝的配合更好，并且能够实现扭矩均匀。6颗M3x5毫 米的Torx螺丝用于固定背板，4颗M3x5毫米的Torx螺丝用于固定PCB板。 PCB螺丝上有红色漆印防篡改标记，这是标准的质量控制步骤。该座约束图2‑3所示的陶瓷转子底部轴承，并最终确定转子相对于定子孔的位置。图 5‑1. 电源板，面向电机的一侧。B6桥式电路中有六个MOSFET，相电流有两个 R003分流器，磁编码器对有两个白色圆圈（左：输出侧传感器IC，右：转子侧目标磁铁座），左边缘有一个陶瓷帽阵列用于直流母线解耦，底部有两个XT30 2+2菊花链连接器。5.1 拓扑结构。标准B6桥电路包含六个N沟道MOSFET。由于N沟道硅的单位芯片面积导通电阻(Rds(on))远优于P沟道硅，且100V以上的 高电流P沟道器件目前尚不普及，因此全N沟道器件在高电流FOC驱动电路中应用广泛。高侧器件需要电平移位栅极驱动，几乎可以肯定是基于自举法的驱动方式。器件标记采用激光烧蚀工艺，因此无法得知器件的具体型号（§9）5.2 电流检测。可以看到两个R003低侧分流器。两次电流测量足以重建三相电流；具体的采样和重建方法尚未确认。 5.3 直流母线解耦。电路板上没有任何大容量电解电容。总线去耦完全采用陶瓷电容，这样可以保持电路板平整，并且是串联 总线的典型做法，其中电池和上游接头 提供大容量电容。6. 逻辑板
图 6‑1. 逻辑板，外侧。大型 QFN MCU位于中心右侧（顶部标记激光烧蚀），相位输出铜箔（金弧）横跨上半部分，信号夹层从底部引出。电路板右侧有一个大型QFN封装，大约48到64个引脚，负责FOC、编码器解码、通信和故障处理。由于引脚标记已被烧 蚀，因此无法确定其系列，也就无法判断它是否配备了高分辨率定时器等硬件FOC辅助功能，以及它有多少个ADC。6.2 通信接口。夹层两侧的两个XT30 2+2连接器是菊花链直通连接器：电源和数据从上游接头输入，流向下游接头，因此该支路采用链式连接而非星式连接。 夹层上有标有A/B/SIG的焊盘。A/B是差分总线的常用命名方式，Unitree 执行器根据版本不同，可能配备CAN或RS‑485协议，因此该特定 单元的协议尚未确定。汇总表中的~3kHz命令速率数据来自Unitree SDK中A1和 GO‑M8010系列的文档，并非对该接头的测量结果。图 6‑2. 驱动PCB堆叠的侧视图。电源板和逻辑板夹在信号夹层板之间。两个固定螺钉既是结构穿透螺栓，也是散热路径的一部分。7. 双编码器系统
转子侧编码器（居中）：直接读取电机轴，位于齿轮箱之前。这可以提供用于FOC换向和高带宽速度的电角度。由于转子每旋转一周转动22.5 圈，其相对于输出的分辨率乘以该比率。输出端编码器（偏移量）：读取齿轮箱后的关节输出。这是关节角度的真实值，不受齿轮箱内部间隙、柔性或上游滑移的影响。由于关节中心被空心电缆轴占据，没有用于放置目标磁铁的端面，因此输出旋转通过1:1齿轮副传递到平行轴上，驱动齿轮上径向磁化的磁铁由PCB上的磁角IC读取（图5‑1 左侧白色环下方）。然而，这1:1齿轮副可能会引入一定程度的间隙。转子侧编码器提供电机位置/换向所需的电气角度，而输出侧编码器提供齿轮箱后连接点的位置。同时拥有这两个编码器还可以进行低成本 的故障检查：如果转子角度÷22.5与输出角度之间持续存在偏差，且超出预期的齿隙范围，则表明齿轮断裂、联轴器打滑或编码器故障。8. 热力学
有两个基本独立的热源为一个散热器（带鳍片的铝制电机外壳）供热（图 3‑8）。电源电子元件：后盖内侧的硅胶垫（图 4‑3）与PCB上的铜箔进行正面接触。硅胶焊盘的单位面积导电性不如铜，但接触面积大，因此非常适合扩散。热量从陶瓷电容和栅极驱动区域散发出去。然后，热量通过盖子和电机外壳之间用螺栓固定的铝对铝连接处传递出去。定子：叠片通过深灰色结构胶粘合到外壳中，因此绕组的热量通过叠片传导，穿过粘合线，直接传导到外壳壁。完整模块概述
下面两张照片显示了整个执行器平铺展开的样子，是对拆解部件的最佳单帧总结。图 10‑1. 完全拆解图，视图A，从左至右。第一行：一级齿轮箱组件、转子（轴承侧）、主壳体、顶部挡板。第二行：带PTFE内衬的空心轴管、外部挡圈、输出顶板、二级 齿轮箱组件。第三行XT30 2+2 线束、PCB（逻辑侧）、PCB背板、PCB外壳。第四行：公制硬件。图 10‑2. 完全拆解图，视图B，背面，从左至右。第一行：一级齿轮箱组件、转子（太阳轮侧）、主壳体内的定子、顶部固定板。第二行：带PTFE内衬的空心轴管、外部挡圈、 输出顶板、二级齿轮箱组件。第三行：XT30 2+2线束、PCB（电源侧）、PCB背板（散热焊盘侧）、PCB外壳。第四行：公制硬件。本号对所有原创、转载文章的陈述与观点均保持中立，推送文章仅供读者学习和交流。文章、图片等版权归原作者享有，如有侵权，联系删除。
