典型机器人拆解

概述

拆解分析（Teardown）是学习机器人工程的最佳途径之一。通过拆解成功的商业产品，我们可以学到：

工程师如何在成本/性能/可靠性之间做权衡
系统架构的设计思路
线缆管理、散热、防水等工程细节
组件选型的实际选择

本节详细拆解四款代表性机器人。

1. Unitree Go2（四足机器人）

产品定位

类型：消费级/教育级四足机器人
价格：$1,600（Air）~ $2,800（Pro）~ $8,000+（Edu）
重量：~15 kg
尺寸：长 70cm × 宽 31cm × 高 40cm
续航：1-2 小时（标准使用）

系统架构

graph TB
    subgraph 计算平台
        J[Jetson Orin NX / Nano<br/>主控] 
        ESP[ESP32<br/>辅控/WiFi/BT]
        MCU[STM32<br/>电机控制]
    end

    subgraph 感知
        LIDAR[头部 LiDAR<br/>Hesai XT16 / Livox]
        CAM[前置双目相机]
        IMU_S[IMU<br/>机身内]
        UW[超宽带 UWB]
    end

    subgraph 执行
        M1[LF 髋/膝/踝<br/>BLDC × 3]
        M2[RF 髋/膝/踝<br/>BLDC × 3]
        M3[LR 髋/膝/踝<br/>BLDC × 3]
        M4[RR 髋/膝/踝<br/>BLDC × 3]
    end

    subgraph 电源
        BAT[32 × 18650 电池组<br/>~800Wh]
        BMS[电池管理系统]
        DC[DC-DC 变换器]
    end

    subgraph 散热
        FAN1[风扇 × 2]
        HS[铝合金散热片]
    end

    J --> MCU
    ESP --> J
    MCU --> M1
    MCU --> M2
    MCU --> M3
    MCU --> M4
    LIDAR --> J
    CAM --> J
    IMU_S --> MCU
    BAT --> BMS --> DC
    DC --> J
    DC --> MCU
    FAN1 --> HS

电机系统

Go2 使用 12 个高性能 BLDC 外转子电机（每条腿 3 个自由度：髋横摆、髋俯仰、膝俯仰）。

电机规格（推测基于拆解）：

参数	规格
类型	BLDC 外转子（Outrunner）
槽极配置	36 槽 / 42 极
峰值扭矩	~40 N·m（减速后）
减速比	~9:1（行星减速）
编码器	磁编码器 14-bit
驱动方式	FOC（磁场定向控制）
通信	CAN Bus

电机+减速器+编码器+驱动器集成在单个关节模块中——这是 Unitree 的核心工程能力。

关节模块结构：

┌─────────────────────┐
│  输出法兰            │ ← 连接下一连杆
├─────────────────────┤
│  行星减速器 (9:1)    │
├─────────────────────┤
│  BLDC 电机           │ ← 36S42P 外转子
│  (定子+转子+磁铁)    │
├─────────────────────┤
│  磁编码器 (14-bit)   │ ← AS5047P 或类似
├─────────────────────┤
│  FOC 驱动板          │ ← DRV8353 + STM32
│  (MCU + 功率级)      │
├─────────────────────┤
│  CAN 接口            │ ← 4-pin 连接器
└─────────────────────┘

电池系统

电芯：32 节 18650 锂电池（8S4P 配置）
标称电压：$8 \times 3.7V = 29.6V$
容量：约 $4 \times 2600mAh = 10.4Ah$
能量：$29.6V \times 10.4Ah \approx 308Wh$
BMS：8S 保护板（过充/过放/过流/短路/均衡）

传感系统

头部 LiDAR：

Pro/Edu 版本：Hesai XT16 或 Livox MID-360
用于 SLAM 建图和导航
安装在头部，随头部偏航

前置相机：

双目或深度相机
用于视觉感知/避障

IMU：

高精度 6 轴 IMU（加速度计 + 陀螺仪）
安装在机身中心
用于姿态估计、状态估计

计算平台

主控：NVIDIA Jetson Orin NX 或 Jetson Nano（版本不同）
辅控：ESP32（WiFi/蓝牙通信、遥控器对接）
运动控制：STM32 系列 MCU（1 kHz 控制回路）

散热设计

双风扇：主动散热
铝合金散热片：覆盖计算平台和电机驱动
导热垫：连接芯片与散热片
机身外壳：铝合金本身就是散热器

设计启示

高度集成的关节模块：电机+减速器+编码器+驱动器一体化，简化装配和布线
CAN Bus 通信：12 个关节模块通过 CAN Bus 菊花链连接，线缆极简
成本控制：18650 电池组（而非定制电池包）降低成本
模块化腿部：四条腿结构相同，只需一套模具

2. iRobot Roomba j7（扫地机器人）

产品定位

类型：家用扫地机器人
价格：~$600
重量：~3.4 kg
尺寸：直径 33.9cm × 高 8.7cm

系统架构

┌──────────────────────────────────┐
│           主 PCB                  │
│  ┌─────────┐  ┌──────────┐      │
│  │ ARM SoC │  │ 电机驱动  │      │
│  │ (主控)  │  │  电路     │      │
│  └────┬────┘  └─────┬────┘      │
│       │              │           │
│  ┌────┴────┐  ┌─────┴────┐     │
│  │ Camera  │  │ 传感器    │     │
│  │ (前视)  │  │ 接口电路  │     │
│  └─────────┘  └──────────┘     │
└──────────────────────────────────┘

驱动系统

吸力电机：

BLDC 高速电机
转速 ~10,000 RPM
产生真空吸力

行走电机：

左右各一个直流减速电机
差速驱动（差速转弯）
编码器反馈用于里程计

刷子电机：

主刷：直流电机驱动双橡胶滚刷
侧刷：小直流电机，3 臂旋转刷

传感系统

悬崖传感器（6 个 IR 传感器）：

底部 6 个红外发射/接收对
发射红外光，接收反射光
无反射 → 悬崖/楼梯边缘 → 停止

\[d_{cliff} = f(V_{reflected})\]

检测距离约 1-3 cm，响应时间 < 10 ms。

前视摄像头：

j7 系列的核心升级：前置 RGB 摄像头
AI 物体识别（充电线、袜子、宠物粪便等）
使用 iRobot Genius 平台（机载+云端推理）

碰撞传感器：

前部弧形碰撞条（bumper）
内部微动开关或光电传感器
接触后触发避障行为

LDS LiDAR（低成本激光雷达）：

旋转式 2D LiDAR（头顶凸起部分）
用于房间建图和导航
分辨率 ~1°，量程 ~6m
转速 ~5 Hz

充电对接

充电底座对齐：

底座发射红外信号（扇形波束）
Roomba 底部有红外接收器
通过信号强度引导对齐
充电触点在底部前端

导航策略

早期 Roomba：随机碰撞式（便宜但低效）
j7：vSLAM（视觉 SLAM）+ LiDAR 建图
记忆房间布局，支持分区清扫

设计启示

极致成本优化：每个传感器都选最便宜的方案（IR 悬崖传感器而非 ToF）
LiDAR 降本：使用低成本旋转式 LDS，满足 2D 建图需求
AI 差异化：j7 的前置摄像头+AI 是核心卖点（避开障碍物）
可维护性：刷子、滤网等耗材易更换
圆形设计：简化碰撞后的运动学（原地旋转不卡墙）

3. Franka Emika Panda（协作机械臂）

产品定位

类型：7-DOF 协作机械臂（学术研究标准）
价格：~€20,000（已停产，被 Franka Research 3 替代）
负载：3 kg
臂展：855 mm
重量：~18 kg
重复定位精度：±0.1 mm

关节结构

Panda 的核心创新是每个关节都集成了力矩传感器。

单关节模块：

┌─────────────────────┐
│  输出法兰            │
├─────────────────────┤
│  谐波减速器           │ ← 减速比 100:1
│  (Harmonic Drive)    │
├─────────────────────┤
│  力矩传感器           │ ← 应变片式，关节侧
├─────────────────────┤
│  BLDC 电机           │
├─────────────────────┤
│  编码器 × 2          │ ← 电机侧 + 关节侧
├─────────────────────┤
│  驱动电子            │
└─────────────────────┘

7 个关节参数：

关节	类型	运动范围	最大力矩	减速比
J1	旋转	±170°	87 N·m	100:1
J2	旋转	±105°	87 N·m	100:1
J3	旋转	±170°	87 N·m	100:1
J4	旋转	±175°	87 N·m	100:1
J5	旋转	±170°	12 N·m	100:1
J6	旋转	±215°	12 N·m	100:1
J7	旋转	±170°	12 N·m	100:1

谐波减速器（Harmonic Drive）

Panda 每个关节使用谐波减速器：

工作原理：

波发生器（Wave Generator）：椭圆形凸轮
柔轮（Flex Spline）：薄壁弹性齿轮
刚轮（Circular Spline）：刚性内齿圈

\[\text{减速比} = \frac{N_{flex}}{N_{circular} - N_{flex}}\]

典型 $N_{circular} = 202$, $N_{flex} = 200$ → 减速比 100:1。

优点：零背隙、高减速比、紧凑。缺点：柔轮疲劳寿命有限、效率 ~80%。

力矩传感

每个关节内置力矩传感器——这是 Panda 最大的特色：

应变片式，安装在减速器输出端
分辨率：0.05 N·m（大关节）/ 0.01 N·m（小关节）
采样率：1 kHz

这使得 Panda 可以直接实现：

关节力矩控制
碰撞检测（无需外部传感器）
阻抗控制
动力学估计

力敏夹爪

Panda 的平行夹爪也集成了力传感：

参数	规格
行程	80 mm（单侧 40 mm）
最大夹力	70 N
力分辨率	0.05 N
闭合速度	50 mm/s

控制系统

1 kHz 实时控制回路：

\[\tau_{cmd} = M(q)\ddot{q}_d + C(q,\dot{q})\dot{q}_d + g(q) + K_d(q_d - q) + D_d(\dot{q}_d - \dot{q})\]

主控板：x86 实时 Linux（PREEMPT-RT 内核）
通信：EtherCAT（与所有关节驱动器）
用户接口：FCI（Franka Control Interface）或 libfranka

控制模式：

模式	说明	用途
关节位置控制	发送关节角度目标	基本运动
关节速度控制	发送关节角速度	平滑运动
关节力矩控制	直接发送力矩	力控研究
笛卡尔位置控制	末端位姿目标	任务空间控制
笛卡尔速度控制	末端速度	力引导

设计启示

7-DOF 冗余：比 6-DOF 多一个自由度，可在避障的同时完成末端定位
关节力矩传感：使能力控，是学术研究的核心卖点
双编码器：电机侧+关节侧编码器，消除减速器柔性影响
1 kHz 控制：高控制频率保证力控稳定性
白色简洁外观：面向实验室环境的工业设计

4. Unitree G1（人形机器人）

产品定位

类型：通用人形机器人
价格：~$16,000 起
身高：约 127 cm
重量：约 35 kg
自由度：23 DOF（标准版）/ 43 DOF（灵巧手版）

关节分布

部位	自由度	关节类型
头部	2	偏航 + 俯仰
每条手臂	5-7	肩(3) + 肘(1) + 腕(1-3)
腰部	3	横滚 + 俯仰 + 偏航
每条腿	5	髋(3) + 膝(1) + 踝(1)

QDD 关节模块

G1 使用 QDD（Quasi-Direct Drive）准直驱关节——Unitree 的核心技术：

设计理念：低减速比 + 高扭矩密度电机

\[\tau_{output} = N \cdot K_t \cdot i - \tau_{friction}\]

其中 $N$ 为减速比（QDD 中 $N \approx 6 \sim 9$，远小于谐波的 100:1）。

QDD vs. 高减速比方案：

方面	QDD (准直驱)	谐波减速器
减速比	6-9:1	50-160:1
反向驱动性	好（力矩透明）	差（几乎不可反驱）
力控能力	天然适合	需要额外力传感器
扭矩密度	中等	高
带宽	高	低（柔性限制）
效率	~95%	~80%
成本	电机成本高	减速器成本高

QDD 的"力矩透明性"意味着外部力矩可以通过电机电流直接感知——无需专用力矩传感器。

关节模块集成：

┌─────────────────────┐
│  输出法兰            │
├─────────────────────┤
│  行星减速器 (6-9:1)  │ ← 低减速比
├─────────────────────┤
│  BLDC 电机           │ ← 高扭矩密度
│  (大直径薄型)        │
├─────────────────────┤
│  磁编码器            │ ← 高精度
├─────────────────────┤
│  FOC 驱动板          │ ← 集成在模块内
└─────────────────────┘

视觉系统

头部双目相机：

Intel RealSense D435i 或类似深度相机 × 2
提供 RGB + 深度 + IMU 数据
前视 + 下视（推测）

计算平台

主控：NVIDIA Jetson Orin NX（8GB / 16GB）
运动控制：专用 MCU（STM32H7 级别）
通信：CAN FD（关节总线）+ Ethernet（感知）

电池系统

安装在躯干部位（保持低重心）
锂电池组，约 $48V$ 系统
续航约 1-2 小时（行走状态）

电池位置与重心

\[z_{CoM} = \frac{\sum m_i z_i}{\sum m_i}\]

电池是最重的单一组件（约占总重 20-30%），放在躯干可以：

降低整体重心
保持对称（左右平衡）
便于更换

设计启示

QDD 关节是核心：低减速比使得力控和人机安全交互成为可能
模块化关节：不同扭矩等级使用不同尺寸的标准化模块
23 DOF 的选择：够用但不过度——每个 DOF 都增加成本和复杂度
Jetson Orin NX：平衡算力和功耗（GPU 推理 + 低功耗）
CAN FD 总线：比传统 CAN 更高带宽（最高 8 Mbps），适合多关节高频通信

跨产品对比

维度	Go2	Roomba j7	Panda	G1
电机	BLDC+行星	DC 有刷+BLDC	BLDC+谐波	BLDC+QDD
减速比	~9:1	N/A	100:1	6-9:1
力感知	电流估计	无	关节力矩传感器	电流估计(QDD)
主控	Jetson	ARM SoC	x86 RT Linux	Jetson Orin
通信	CAN	板载总线	EtherCAT	CAN FD
控制频率	500 Hz	~50 Hz	1 kHz	500-1000 Hz
导航	LiDAR SLAM	vSLAM+LDS	N/A	视觉
价格	$1.6K-8K	~$600	~€20K	~$16K+

核心设计哲学

产品	设计哲学
Go2	高度集成+规模化降本
Roomba j7	极致成本优化+AI 差异化
Panda	性能优先+学术友好
G1	准直驱力控+通用平台

自己动手拆解

拆解记录模板

=== 拆解记录 ===

设备名称: _______________
日期: _______________

1. 外观与尺寸
   - 长 × 宽 × 高: _______________
   - 重量: _______________
   - 材质: _______________

2. 电气系统
   - 电池: 类型___ 电压___ 容量___
   - 主控: _______________
   - 电机: 类型___ 数量___ 驱动___

3. 传感器
   - 列表: _______________

4. 机械结构
   - 关节数: _______________
   - 减速器: _______________
   - 材料: _______________

5. 设计亮点
   - _______________

6. 改进建议
   - _______________

参考资源

Unitree Robotics: unitree.com
iFixit Roomba 拆解: ifixit.com
Franka Emika 文档: franka.de
YouTube: "Unitree Go2 Teardown", "Roomba j7 Teardown"
Katz, B., "Mini Cheetah: A Platform for Pushing the Limits of Dynamic Quadruped Control," ICRA, 2019

入门级	中级	高级
舵机（SG90）	RC 遥控车	四足机器人
步进电机	扫地机器人	无人机
鼠标（编码器）	云台（IMU+电机）	协作机械臂
手机振动电机	3D 打印机	手术机器人

典型机器人拆解

概述

1. Unitree Go2（四足机器人）

产品定位

系统架构

电机系统

电池系统

传感系统

计算平台

散热设计

设计启示

2. iRobot Roomba j7（扫地机器人）

产品定位

系统架构

驱动系统

传感系统

充电对接

导航策略

设计启示

3. Franka Emika Panda（协作机械臂）

产品定位

关节结构

谐波减速器（Harmonic Drive）

力矩传感

力敏夹爪

控制系统

设计启示

4. Unitree G1（人形机器人）

产品定位

关节分布

QDD 关节模块

视觉系统

计算平台

电池系统

电池位置与重心

设计启示

跨产品对比

核心设计哲学

自己动手拆解

推荐拆解对象

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参考资源

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