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

01 机械架构

图 1-1装配完成的执行器置于台秤上；含线缆质量为 1085.1 g。

G1 膝关节是一套完全集成的伺服模块。电机、两级行星减速箱、两个编码器以及完整的电机控制器，都位于同一个盘形关节内；该关节外径 80 mm、厚 64 mm，不含线缆时质量约 1 kg。电源与数据通过 XT30 2+2 连接器穿过关节，因此腿部可以采用链式布线。

1.1 从输出侧到后盖的堆叠结构

02 电机：18 槽 / 16 极永磁同步电机

图 2-1从电子系统一侧观察的定子。18 个齿，带绿色槽绝缘衬层和多股集中绕组。白色硅胶护套相线从三处引出。

2.1 槽数与极数

18 槽、16 极、8 对极。当目标是获得高扭矩密度和低齿槽转矩时，分数槽集中绕组是常见选择；18s / 16p 是机器人执行器中两种常见组合之一，另一种是 12s / 10p。

绕组系数：kᵥ ≈ 0.945。这是 18s / 16p 的教科书数值，并非在本电机上测得

2.2 几何尺寸与气隙

平均气隙直径为 (50.6 + 51.8) / 2 = 51.2 mm，因此 D²L = 51.2² × 22 ≈ 57,700 mm³，亦即有效电磁体积约 57.7 cm³。

2.3 转子结构

图 2-3转子的背铁侧。16 块镀镍表贴式磁体粘接在钢制背铁杯上。转子底部轴承位于中心，6 颗 Torx 螺钉将杯体固定到另一侧的太阳轮板上。

图 2-4转子的减速箱侧。第 1 级 16 齿太阳小齿轮是独立加工件，用 4 颗 Torx 螺钉固定到太阳轮板上，并与 4 个第 1 级行星轮直接啮合。

已确认采用表贴式永磁体。16 块独立磁体段粘接在很可能由钢制成的背铁杯周围。

2.4 转子转动惯量估算

未进行自由降速或反作用扭矩测量，因此这里采用解析估算。将转子视作薄壁钢制背铁杯（直径约 46–50 mm、长度 22 mm、壁厚数毫米），再加上外径 50.6 mm 的 2 mm 磁环、太阳轮板和小齿轮，则根据假定的杯体壁厚，结果落在 5–9 × 10⁻⁵ kg·m² 范围内。约 6.5 × 10⁻⁵ kg·m² 是合理的中值。经 22.5:1 减速比折算到关节输出端后为 2.5–4.5 × 10⁻² kg·m²，这正是阻抗控制器实际感受到的量。

03 减速箱：两级行星，22.5:1

总减速比为 22.5:1，分为 4.5:1（第 1 级）× 5.0:1（第 2 级）。两道齿圈都加工在同一个铝制减速箱壳体内，太阳轮、行星架和行星轮在其中沿轴向堆叠。下述全部齿数均在拆开的零件上直接计数获得。

3.1 第 1 级（转子侧，4.5:1）

图 3-1第 1 级行星轮系。中心的 16 齿太阳轮与 4 个 20 齿行星轮啮合；行星轮在 56 齿齿圈内运行。行星轮销通过内挡圈固定在行星架中。

第 1 级零件

定位销由内挡圈固定；行星架上的小检修孔可用于在维护时将销顶出。第 1 级行星架上方压装一个带防尘盖的深沟球轴承，并与第 2 级轮毂配合。同系列轴承也出现在第 1 级轮毂底部，在那里与转子太阳轮形成过渡配合。

图 3-2两级之间的带防尘盖深沟球轴承。轮毂周边的 4 个孔用于拆出定位销。

3.2 第 2 级（输出侧，5.0:1）

图 3-3第 2 级行星轮系侧视图。4 个 18 齿行星轮与 12 齿太阳轮及 48 齿齿圈啮合。轮系下方是输出花键和交叉滚子轴承座。

• 太阳轮：12 齿。
• 行星轮：18 齿 × 4，齿宽 8 mm，孔径 14.05 mm。
• 齿圈：48 齿，内齿。
• 减速比（齿圈固定、行星架输出）：1 + 48 / 12 = 5.0:1。

第 2 级零件

• 4 个行星轮（18T，卡尺测得齿宽 8 mm ± 0.1 mm、内径 14.05 mm）。
• 4 根定位销，直径 8 mm × 18 mm。
• 4 个滚针轴承，内径 8.1 mm × 外径 14 mm × 长 8 mm。
• 8 个垫片，厚 0.3 mm、外径 16 mm、内径 8.2 mm。

图 3-4输出顶板安装在第 2 级轮毂上。4 颗 Torx 螺钉固定顶板并约束第 2 级定位销；4 个检修孔可用于把销再次顶出。外圈上的 CRBT505A 标记属于交叉滚子轴承外圈（见图 3-5）。

第 2 级定位销用于定位行星轮，可经行星架上的检修孔敲出。交叉滚子轴承压装在第 2 级轮毂上。壳体上的凸台定位输出顶板；顶板以螺钉连接到第 2 级行星架，并约束定位销。中心处的外挡圈固定空心轴管，并由 4 颗 M2 × 4 mm 螺钉紧固；其上粘有黑色盖帽。

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，为 IKO 超薄型交叉滚子轴承，内径 50 mm × 外径 61 mm × 宽 5 mm。IKO 给出的额定值为：动态 C = 2.28 kN，静态 C₀ = 3.2 kN。

对于主要在低速下承受体重的膝关节，静额定载荷 C₀ 比 C 更重要；而在跌倒制动载荷下，真正起控制作用的是倾覆力矩承载能力。IKO 并未发布该系列的力矩额定值。按一阶估算 M₀ ≈ C₀ · d_pw / 4，若滚子节圆直径约为 55.5 mm，则得到约 44 N·m。这个数值非常粗略，不应理解为额定值。

图 3-6输出侧完全装配后的状态。4 颗 M2 Torx 螺钉固定外挡圈。粘在中心的黑色盖帽最可能用于阻挡灰尘和润滑脂，同时也可作为防拆指示。

交叉滚子轴承是输出端唯一承受外部载荷的轴承。它在膝关节处承受由体重造成的径向载荷与力矩载荷组合。

3.4 减速箱壳体：制造方式与轴承布置

图 3-7从顶部向下观察减速箱壳体。两道同心内齿圈均清晰可见：外侧 56T 齿圈用于第 1 级，内侧 48T 齿圈用于第 2 级。它们位于同一个 CNC 铝制零件上；齿形加工方式见下文推断。

图 3-8减速箱壳体与电机壳体堆叠后的侧视图。两道齿圈均可从侧面看到；电机壳体外径带有散热鳍片，而不是一整块光滑的散热质量体。

制造

很可能采用 CNC 加工加上强力刮齿：先车削和铣削外形、孔、座及螺栓孔阵列，再加工内齿圈。齿形加工方法并未被直接观察到。

轴承布置

第 1 级壳体轴承：带防尘盖的深沟球轴承安装在第一道齿圈下方，并由定子侧的内挡圈固定。第 1 级轮毂通过过渡配合落在壳体上，因此无需工具即可装配。第一级齿轮系位于该轴承上方。

第 1 级 / 转子太阳轮轴承：位于第 1 级底部的带防尘盖深沟球轴承，与转子太阳轮形成过渡配合，并将转子耦合到第 1 级输入端。

第 1 级 / 第 2 级轴承：位于第 1 级太阳轮顶部的带防尘盖深沟球轴承，与第 2 级轮毂形成过渡配合，并把第 1 级输出传递至第 2 级。

第 2 级锥形座：尚不清楚为何第 2 级减速箱下方设有锥形座；希望了解可能的设计理由。（这里仅指相接触的表面并非平面。）

关节输出：压装的 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）与电机壳体内的座（图 4-6）共同确定气隙同心度。

空心轴：转子孔内的滚针轴承约束穿过关节的中央管（§4.1）。

润滑

减速箱内处处可见深灰色润滑脂。其颜色与涂布状态符合含二硫化钼或石墨的极压润滑脂特征；对于存在间歇峰值载荷、会把普通锂基脂挤出的机器人减速箱，这类润滑脂是常见选择。深灰色也可能来自含黑色添加剂的复合锂基极压脂或 PAO 合成润滑脂，因此实际牌号未知。

3.5 齿轮模数（由齿顶直径估算）

使用数显卡尺测量了各级太阳轮与行星轮的齿顶直径：

• 第 1 级：太阳轮（16T）= 11.5 mm，行星轮（20T）= 14.5 mm，得到 m₁ ≈ 0.65 mm。
• 第 2 级：太阳轮（12T）= 17.0 mm，行星轮（18T）= 24.25 mm，得到 m₂ ≈ 1.21 mm。

两者都不是 ISO 标准模数。有两种解释都说得通：由中国齿轮供应商采用非标准刀具，或采用标准的 0.7 mm 和 1.25 mm 模数并进行齿顶高变位。尤其是第 2 级，在太阳轮采用适度正变位时很符合后一种解释。要区分两种情况，需要测量分度圆直径，例如跨棒测量或在三坐标测量机上测量；仅用卡尺测齿顶外径无法得出结论。在此之前，任何强度计算都采用直接测得的数值。

m₂ / m₁ 约为 1.86，说明第 2 级的齿明显更大；对于承受经放大后输出扭矩的级次，这正是所需要的。

04 装配与布线

4.1 中央空心轴

一根带 PTFE 衬管的空心铝管直穿整个关节：它穿过转子孔、两级齿轮系和输出轮毂，并由电机端的滚针轴承约束。下游关节的线束从其中穿过，以避免导线疲劳；不过，连接器需要在线束穿过之后再压接。

4.2 电源 / 数据连接器：XT30 2+2

图 4-1露出的 XT30 2+2 连接器。两根大号弹头针脚用于直流母线（棕色，多股并联），两根小针脚用于差分数据对（白色护套）。线缆出口处的黑色模塑材料用于应力消除。

图 4-2执行器处的线缆入口。并联导体和数据对外包编织织物套管。被剥短的护套处可见镀锡线股，这是两根并联直流母线导体中的一根。

每一层都采取了应力消除措施。导体采用细股 PTFE 绝缘线，而非单根粗导体，因此线缆可以弯曲而不致使线股疲劳。两根导体并联以提高载流能力（直流母线使用棕色和银色导体），数据对采用差分方式，整束线外的织物编织层负责耐磨。线束经中央轴内的 PTFE 管布线。

4.3 后盖、导热垫与绝缘

图 4-3压铸铝后盖的内侧。蓝色硅胶导热垫覆盖圆盘约一半面积，其形状与 PCB 上的铜箔铺铜区相匹配（图 4-4）。

图 4-4带黑色聚酯胶带的 PCB。该胶带看起来是模切片，用于防止电路板与铝盖短路；以此取代模塑塑料盖，可降低堆叠高度和成本。

图 4-5安装后的后盖外侧。

后盖组件中可见若干有意采用的面向制造与装配设计细节：

• PCB 上使用聚酯胶带（推断），而不是注塑成型的盖板。这节省了轴向高度和物料清单成本，代价是装配时多一道对位工序。
• Torx 螺钉采用统一扭矩。Torx 在小尺寸下比十字槽传递扭矩更好，并有利于保证扭矩一致性。6 颗 M3 × 5 mm 螺钉固定后板，4 颗 M3 × 5 mm 螺钉固定 PCB 板。
• PCB 螺钉上有红色防拆漆标记，这是标准的质量控制步骤。
• 后盖内侧的蓝色导热垫按铜箔铺铜区域的尺寸制作。

4.4 转子轴承座

图 4-6电机壳体端部，可见转子底部轴承座。

该轴承座约束图 2-3 所示的转子底部陶瓷轴承，并最终确定转子相对于定子内孔的位置。

05 功率板：三相逆变器

图 5-1功率板的电机朝向侧。可见：组成 B6 桥的 6 个 MOSFET；用于相电流检测的 2 个 R003 分流电阻；磁编码器对的两个白色圆圈（左：输出侧传感器 IC；右：转子侧目标磁体座）；左边缘用于直流母线去耦的陶瓷电容阵列；底部两个用于菊花链的 XT30 2+2 连接器。

5.1 拓扑

采用标准 B6 桥的 6 个 N 沟道 MOSFET。在大电流 FOC 驱动器中，全 N 沟道方案十分普遍，因为在相同芯片面积下，N 沟道硅器件的 R_DS(on) 显著更低，而且额定电压高于约 100 V 的大电流 P 沟道器件实际上并不可得。因此，高侧器件需要电平移位栅极驱动，几乎可以肯定采用自举方式。器件标记已被激光烧蚀，故实际型号未知（§9）。

5.2 电流检测

可见两个 R003 低侧分流电阻。两路电流测量足以重构三相电流；具体的采样与重构实现方式尚未确认。

5.3 直流母线去耦

整个电路板堆叠中都没有大容量电解电容。母线去耦完全由陶瓷电容完成，这可保持电路板扁平；对于菊花链母线而言，这是典型做法，因为电池和上游关节提供大容量储能。

06 逻辑板

图 6-1逻辑板的朝外侧。右中部为大型 QFN MCU（顶面标记已被激光烧蚀）；上半部横向分布相输出铜箔铺铜区（金色弧形）；信号夹层板从底部引出。

6.1 MCU

电路板右侧有一颗约 48–64 引脚的大型 QFN，负责运行 FOC、编码器解码、通信和故障处理。其标记已被烧蚀，因此芯片系列未知；也就无法确定它是否具备高分辨率定时器等硬件 FOC 辅助功能，以及拥有多少个 ADC。

6.2 通信接口

夹层板两侧的两个 XT30 2+2 连接器构成菊花链直通通道：电源和数据从上游关节进入，再离开并送往下游关节，因此腿部采用链式布线，而非星形布线。夹层板上的焊盘标记为 A / B / SIG。A / B 是差分总线的常用命名；宇树执行器随版本不同曾采用 CAN 和 RS-485，因此无法确认这一具体单元使用的协议。汇总表中约 3 kHz 的指令频率来自宇树 A1 和 GO-M8010 系列的 SDK 文档，并非在本关节上实测所得。

图 6-2驱动 PCB 堆叠的侧面轮廓。功率板和逻辑板夹住信号夹层板。两颗夹紧螺钉既是结构贯穿螺栓，也是热传导路径的一部分。

07 双编码器系统

转子侧编码器为换相提供电机位置 / 电角度，输出侧编码器则提供减速箱之后的关节位置。配置两个编码器还可实现低成本故障检查：如果转子角度 ÷ 22.5 与输出角度之间持续存在超出预期回程间隙的偏差，则可能存在断齿、联轴器打滑或编码器失效。

08 热设计

两处基本独立的热源共同向一个散热体传热，该散热体就是带鳍片的铝制电机壳体（图 3-8）。

功率电子系统：后盖内侧的硅胶垫（图 4-3）与 PCB 上的铜箔铺铜区大面积接触。与铜相比，硅胶垫单位面积的导热能力较差，但接触面积很大，因此能很好地把陶瓷大容量电容和栅极驱动区域的热量铺开。随后，热量穿过后盖与电机壳体之间以螺栓连接的铝-铝接合面。

09 未知项与后续测量

本次拆解期间未确认以下参数。

• 绕组接法（星形或三角形）：未确认。
• 输出回程间隙：未测量。可约束转子，在输出端施加较小的反向切换扭矩，并在已知半径处使用百分表测量角向空程。
• K_t：未测量。需要在已知转速下测量反电动势。
• 每齿匝数、线股数与线规：未测量。需要检查一个部分拆开的绕组齿。
• 槽满率：未测量。
• MOSFET 与 MCU 型号：标记已被激光烧蚀；无法识别确切器件。
• 栅极驱动器：无法识别。
• 电流检测实现：可见两个 R003 分流电阻；具体的检测与电流重构实现尚未确认。
• 磁体牌号与温度等级：未确认。
• 齿轮模数：§3.5 给出根据齿顶直径得到的估算值。需要测量分度圆直径，才能区分非标准模数与采用变位的标准模数。
• 压力角：未测量。
• 齿轮加工工艺：§3.4 推断采用强力刮齿，但制造工艺尚未确认。
• 齿顶与齿根倒角：未表征。
• 磁体极弧覆盖率与分段：未测量。
• 槽绝缘衬层材料及耐热等级：无法仅凭外观可靠识别。
• 绕组浸渍：未确认。
• 绕组布置：未追踪。
• 相线端接：未暴露。
• 润滑脂牌号：未知。

10 整体模块概览

下方两张照片展示了整套执行器拆开后平铺的状态，是对拆出零件最完整的单帧概览。

图 10-1完整拆解，视图 A，自左向右。第一排：第 1 级减速箱总成、转子（轴承侧）、主壳体、顶部保持板。第二排：带 PTFE 衬管的空心轴管、外挡圈、输出顶板、第 2 级减速箱总成。第三排：XT30 2+2 线束、PCB（逻辑侧）、PCB 后板、PCB 壳体。第四排：公制紧固件。

图 10-2完整拆解，视图 B，各零件翻面后，自左向右。第一排：第 1 级减速箱总成、转子（太阳轮侧）、主壳体内的定子、顶部保持板。第二排：带 PTFE 衬管的空心轴管、外挡圈、输出顶板、第 2 级减速箱总成。第三排：XT30 2+2 线束、PCB（功率侧）、PCB 后板（导热垫侧）、PCB 壳体。第四排：公制紧固件。

A 附录：零部件参考

紧固件

• 8 颗 M4 × 5 mm：交叉滚子轴承保持板。
• 4 颗 M4 × 5 mm：输出顶板。
• 6 颗 M3 × 5 mm：后板（执行器主体）。
• 4 颗 M3 × 5 mm：PCB 板。
• 4 颗 M2 × 4 mm：输出侧中央外挡圈。
• 1 颗 M3 × 5 mm：输出编码器的偏置齿轮。
• 多种 Torx 螺钉：转子杯到太阳轮板（6 颗）、太阳小齿轮到板（4 颗）、PCB 后屏蔽板。

垫片

• 8 片：厚 0.3 mm、外径 8 mm、内径 3.2 mm（第 1 级）。
• 8 片：厚 0.3 mm、外径 16 mm、内径 8.2 mm（第 2 级）。

轴承

• 减速箱壳体内的带防尘盖深沟球轴承，与第 1 级轮毂过渡配合。
• 第 1 级底部的带防尘盖深沟球轴承，与转子太阳轮过渡配合。
• 第 1 级太阳轮顶部的带防尘盖深沟球轴承，与第 2 级轮毂过渡配合。
• IKO CRBT505A 交叉滚子轴承，50 × 61 × 5 mm，压装在第 2 级轮毂上。
• 转子底部陶瓷轴承，安装在电机壳体内。
• 第 1 级滚针轴承：内径 3.2 mm × 外径约 6.5 mm × 长 6 mm，每个行星轮一个。
• 第 2 级滚针轴承：内径 8.1 mm × 外径 14 mm × 长 8 mm，每个行星轮一个。
• 转子孔内的滚针轴承，用于约束空心轴管。

齿轮齿数

• 第 1 级：太阳轮 16T，4 个 20T 行星轮，齿圈 56T，减速比 4.5:1。
• 第 2 级：太阳轮 12T，4 个 18T 行星轮，齿圈 48T，减速比 5.0:1。
• 总减速比：22.5:1。