Uvnitř kloubu humanoida: motory, převodovky a proč na nich záleží

Humanoidní robot se pohybuje díky tomu, že každý jeho kloub obsahuje aktuátor: elektrický motor, obvykle spojený s převodovkou, která vyměňuje rychlost za sílu. Volba motoru a převodovky určuje většinu toho, čeho si publikum na akcích všimne: jak robot zní, jak se zahřívá, jak jemně reaguje na náraz, jak dlouho vydrží a kolik stojí. Tento výklad srozumitelně představuje hlavní konstrukce.

Co aktuátor vlastně je

Aktuátor je součást, která mění elektrickou energii v pohyb. Téměř u všech dnes vyráběných humanoidů jde o kompaktní elektrický motor, převod s redukcí, snímač polohy (enkodér) a malý budič motoru, to vše uložené v jednom modulu přímo v kloubu.

Společnost Unitree například uvádí u standardní verze svého humanoida G1 23 stupňů volnosti: šest v každé noze, pět v každé paži a jeden v pase. Na produktové stránce G1 výrobce popisuje kloubové motory jako nízkoinerciální, vysokootáčkové synchronní motory s permanentními magnety a vnitřním rotorem (PMSM), vybavené křížovými válečkovými ložisky a dvěma enkodéry na každý kloub. Každý stupeň volnosti potřebuje vlastní aktuátor, takže se v jednom robotu opakuje mnohokrát.

Proč je převodovka vůbec potřeba

Elektrické motory se točí rychle, ale vzhledem ke své velikosti vyvinou omezený točivý moment (otáčivou sílu). Koleno, které nese váhu robota, potřebuje pravý opak: velký moment při poměrně nízké rychlosti. Mezi tím zprostředkuje převodovka. Při převodovém poměru 10:1 se výstup otáčí desetkrát pomaleji než motor, ale s přibližně desetinásobným momentem, zmenšeným o ztráty třením.

Převodový poměr je kompromis. Vysoký poměr umožňuje malému a lehkému motoru udržet těžké zatížení, ale zvyšuje tření, násobí setrvačnost samotného motoru, jak ji kloub pociťuje, a činí kloub tuhým, pokud na něj působíte zvenčí. Nízký poměr udržuje kloub lehký a pohotový, ale klade větší nároky na motor. Kloub, který lze snadno otáčet vnější silou, inženýři nazývají zpětně hnatelný (backdrivable). Tato vlastnost je velmi důležitá u robotů, které při každém kroku dopadají na zem nebo se otírají o lidi.

Kvazipřímý pohon: velký motor, malá převodovka

Mnoho dynamických kráčejících robotů dnes používá tzv. kvazipřímé pohony (quasi-direct-drive, QDD). Myšlenkou je použít široký motor s vysokým momentem a jen mírnou redukci, často jediný planetový stupeň. Studie z roku 2025 o aktuátorech s jednostupňovou planetovou převodovkou pro kráčející roboty od Singha a kolegů shrnuje jejich přednosti: nízkou setrvačnost, vysokou účinnost a transparentnost, tedy schopnost motoru vnímat síly působící na chodidlo a reagovat na ně bez samostatného snímače síly. Stejná studie zkoumá poměry zhruba od 5:1 do 11:1, tedy mnohem nižší než u klasického průmyslového robotického ramene.

Pro kráčejícího robota jsou přínosy praktické. Když chodidlo dopadne, náraz se přenáší zpět přes převodovku do motoru. Kloub s nízkým poměrem mírně povolí a software může sílu změřit z proudu motoru, což pomáhá při udržování rovnováhy (viz náš výklad jak humanoidní roboti udržují rovnováhu).

QDD souvisí také s cenou. V článku z konference ICRA 2019 o kvazipřímém pohonu pro levnou manipulaci tým z Kalifornské univerzity v Berkeley tvrdil, že roboti v lidském prostředí musí být zároveň levnější a řízení silou, a popsal sedmikloubové rameno postavené na tomto přístupu, které by podle autorů mohlo stát méně než 5 000 USD.

Nevýhodou je teplo. Protože převodovka násobí moment jen málo, musí motor pracovat usilovně už jen proto, aby držel pozici. Studie z roku 2026 využívající Unitree G1 v abstraktu uvádí, že humanoidi s kvazipřímými pohony vytvářejí kloubový moment i ve stoje, na rozdíl od člověka, který může zamknout kolena nebo si sednout. Přidržovací moment znamená proud a proud znamená teplo ve vinutí motoru a zatížení baterie, i když se zdá, že robot nedělá nic.

Harmonické převodovky: přesné, kompaktní, s vysokým poměrem

Další běžnou převodovkou v robotice je vlnová převodovka (strain wave gear), široce známá pod obchodním názvem Harmonic Drive. Její výrobce vysvětluje princip fungování pomocí tří částí: eliptického vlnového generátoru s tenkým ložiskem, poddajného ocelového hrnce s vnějším ozubením, který se nazývá flexspline, a tuhého kruhového kola (circular spline) se dvěma zuby navíc oproti flexsplinu. Jak se vlnový generátor otáčí, ohýbá hrnec tak, že jeho zuby zabírají ve dvou protilehlých místech a každou půlotáčku popolezou o jeden zub dopředu.

Harmonic Drive uvádí, že to poskytuje velmi vysoký převodový poměr v malém, lehkém provedení s nulovou vůlí, protože zuby jsou podél hlavní osy stále v záběru. Vůle (backlash) je malá vůle mezi zuby ozubených kol, kvůli které se kloub při změně směru viklá nebo klepe.

Kompromisy jsou zrcadlovým obrazem QDD. Vysoký převodový poměr ztěžuje zpětné hnaní kloubu a snižuje schopnost vnímat vnější síly pouze prostřednictvím motoru. Flexspline je přesně obráběná součást, která se při každé otáčce ohýbá, takže je nutné respektovat její zatěžovací meze a životnost, a náhlé rázy, například pád, jsou pro konstruktéry známým problémem. V praxi mnoho humanoidů kombinuje oba přístupy: planetové klouby s nízkým poměrem v nohou a přesnější převody s vyšším poměrem v pažích a zápěstích.

Další typy převodů, o kterých uslyšíte

Třetí možností jsou cykloidní převodovky. Používají lalokový kotouč, který se odvaluje po věnci čepů, a konstruktéři je volí hlavně pro jejich odolnost vůči rázovému zatížení. Jako každá převodovka mají vlastní tření a dynamiku, které musí software modelovat, má-li robot přesně řídit sílu.

Poučení je, že žádná převodovka není zadarmo. Každé řešení posouvá kompromis mezi momentem, přesností, odolností, hmotností a tím, jak snadno software předpoví, co kloub udělá.

Lineární aktuátory a táhla

Ne každý kloub je poháněn rotačním motorem umístěným na ose kloubu. Někteří humanoidi používají lineární aktuátory, u nichž motor otáčí šroubem, který vysouvá a zasouvá tyč, podobně jako sval táhne za kost. Jiní umísťují motory výš na nohu a s kolenem nebo kotníkem je spojují pomocí tyčí a táhel.

Jednu takovou konstrukci popsali Ma a kolegové v článku z roku 2025 o kolenním kloubu s proměnným převodem. Lineární aktuátor pohání mechanismus s vodicí tyčí, jehož účinný převodový poměr klesá, jak se koleno napřimuje, takže na začátku výskoku poskytuje vysoký moment a na konci více rychlosti. Autoři uvádějí svislý výskok 0,5 m a skok do dálky 1,1 m s touto konstrukcí osazenou na humanoidovi.

Lineární aktuátory dokážou vyvinout velké síly ve štíhlém provedení a umožňují umístit těžké motory blíže k bokům, což odlehčuje bérec. Cenou je mechanická složitost: více součástí, více kloubů v táhlech a chování kloubu, které se mění s úhlem a hůře se řídí.

Jak se aktuátory projevují v hluku, teple, odolnosti a ceně

Pro každého, kdo staví humanoida před publikum, se výše popsaná technika projevuje čtyřmi praktickými způsoby.

• Hluk. Motory a jejich budiče vydávají kvílení, které s rychlostí stoupá, a ozubená kola vydávají zvuk při záběru. Tišší konstrukce existují, ale kráčející humanoid nikdy není zcela tichý a dopady chodidel přidávají vlastní dunění, které je důležité pro řeč a natáčení (viz řeč, jazyky a hlučná místa konání).
• Teplo. Klouby se při trvalém zatížení zahřívají, zejména při držení póz. Výrobci zabudovávají tepelné limity a robot může zpomalit nebo potřebovat odpočinek, když k nim aktuátory dospějí. Horké místnosti, scénická světla a přímé slunce rezervu zmenšují, což popisuje náš průvodce akcemi pod širým nebem, počasím a horkem.
• Odolnost. Pády, opakované skoky a taneční sestavy ozubená kola a ložiska silně zatěžují a aktuátory jsou opotřebitelné díly.
• Cena a schopnosti. Moment roste s velikostí a cenou motoru. Unitree uvádí maximální moment kolena 90 N·m u standardního G1 a 120 N·m u verze EDU, přičemž standardní katalogová cena je 13 500 USD bez daně a dopravy. Na stránce H1 je větší model H1 uveden s přibližně 360 N·m v kolenu a hmotností zhruba 47 kg, se špičkovou hustotou momentu aktuátoru 189 N·m/kg. Větší a silnější klouby znamenají těžší a dražší roboty.

Přechod k elektrickým aktuátorům je patrný v celém odvětví. Když Boston Dynamics vyřadila svého hydraulického Atlase a v dubnu 2024 představila plně elektrického nástupce, zpráva IEEE Spectrum o elektrickém Atlasovi uvedla, že nový robot běží na baterie a elektrické aktuátory místo hydrauliky a že podle firmy bude silnější a bude mít širší rozsah pohybu než předchozí generace. Bateriový elektrický pohon přímo souvisí i s dobou provozu, kterou vysvětlujeme v článku proč humanoidi běží jen několik hodin.

Co to znamená pro pořadatele akcí

• Ptejte se na pracovní cyklus, nejen na funkce. Vystoupení s dlouhými pózami, opakovanými skoky nebo dlouhým tancem zatěžuje aktuátory víc než chůze a mávání. Zeptejte se dodavatele, jak dlouho robot vydrží plánované vystoupení, než bude potřebovat pauzu.
• Počítejte s teplem. Naplánujte přestávky v dlouhých programech, pokud možno držte robota mimo přímé slunce a horká scénická světla a zahrňte odpočinek do harmonogramu.
• Vyzkoušejte zvuk ve svém prostoru. Pokud bude robot mluvit nebo se bude natáčet zblízka, zahrňte zvukovou zkoušku s pohybujícím se robotem, nejen se stojícím.
• Berte pád jako mechanickou událost. Pád může poškodit klouby, i když robot znovu vstane. Dohodněte se s dodavatelem, jak se bude řešit pád během akce a zda je k dispozici záložní jednotka.
• Srovnávejte srovnatelné. Dva podobně vyhlížející roboti mohou mít velmi odlišný moment v kloubech a odolnost. Při posuzování nabídek používejte pro každou stejné zadání a stejné otázky, jak popisuje článek jak porovnávat nabídky pronájmu robotů.

Časté otázky

Co je kvazipřímý pohon (quasi-direct-drive) u robota?

Je to kloubový modul, který kombinuje poměrně velký elektrický motor s vysokým momentem a malou redukcí, často jediným planetovým stupněm. Nízký poměr udržuje kloub lehký a snadno pohyblivý zvenčí, takže motor dokáže vnímat a pohlcovat síly, například dopady chodidel. Cenou je, že motor musí více pracovat, aby udržel pozici, což vytváří více tepla a spotřebovává více baterie.

Proč humanoidní roboti kvílejí?

Zvuk pochází většinou z elektrických motorů a jejich řídicí elektroniky, které kvílejí na výšce tónu závislé na rychlosti, a ze záběru ozubených kol uvnitř kloubů. Dopady chodidel při chůzi přidávají dunění. Hlasitost se liší podle modelu a pohybu, proto je záhodno slyšet robota při pohybu přímo na místě konání, než se rozhodnete, kde bude vystupovat nebo mluvit.

Co je harmonická převodovka a proč se používá v robotech?

Harmonická převodovka, neboli vlnová převodovka, používá eliptický vlnový generátor, který ohýbá tenký ozubený ocelový hrnec uvnitř tuhého ozubeného věnce. Poskytuje vysoký převodový poměr v malém, lehkém provedení a podle výrobce má nulovou vůli. Hodí se proto pro přesné klouby, jako jsou paže a zápěstí, i když klouby s vysokým poměrem se hůře hnají zpětně.

Proč se humanoidní roboti během akcí zahřívají?

Elektrické motory mění proud v moment a proud vytváří teplo ve vinutí. Humanoidi s aktuátory s nízkým poměrem vyvíjejí moment i ve stoje, takže se jejich klouby zahřívají při dlouhých pózách, opakovaných skocích nebo tanci. Teplé místnosti, scénická světla a slunce zmenšují rezervu chlazení a robot může zpomalit nebo potřebovat pauzu, když dosáhne tepelných limitů.

Jak článek vznikl: napsala ho redakce humanoid4rent s pomocí AI; každé faktické tvrzení jsme 2026-11-04 ověřili ve zdrojích uvedených níže. Našli jste chybu? Napište na info@humanoid4rent.com.