電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/李寧遠）去年工信部印發(fā)了《人形機器人創(chuàng)新發(fā)展指導(dǎo)意見》，意見中指出人形機器人將成為繼計算機、智能手機、新能源汽車后的顛覆性產(chǎn)品，并明確了人形機器人發(fā)展的目標(biāo)與時間點。

同時，該意見指出要發(fā)展高功率密度執(zhí)行器，開發(fā)面向人形機器人的專用芯片，提升運動控制、認(rèn)知決策等計算效能，研發(fā)適用于人形機器人特點的高能效專用動力組件。此后，各地區(qū)就人形機器人產(chǎn)業(yè)化，出臺了相關(guān)政策提速人形機器人產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

作為智能機器人的終極賽道，人形機器人能否真正像人一樣靈活運動，圍繞著自由度這個核心技術(shù)指標(biāo)。自由度越多，機器人的通用性和靈活性通常也越好，也需要更好的結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制硬件與算法。像人形機器人這種多關(guān)節(jié)的機器人，自由度和應(yīng)用在其中的電機有著很大關(guān)系。

多電機構(gòu)筑高自由度人形機器人

人形機器人的發(fā)展可以說有著很大的想象空間，不論是添加語音識別、還是添加視覺識別，甚至是融入大模型，都可以讓其功能更豐富。但歸根結(jié)底機器人能不能執(zhí)行更多任務(wù)，還是要看其自由度。

自由度定義是描述空間運動的剛體所需要的獨立變量的個數(shù)，構(gòu)件和不同的關(guān)節(jié)組合構(gòu)成不同自由度的機器人。簡單一點理解，在人形機器人中，絕大部分時候可以把關(guān)節(jié)驅(qū)動模組的個數(shù)等同于自由度。

從人形機器人出現(xiàn)開始，機器人技術(shù)核心圍繞的一直是自由度。簡單看一下目前國內(nèi)已經(jīng)發(fā)布的幾款人形機器人，優(yōu)必選的Walker X用了41個高性能伺服驅(qū)動關(guān)節(jié)，全身共41個自由度；小米Cyber one用的大力矩電機，有24個自由度；智元機器人遠征A1用了多種電機與執(zhí)行器，全身49個自由度。

最受關(guān)注的肯定還是特斯拉的Optimus，Optimus一代軀干共有28個關(guān)節(jié)驅(qū)動器，加上靈巧手，一共40個自由度。在最新的Optimus二代中，頸部又加入了2個關(guān)節(jié)，現(xiàn)在一共42個自由度。在最早的特斯拉Optimus設(shè)計里，設(shè)計了頸部的兩個關(guān)節(jié)，但在Optimus一代里被取消了，Optimus二代為了提高機器人感知范圍，將頸部自由度加了回來。

這42個伺服關(guān)節(jié)，因為在人形機器人上使用的位置不一樣，需要完成的功能不同，相應(yīng)的輸出特性也有較大差異，如輸出扭矩、輸出速度、定位精度、旋轉(zhuǎn)剛度等等。籠統(tǒng)一點來區(qū)分，可以大致分為兩類，即旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)27個（含空心杯靈巧手關(guān)節(jié)），直線關(guān)節(jié)15個。

這些關(guān)節(jié)里面，有著大量電機的應(yīng)用。不同扭矩的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)由無框力矩電機、諧波減速器、雙編碼器、力矩傳感器、驅(qū)動器組成。不同力矩的直線關(guān)節(jié)由力矩電機、行星滾珠絲杠、單編碼器、力傳感器、驅(qū)動器組成。靈巧手關(guān)節(jié)則用空心杯電機、多級行星減速器、蝸輪蝸桿、編碼器、驅(qū)動器組成。

在已公布的Optimus二代的最新演示中，更流暢的行走姿態(tài)控制和輕松準(zhǔn)確的靈巧手操作也說明特斯拉在不犧牲電機性能的前提下，對電機和執(zhí)行器進行了減重優(yōu)化，并優(yōu)化了控制算法。這些高性能電機與配套組件的精密配合是高自由度人形機器人的基礎(chǔ)，也讓人形機器人能夠?qū)崿F(xiàn)靈活流暢地完成工作任務(wù)。

人形機器人產(chǎn)業(yè)化加速拉升大扭矩?zé)o框力矩電機需求

靈巧手用的空心杯電機此前電子發(fā)燒友已經(jīng)做過報道，小尺寸大扭矩高效率電機是人形機器人電機重要的發(fā)展方向。多數(shù)人形機器人采用無框力矩電機本質(zhì)上也是因為無框力矩電機在大扭矩、高效率、輕量化、集成化上的優(yōu)異特性。

無框力矩電機是一種特殊的無框架式無刷永磁同步電機，以輸出扭矩為衡量指標(biāo)，作為一種特殊的伺服電機，無框力矩電機更高的極對數(shù)會提供更高扭矩。無框力矩電機同時也屬于直驅(qū)電機，直驅(qū)電機直接和運動執(zhí)行部分結(jié)合可以省去中間的傳動環(huán)節(jié)，但對于人形機器人這種應(yīng)用，單靠電機的扭矩直驅(qū)仍然不夠看，所以還是配上減速器用轉(zhuǎn)速去換扭矩。

除了扭矩大，無框力矩電機的無框設(shè)計體積緊湊，便于關(guān)節(jié)模組的高度集成化進一步縮小體積，對整個模組空間更小的占用也能幫助提高關(guān)節(jié)模組的效率。為了適應(yīng)人形機器人的任務(wù)需求，高轉(zhuǎn)矩密度和低轉(zhuǎn)矩波動的無框力矩電機是實現(xiàn)機器人關(guān)節(jié)輕量化和高精度流暢運行的基礎(chǔ)。

根據(jù)Market Research數(shù)據(jù)，2022年全球無框力矩電機市場規(guī)模為6.69億美元，預(yù)計到2029年將達到 12.17 億美元。隨著國內(nèi)明確了人形機器人發(fā)展的目標(biāo)與時間點，人形機器人產(chǎn)業(yè)化速度進一步加快，無框力矩電機的需求進一步擴大，市場規(guī)模增速應(yīng)該會更高。

目前全球的無框力矩電機市場主要廠商包括科爾摩根、TQ-RoboDrive、Aerctech、Parher、Allied Motion、TECNOTIO、Parker等。無框力矩電機最早由科爾摩根的前身公司發(fā)明，目前在領(lǐng)域內(nèi)也是最具技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢的。國內(nèi)目前有步科股份、匯川技術(shù)、雷賽智能、昊志機電、明志電器、禾川科技等。

步科在無框力矩電機上耕耘很久，在國內(nèi)是最早的一批，為了助力機器人行業(yè)的發(fā)展，目前也是推出了首創(chuàng)無框灌封工藝、高度集成的第三代無框力矩電機，集成度提高進一步縮短了關(guān)節(jié)寬度；昊志機電采用獨創(chuàng)的模塊化定子結(jié)構(gòu)和創(chuàng)新設(shè)計的電機冷卻結(jié)構(gòu)，提高了電機的冷卻效率，并進一步提升了電機的輸出特性；雷賽智能近期也跟進了無框力矩電機和微型驅(qū)動器，目前正在試產(chǎn)試銷階段；匯川的無框式直驅(qū)電機也在不斷提高功率密度。

此外，國內(nèi)做減速器的廠商也有做配套無框力矩電機的能力。在人形機器人尚未實現(xiàn)完全產(chǎn)業(yè)化放量的時候，國內(nèi)各大廠商的無框力矩電機產(chǎn)能和性能暫時還沒有明顯的差距。隨著今明兩年人形機器人產(chǎn)業(yè)化加速，市場格局會出現(xiàn)一些變化。

開發(fā)面向人形機器人的專用芯片，從通用到高集成專用

無框力矩電機的定制化程度相較于傳統(tǒng)的伺服電機肯定是更高的，《人形機器人創(chuàng)新發(fā)展指導(dǎo)意見》中也明確指出開發(fā)面向人形機器人的專用芯片，提升運動控制、認(rèn)知決策等計算效能。從通用到專用，從分立到集成，是未來人形機器人驅(qū)控器件、芯片的發(fā)展方向。

在人形機器人設(shè)計中，每個關(guān)節(jié)模組都需要高效地驅(qū)動，而高度集成的芯片也有助于實現(xiàn)模組的小型化和人形機器人輕量化。就關(guān)節(jié)內(nèi)的驅(qū)動器來說，高集成度可以消除電機系統(tǒng)中實施時所需的芯片工藝角驗證，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的進一步優(yōu)化。未來驅(qū)動器還會通過集成更多主控中的功能，帶來更多驅(qū)動上的創(chuàng)新。

而主控部分也在往集成化方向轉(zhuǎn)變，而且還是在高水平下實現(xiàn)控制和驅(qū)動器的集成，進一步減少對控制資源的需求，簡化機器人應(yīng)用中電機控制系統(tǒng)的開發(fā)。從通用到專用的轉(zhuǎn)變，也是為了讓高效率、低功耗和小尺寸特性凸顯，而且專門針對電機驅(qū)控的設(shè)計更能為人形機器人提供優(yōu)秀性能和穩(wěn)定性。

寫在最后

從無框力矩電機到空心杯電機，人形機器人超出預(yù)期的發(fā)展給電機行業(yè)的發(fā)展打開了更多市場空間，更高效、更大功率密度、更優(yōu)異輸出特性、更緊湊的電機會是重要的發(fā)展方向。同時，和人形機器人關(guān)節(jié)用電機配套的減速器、編碼器、力矩傳感器等部件，在人形機器人市場的加速成型下需求也將實現(xiàn)增長。