高自由度人形机器人电机分析，无框力矩电机构筑大扭矩灵活关节

电子发烧友网报道（文/李宁远）去年工信部印发了《人形机器人创新发展指导意见》，意见中指出人形机器人将成为继计算机、智能手机、新能源汽车后的颠覆性产品，并明确了人形机器人发展的目标与时间点。
 
同时，该意见指出要发展高功率密度执行器，开发面向人形机器人的专用芯片，提升运动控制、认知决策等计算效能，研发适用于人形机器人特点的高能效专用动力组件。此后，各地区就人形机器人产业化，出台了相关政策提速人形机器人产业化发展。
 
作为智能机器人的终极赛道，人形机器人能否真正像人一样灵活运动，围绕着自由度这个核心技术指标。自由度越多，机器人的通用性和灵活性通常也越好，也需要更好的结构设计和控制硬件与算法。像人形机器人这种多关节的机器人，自由度和应用在其中的电机有着很大关系。
 
多电机构筑高自由度人形机器人
 
人形机器人的发展可以说有着很大的想象空间，不论是添加语音识别、还是添加视觉识别，甚至是融入大模型，都可以让其功能更丰富。但归根结底机器人能不能执行更多任务，还是要看其自由度。
 
自由度定义是描述空间运动的刚体所需要的独立变量的个数，构件和不同的关节组合构成不同自由度的机器人。简单一点理解，在人形机器人中，绝大部分时候可以把关节驱动模组的个数等同于自由度。
 
从人形机器人出现开始，机器人技术核心围绕的一直是自由度。简单看一下目前国内已经发布的几款人形机器人，优必选的Walker X用了41个高性能伺服驱动关节，全身共41个自由度；小米Cyber one用的大力矩电机，有24个自由度；智元机器人远征A1用了多种电机与执行器，全身49个自由度。
 
最受关注的肯定还是特斯拉的Optimus，Optimus一代躯干共有28个关节驱动器，加上灵巧手，一共40个自由度。在最新的Optimus二代中，颈部又加入了2个关节，现在一共42个自由度。在最早的特斯拉Optimus设计里，设计了颈部的两个关节，但在Optimus一代里被取消了，Optimus二代为了提高机器人感知范围，将颈部自由度加了回来。
 
这42个伺服关节，因为在人形机器人上使用的位置不一样，需要完成的功能不同，相应的输出特性也有较大差异，如输出扭矩、输出速度、定位精度、旋转刚度等等。笼统一点来区分，可以大致分为两类，即旋转关节27个（含空心杯灵巧手关节），直线关节15个。
 
这些关节里面，有着大量电机的应用。不同扭矩的旋转关节由无框力矩电机、谐波减速器、双编码器、力矩传感器、驱动器组成。不同力矩的直线关节由力矩电机、行星滚珠丝杠、单编码器、力传感器、驱动器组成。灵巧手关节则用空心杯电机、多级行星减速器、蜗轮蜗杆、编码器、驱动器组成。
 
在已公布的Optimus二代的最新演示中，更流畅的行走姿态控制和轻松准确的灵巧手操作也说明特斯拉在不牺牲电机性能的前提下，对电机和执行器进行了减重优化，并优化了控制算法。这些高性能电机与配套组件的精密配合是高自由度人形机器人的基础，也让人形机器人能够实现灵活流畅地完成工作任务。
 
人形机器人产业化加速拉升大扭矩无框力矩电机需求
 
灵巧手用的空心杯电机此前电子发烧友已经做过报道，小尺寸大扭矩高效率电机是人形机器人电机重要的发展方向。多数人形机器人采用无框力矩电机本质上也是因为无框力矩电机在大扭矩、高效率、轻量化、集成化上的优异特性。
 
无框力矩电机是一种特殊的无框架式无刷永磁同步电机，以输出扭矩为衡量指标，作为一种特殊的伺服电机，无框力矩电机更高的极对数会提供更高扭矩。无框力矩电机同时也属于直驱电机，直驱电机直接和运动执行部分结合可以省去中间的传动环节，但对于人形机器人这种应用，单靠电机的扭矩直驱仍然不够看，所以还是配上减速器用转速去换扭矩。
 
除了扭矩大，无框力矩电机的无框设计体积紧凑，便于关节模组的高度集成化进一步缩小体积，对整个模组空间更小的占用也能帮助提高关节模组的效率。为了适应人形机器人的任务需求，高转矩密度和低转矩波动的无框力矩电机是实现机器人关节轻量化和高精度流畅运行的基础。
 
根据Market Research数据，2022年全球无框力矩电机市场规模为6.69亿美元，预计到2029年将达到 12.17 亿美元。随着国内明确了人形机器人发展的目标与时间点，人形机器人产业化速度进一步加快，无框力矩电机的需求进一步扩大，市场规模增速应该会更高。
 
目前全球的无框力矩电机市场主要厂商包括科尔摩根、TQ-RoboDrive、Aerctech、Parher、Allied Motion、TECNOTIO、Parker等。无框力矩电机最早由科尔摩根的前身公司发明，目前在领域内也是最具技术领先优势的。国内目前有步科股份、汇川技术、雷赛智能、昊志机电、明志电器、禾川科技等。
 
步科在无框力矩电机上耕耘很久，在国内是最早的一批，为了助力机器人行业的发展，目前也是推出了首创无框灌封工艺、高度集成的第三代无框力矩电机，集成度提高进一步缩短了关节宽度；昊志机电采用独创的模块化定子结构和创新设计的电机冷却结构，提高了电机的冷却效率，并进一步提升了电机的输出特性；雷赛智能近期也跟进了无框力矩电机和微型驱动器，目前正在试产试销阶段；汇川的无框式直驱电机也在不断提高功率密度。
 
此外，国内做减速器的厂商也有做配套无框力矩电机的能力。在人形机器人尚未实现完全产业化放量的时候，国内各大厂商的无框力矩电机产能和性能暂时还没有明显的差距。随着今明两年人形机器人产业化加速，市场格局会出现一些变化。
 
开发面向人形机器人的专用芯片，从通用到高集成专用
 
无框力矩电机的定制化程度相较于传统的伺服电机肯定是更高的，《人形机器人创新发展指导意见》中也明确指出开发面向人形机器人的专用芯片，提升运动控制、认知决策等计算效能。从通用到专用，从分立到集成，是未来人形机器人驱控器件、芯片的发展方向。
 
在人形机器人设计中，每个关节模组都需要高效地驱动，而高度集成的芯片也有助于实现模组的小型化和人形机器人轻量化。就关节内的驱动器来说，高集成度可以消除电机系统中实施时所需的芯片工艺角验证，能够实现系统的进一步优化。未来驱动器还会通过集成更多主控中的功能，带来更多驱动上的创新。
 
而主控部分也在往集成化方向转变，而且还是在高水平下实现控制和驱动器的集成，进一步减少对控制资源的需求，简化机器人应用中电机控制系统的开发。从通用到专用的转变，也是为了让高效率、低功耗和小尺寸特性凸显，而且专门针对电机驱控的设计更能为人形机器人提供优秀性能和稳定性。
 
写在最后
 
从无框力矩电机到空心杯电机，人形机器人超出预期的发展给电机行业的发展打开了更多市场空间，更高效、更大功率密度、更优异输出特性、更紧凑的电机会是重要的发展方向。同时，和人形机器人关节用电机配套的减速器、编码器、力矩传感器等部件，在人形机器人市场的加速成型下需求也将实现增长。