灵巧手成为机器人竞争下半场，但空心杯电机要失宠了？

电子发烧友网报道（文/吴子鹏）当前，在人形机器人的发布会现场，机器人手部展示已经成为重点，尤其是手部的准确性和自由度展示。近日，特斯拉CEO埃隆·马斯克在透露下一代人形机器人Optimus（擎天柱）细节时也特别谈到了灵巧手。他表示，下一代Optimus的手部将有22个自由度，前一代版本拥有11个自由度，“它看起来非常像人类的手，可以弹钢琴，甚至可以弹吉他。”

 
从10+自由度到20+自由度，是机器人灵巧手下一步升级的主流趋势，可以让机械臂和机器人在科研、通用泛化、工业和服务场景有更加广泛的应用，也能够进一步替代传统人类的工作。
 
作为灵巧手的核心零部件，电机驱动在机器人这一波升级中将迎来巨大的市场机遇，因为手部自由度的增加也就意味着电机驱动系统数量的增加，因此灵巧手对于电机用量的带动是非常明显的，将会进一步推动电机技术发展。
 

第二代Optimus灵巧手放弃空心杯电机？

在Optimus官方账号发布第二代Optimus展示视频不久，有分析师表示，特斯拉Optimus第二代人形机器人相比第一代，灵巧手的电机数量翻倍，腱绳长度增长10倍，但第二代灵巧手用空心杯电机的必要性下降，空心杯电机虽体积小、启动速度快、转速高，但力量不够大，而特斯拉要做力量更大的高负载灵巧手，普通带铁芯的直流无刷电机（BLDC）也可满足需求。
 
目前，灵巧手动力源可分为电机驱动、气压驱动（气动）、液压驱动与形状记忆合金驱动。其中，电机驱动的优势是驱动力大、控制精度高、响应速度快、模块化设计、易于更换和维护，此外电机驱动有利于控制芯片实现模块化控制，因此目前电机驱动是灵巧手设计的主流方式。
 
在上一波灵巧手设计上，空心杯电机是厂商的主流选择。空心杯电机是一种采用无铁芯转子的直流永磁伺服控制电动机，其电枢绕组为空心杯线圈，形状类似水杯，因此被称为“空心杯电机”。
 
作为微特电机的一种，空心杯电机重量和转动惯量大幅降低，从而减少定/转子自身的机械能损耗。由于定转子结构变化而使电机的运转特性得到极大改善，节能表现也更加突出，还具备铁芯电机所无法达到的控制和拖动特性。此外，由于体积大幅缩小，空心杯电机的能量密度比其他电机大得多，与同等功率的铁芯电机相比，重量可减轻一半。得益于这些优势，空心杯电机被认为是目前市场上性能最为卓越的电机解决方案之一，成为人形机器人灵巧手的理想选择。
 
在上一代Optimus人形机器人上，空心杯关节由空心杯电机+多级行星减速器+蜗轮蜗杆+位置传感器（双编）+驱动器+金属腱绳构成。其中，空心杯电机是其灵巧手中的核心零部件，Optimus单只灵巧手主要有6个空心杯关节（空心杯驱动器/执行器）驱动，大拇指三个自由度，相比其余手指多了一个内收外展的自由度，由两个执行器驱动，其余手指均为两个自由度，分别由一个执行器驱动。
 
从供应来看，目前空心杯电机的供应主要还是依赖国际厂商，市场的主要份额也基本集中在MAXOON和Faulhaber等国际头部空心杯厂商。天风证券此前在研报中指出，无刷空心杯电机海外以MAXON做得较好，国内鸣志电器、鼎智科技、恒帅股份可做，预计特斯拉量产后，单个人形机器人空心杯电机价值量=600元*12个手部关节算=0.7万元。
 
综上所述，得益于体积小、转速高、响应快、精度高等优势，空心杯电机在人形机器人灵巧手方面的应用依然前景大好。
 

BLDC会成为灵巧手的新宠？

虽然空心杯电机的优势非常多，不过在特斯拉看来空心杯电机的力量不够大，因此BLDC是更好的选择。
 
虽然有铁芯，不过BLDC仍然具有很多突出的优势。比如，BLDC电机具有高效率的优势，其采用了‌电子控制器，可以更精确地控制电流和转矩，从而提高电机的效率；具有高可靠性的优势，由于没有刷子，BLDC电机的维护要求较低，寿命更长；具有高速度范围的优势，BLDC电机可以在广泛的转速范围内运行；具有‌‌动态响应高的优势，由于定子中的低惯性和承载绕组，BLDC电机的动态响应更高；具有体积小的优势，且重量也很轻。
 
在人形机器人领域，无框型BLDC应用广泛，无框电机去除了多余的组件，工程师可直接将外壳、轴承、轴、联轴器及其他组件集成到极为紧凑的应用设计中。因此，理论上无框电机也可以用于灵巧手设计，比如科尔摩根指出，在紧凑型执行器的应用中，无框电机支持紧凑强大的执行器设计，无论是直接驱动负载还是通过紧凑的谐波、行星或摆线减速机，都能实现充分紧密的运动控制集成。
 
不过，就像上面谈到的，空心杯电机对于有铁芯电机的优势是非常明显的，即便是无框型BLDC，想要达到空心杯电机的设计效果，还需要很多方面的优化。同时，为了得到更好的控制效果，基于通用MCU的BLDC控制恐怕难以满足灵巧手的需求，专用控制芯片预计将是更好的方案。在专用控制芯片里，设计人员可以根据应用，灵活集成PWM控制器、电流感应、位置传感接口和保护电路等外围器件。
 
因此，BLDC是否会成为灵巧手的新宠，还要看新一代Optimus人形机器人在灵巧手方面的表现。
 

结语

空心杯电机具有体积小、转速高、响应快、精度高等优势，因此在上一代人形机器人的灵巧手打造上，空心杯电机是主流方案，并得到了行业的一致好评。不过，现在特斯拉认为空心杯电机力量不足，因此想要将BLDC作为灵巧手的主要电机，成效如何，我们拭目以待。