机器人驱动部件如何选型？一文看懂！（电机、减速器）

电子发烧友网报道（文/梁浩斌）人形机器人伴随AI技术的爆发，开始从实验室逐步迈入量产。Precedence Research预测，2032年全球人形机器人市场规模将超过2000亿元人民币，2022年到2032年市场规模复合年均增长率将达到33.3%。
 
从2024年开始，全球多家机器人公司推出全新的人形机器人硬件产品，AI大模型和强化学习技术的应用，则帮助人形机器人解决了运动算法的难题，解决了人形机器人运动稳定性问题后，自主AI能力的加入有机会真正实现“具身智能”。
 
那么对于现阶段还未实现“具身智能”的人形机器人来说，驱动机器人运动的部件是最核心的部分，下面我们简单剖析一下目前市场上主流的机器人驱动部件，了解不同部件的选型差异。
 
人形机器人驱动核心
 
根据目前现有的产品来看，按照动力来源的不同，驱动机器人运动的执行器可以主要分为液压和电机。在机器人研究初期也出现过一些气压驱动的机器人，气动在工业自动化中应用较多，但对于人形机器人来说，难以实现精准控制、驱动效率低，故逐渐被淘汰。
 
液压驱动机器人国内外都有研究，著名的波士顿动力的Atlas机器人就采用液压驱动，国内相关研究主要是大学实验室内开展的。另外近年还有波兰的Clone Robotics公司使用水和电力驱动，利用电水泵和微型阀门，向人造肌肉和血管系统以一定压力输送液体，驱动机器人肌肉系统运动。液压驱动结构简单，输出功率大，但相对维护和制造成本高，目前波士顿动力新一代 Atlas机器人已经从液压驱动转为电驱。

来源：长城证券

 
而电机能够实现精确的位置、速度和扭矩控制，这对于模仿人类复杂的关节运动和维持动态平衡至关重要。 与此同时电机的能量转换效率极高，且本身一些电机的功率密度也比较大，可以便于应用在人形机器人较小的结构空间内。成本方面，电机大规模量产的成本要相比其他驱动方式更低。总体来看电机更契合人形机器人对动态性能、可维护性及商业可行性的综合需求，因此成为目前人形机器人的主流驱动核心。
 
但电机直驱也难以满足机器人各种关节的扭矩需求，因此在实际的机器人应用中，驱动执行器除了电机外，还需要减速器、丝杠、编码器、力传感器等部件。

目前人形机器人上常用的电机可以分为力矩电机、空心杯电机、无框力矩电机、永磁同步电机这几种类型。
 
力矩电机：在结构上采用定子和转子轴向排列，体积较大但轴向尺寸紧凑；具备低速高扭输出能力，可以直接驱动，适合快速启停和精准控制。由于直驱的特性，力矩电机适合用于人形机器人的髋关节上。
 
无框力矩电机：相比力矩电机，无框力矩电机即简化了外壳结构，只提供定子和转子，电机需嵌入机器人机械结构中。一般需要与谐波减速器、编码器组合成紧凑关节模块。这种电机的优势在于扭矩密度高，散热也可以与机器人的结构共同优化，散热效率上限高，空间利用率高，同时保持高精度。在人形机器人中，无框力矩电机在灵巧手、膝关节等部分应用。
 
空心杯电机：转子采用空心杯形绕组，无铁芯的设计，重量极轻；转动惯量仅为传统电机的1/10，响应速度极快；无铁损，能量转换效率可达90%以上。总结就是有超轻量化，响应快，低噪音，无齿槽效应、效率高等优点，缺点则输出扭矩小，过载易烧毁，成本较高。因此空心杯电机适合一些小扭矩的场景，如医疗微型手术器械、昆虫仿生机器人等，在人形机器人上，灵巧手中也大量用到空心杯电机。
 
永磁同步电机：这是应用极为广泛的电机类型，新能源汽车、两轮电动车都有应用。主要的结构是嵌入永磁体的转子，以及三相绕组的定子，需要复杂算法对磁场进行定向控制。但优势明显，扭矩密度高、精度高、效率大于95%，在机器人领域，像工业机器人的机械臂、轮足机器人的轮毂驱动部分会使用到永磁同步电机。

减速器在机器人中，是连接电机和执行机构的关键部件，其核心作用是将电机的高速低扭矩输出转换为低速高扭矩输出，从而满足机器人关节对精准运动控制、高负载能力和稳定性的需求。减速器主要有四种类型：
 
谐波减速器：由波发生器、柔轮和刚轮组成，通过弹性变形传递运动，有高精度、高减速比、体积小、重量轻等优势；缺点是柔轮易疲劳，长期重载可能影响寿命。主要应用在小臂、腕部等关节。
 
RV（Rotary Vector旋转矢量）减速器：由两级减速（行星齿轮+摆线针轮）组成，具有高刚性、高扭矩、高精度的优势；缺点是体积较大。RV减速器主要应用在重型机器人的基座关节上，工业上应用较多。
 
行星减速器：由中心太阳轮、行星轮和外齿圈组成，多级齿轮啮合。具备中等的精度和负载能力，成本较低，结构紧凑；缺点是易磨损。适合中小型机器人使用，比如轻型的机械臂、服务型机器人等。
 
摆线针轮减速器（Cycloidal Drive）：是利用摆线盘和针齿的啮合实现减速，具备高减速比、高扭矩密度、抗冲击性强的优势，但加工难度高，成本高。