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

同時(shí)，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(jī)器人的專用芯片，提升運(yùn)動(dòng)控制、認(rèn)知決策等計(jì)算效能，研發(fā)適用于人形機(jī)器人特點(diǎn)的高能效專用動(dòng)力組件。此后，各地區(qū)就人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化，出臺(tái)了相關(guān)政策提速人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

作為智能機(jī)器人的終極賽道，人形機(jī)器人能否真正像人一樣靈活運(yùn)動(dòng)，圍繞著自由度這個(gè)核心技術(shù)指標(biāo)。自由度越多，機(jī)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(jì)和控制硬件與算法。像人形機(jī)器人這種多關(guān)節(jié)的機(jī)器人，自由度和應(yīng)用在其中的電機(jī)有著很大關(guān)系。

多電機(jī)構(gòu)筑高自由度人形機(jī)器人

人形機(jī)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(shí)別、還是添加視覺識(shí)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(jī)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(yùn)動(dòng)的剛體所需要的獨(dú)立變量的個(gè)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(jī)器人。簡單一點(diǎn)理解，在人形機(jī)器人中，絕大部分時(shí)候可以把關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)模組的個(gè)數(shù)等同于自由度。

從人形機(jī)器人出現(xiàn)開始，機(jī)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(jī)器人，優(yōu)必選的Walker X用了41個(gè)高性能伺服驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，全身共41個(gè)自由度；小米Cyber one用的大力矩電機(jī)，有24個(gè)自由度；智元機(jī)器人遠(yuǎn)征A1用了多種電機(jī)與執(zhí)行器，全身49個(gè)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(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器，加上靈巧手，一共40個(gè)自由度。在最新的Optimus二代中，頸部又加入了2個(gè)關(guān)節(jié)，現(xiàn)在一共42個(gè)自由度。在最早的特斯拉Optimus設(shè)計(jì)里，設(shè)計(jì)了頸部的兩個(gè)關(guān)節(jié)，但在Optimus一代里被取消了，Optimus二代為了提高機(jī)器人感知范圍，將頸部自由度加了回來。

這42個(gè)伺服關(guān)節(jié)，因?yàn)樵谌诵螜C(jī)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(diǎn)來區(qū)分，可以大致分為兩類，即旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)27個(gè)（含空心杯靈巧手關(guān)節(jié)），直線關(guān)節(jié)15個(gè)。

這些關(guān)節(jié)里面，有著大量電機(jī)的應(yīng)用。不同扭矩的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)由無框力矩電機(jī)、諧波減速器、雙編碼器、力矩傳感器、驅(qū)動(dòng)器組成。不同力矩的直線關(guān)節(jié)由力矩電機(jī)、行星滾珠絲杠、單編碼器、力傳感器、驅(qū)動(dòng)器組成。靈巧手關(guān)節(jié)則用空心杯電機(jī)、多級(jí)行星減速器、蝸輪蝸桿、編碼器、驅(qū)動(dòng)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(jī)性能的前提下，對電機(jī)和執(zhí)行器進(jìn)行了減重優(yōu)化，并優(yōu)化了控制算法。這些高性能電機(jī)與配套組件的精密配合是高自由度人形機(jī)器人的基礎(chǔ)，也讓人形機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)靈活流暢地完成工作任務(wù)。

人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化加速拉升大扭矩?zé)o框力矩電機(jī)需求

靈巧手用的空心杯電機(jī)此前電子發(fā)燒友已經(jīng)做過報(bào)道，小尺寸大扭矩高效率電機(jī)是人形機(jī)器人電機(jī)重要的發(fā)展方向。多數(shù)人形機(jī)器人采用無框力矩電機(jī)本質(zhì)上也是因?yàn)闊o框力矩電機(jī)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(jī)是一種特殊的無框架式無刷永磁同步電機(jī)，以輸出扭矩為衡量指標(biāo)，作為一種特殊的伺服電機(jī)，無框力矩電機(jī)更高的極對數(shù)會(huì)提供更高扭矩。無框力矩電機(jī)同時(shí)也屬于直驅(qū)電機(jī)，直驅(qū)電機(jī)直接和運(yùn)動(dòng)執(zhí)行部分結(jié)合可以省去中間的傳動(dòng)環(huán)節(jié)，但對于人形機(jī)器人這種應(yīng)用，單靠電機(jī)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(jī)的無框設(shè)計(jì)體積緊湊，便于關(guān)節(jié)模組的高度集成化進(jìn)一步縮小體積，對整個(gè)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(jī)器人的任務(wù)需求，高轉(zhuǎn)矩密度和低轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的無框力矩電機(jī)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人關(guān)節(jié)輕量化和高精度流暢運(yùn)行的基礎(chǔ)。

根據(jù)Market Research數(shù)據(jù)，2022年全球無框力矩電機(jī)市場規(guī)模為6.69億美元，預(yù)計(jì)到2029年將達(dá)到 12.17 億美元。隨著國內(nèi)明確了人形機(jī)器人發(fā)展的目標(biāo)與時(shí)間點(diǎn)，人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化速度進(jìn)一步加快，無框力矩電機(jī)的需求進(jìn)一步擴(kuò)大，市場規(guī)模增速應(yīng)該會(huì)更高。

目前全球的無框力矩電機(jī)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(jī)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(jī)電、明志電器、禾川科技等。

步科在無框力矩電機(jī)上耕耘很久，在國內(nèi)是最早的一批，為了助力機(jī)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(jī)，集成度提高進(jìn)一步縮短了關(guān)節(jié)寬度；昊志機(jī)電采用獨(dú)創(chuàng)的模塊化定子結(jié)構(gòu)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的電機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)，提高了電機(jī)的冷卻效率，并進(jìn)一步提升了電機(jī)的輸出特性；雷賽智能近期也跟進(jìn)了無框力矩電機(jī)和微型驅(qū)動(dòng)器，目前正在試產(chǎn)試銷階段；匯川的無框式直驅(qū)電機(jī)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(jī)的能力。在人形機(jī)器人尚未實(shí)現(xiàn)完全產(chǎn)業(yè)化放量的時(shí)候，國內(nèi)各大廠商的無框力矩電機(jī)產(chǎn)能和性能暫時(shí)還沒有明顯的差距。隨著今明兩年人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化加速，市場格局會(huì)出現(xiàn)一些變化。

開發(fā)面向人形機(jī)器人的專用芯片，從通用到高集成專用

無框力矩電機(jī)的定制化程度相較于傳統(tǒng)的伺服電機(jī)肯定是更高的，《人形機(jī)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(jī)器人的專用芯片，提升運(yùn)動(dòng)控制、認(rèn)知決策等計(jì)算效能。從通用到專用，從分立到集成，是未來人形機(jī)器人驅(qū)控器件、芯片的發(fā)展方向。

在人形機(jī)器人設(shè)計(jì)中，每個(gè)關(guān)節(jié)模組都需要高效地驅(qū)動(dòng)，而高度集成的芯片也有助于實(shí)現(xiàn)模組的小型化和人形機(jī)器人輕量化。就關(guān)節(jié)內(nèi)的驅(qū)動(dòng)器來說，高集成度可以消除電機(jī)系統(tǒng)中實(shí)施時(shí)所需的芯片工藝角驗(yàn)證，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化。未來驅(qū)動(dòng)器還會(huì)通過集成更多主控中的功能，帶來更多驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)控制和驅(qū)動(dòng)器的集成，進(jìn)一步減少對控制資源的需求，簡化機(jī)器人應(yīng)用中電機(jī)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(jī)驅(qū)控的設(shè)計(jì)更能為人形機(jī)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(jī)到空心杯電機(jī)，人形機(jī)器人超出預(yù)期的發(fā)展給電機(jī)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(jī)會(huì)是重要的發(fā)展方向。同時(shí)，和人形機(jī)器人關(guān)節(jié)用電機(jī)配套的減速器、編碼器、力矩傳感器等部件，在人形機(jī)器人市場的加速成型下需求也將實(shí)現(xiàn)增長。