摘要：人形机器人采用电机作为动力源，存在独特的功能诉求。电驱动是目前人形机器人最常见的驱动方式，通常包括旋转驱动、直线驱动以及线驱动（腱绳驱动）。在塑造机器人结构和动态运动场景下，其作为关键的动力部件，需要满足相关条件以符合人形机器人关节的功能诉求。例如：
1、电机驱动塑造人形机器人，具有独特的功能诉求
人形机器人采用电机作为动力源，存在独特的功能诉求。电驱动是目前人形机器人最常见的驱动方式，通常包括旋转驱动、直线驱动以及线驱动（腱绳驱动）。在塑造机器人结构和动态运动场景下，其作为关键的动力部件，需要满足相关条件以符合人形机器人关节的功能诉求。例如：
（1）由于机器人关节常在较低速输出大转矩，需要采用电机与传动部件配合构成关节执行器；
（2）由于机器人关节在与环境进行物理交互的过程中涉及短接触时间内的高力矩输出，需要电机在短时间内具有极强的过载能力;
（3）由于机器人关节处于频繁的加减速、往复旋转运动中，需要电机具有较好的动态响应性能；
（4）由于机器人常与非结构化环境频繁地交互，需要电机具有良好的抗扰性能和抗冲击性能；
（5）由于机器人特定的形体限制了其关节空间，需要电机具有较高的转矩密度和功率密度。
除了功能诉求外，机器人整体结构的对电机的尺寸和结构也提出了相关的要求。从目前应用来看，无框力矩电机和空心杯电机率先脱颖而出。
无框力矩电机结构紧凑，重量低，性能出色，仅包括转子和定子两个组件，无轴、轴承和端部，高度契合人形机器人结构。无框力矩电机实质上是基于机电一体化的理念集成的一体化关节模组。其转子可直接与关节外壳、减速器或弹性元件集成，降低了轴向长度和重量，提高了伺服电机的转矩密度和响应速度。同时，由于紧凑的结构，可以安装于关节间连杆的腔体内，实现高转矩和高精度。目前，不同企业的技术路线差异较大、各有优势。国内的无框力矩电机产业起步较晚，在包括充磁/灌封/绕线技术、过载设计及轻量化设计方面存在一定的差距。
空心杯电机属于一种特殊的永磁伺服电机，结构小、质量低，十分适合应用于尺寸小且精度和灵活性要求高的机器人灵巧手。空心杯是指该类有刷电机没有转子铁芯，电枢直接由绕组线圈绕成杯状，由电枢支架支撑与固定。
由于空心杯电机的转子为无铁心的圆筒形绕组，转子的质量和惯量小、不存在铁耗和齿槽转矩。因此，空心杯电机具有转矩波动低、运行稳定、效率高和动态响应性好等优点。空心杯电机的优势与特点可以很好的被高精尖的机电一体化系统所吸纳。从海里到地面，再到太空，普通环境及严苛外界条件的应用场景都离不开空心杯电机的身影。
空心杯电机适用领域众多，为解决不同应用场景下的问题具有较大的实用价值。在人形机器人身上，则与手部的功能需求高度匹配。目前，机器人关节用空心杯电机的直径主要集中在 10mm 左右，以小微型为主流。空心杯电机产业在国外发展较早，包括瑞士 Maxon、德国 Faulhaber、瑞士 Portescap 等厂商占据主要市场；国内的产业起步较晚、技术相对薄弱，尤其在小尺寸范围(8mm 及以下)落后于国外企业。
2、性能需求指导设计是未来发展重点
在人形机器人全身关节解决方案中，不同位置上的关节处理方案并不相同，形成的相关结构存在差异。特斯拉Optimus全身伺服关节方案中，包括了旋转关节、直线关节、空心杯电机三大类，总共有 14 个旋转关节、14 个直线关节和 12 个空心杯电机。旋转关节分布在肩部（6 个），腕部（2 个），髋部（4 个），躯干（2 个）；直接关节分布在肘部 2 个，腕部 4 个，髋部 2 个，膝部 2 个，踝部 4 个；而空心杯电机均分布在灵巧手上。在旋转关节和直线关节上，主要采用了无框力矩电机结合不同的机械部件形成关节模组；而空心杯电机则应用在灵巧手上，并结合了其他的机械部件。从特斯拉的方案可以看出，全身不同处关节处理方案是不同的，结构也存在较大差异，本质上是由于全身各个关节承担的功能作用不同。
特斯拉身体执行器分布
不同传动部件形成的结构会赋予电机不同的特点，不同位置的关节执行器输出特性存在差异，从而对伺服电机的电磁性能、传感器需求和控制策略不同。按照传动部件类型分类，关节执行器主要可以分为三种类型，柔性执行器、弹性执行器和准直驱执行器。柔性执行器一般由“电机+高减速比减速器”构成，通过高减速比减速器大大提高了输出扭矩，因此对电机本身的转矩需求较低，但易引发机械谐振，从而影响控制精度。
弹性执行器在柔性执行器的基础上增加了弹性元件，抗强冲击性能出色，同时能高效实现高峰值扭矩，因此对电机本身峰值转矩需求较低，但其动态响应性能较一般，难以实现机器人灵活的运动调整。准直驱执行器则一般由“高转矩密度电机+低减速比减速器”构成，低减速比减速器的非线性误差和静摩擦力都较小，可实现较高精度的转矩控制，但对转矩的提高有限，对电机本身的转矩需求要求较高。
此外，传动部件组合架构对伺服电机的尺寸、形状形成约束，导致整体性能输出特性也存在差异。目前机器人关节执行器的传动部件组合架构有如下三种类型：①并轴级联式：电机输出轴与减速器沿径向排列，输出轴非同轴；②同轴串联式：电机与减速器沿同轴排列；③同轴内嵌式：电机与减速器同轴排列，减速器嵌入电机内。
除了执行器整体结构和组合架构对电机输出性能产生差异外，电机本身的拓扑结构也不同，从而对电机性能、尺寸等方面的要求也不同。不同拓扑结构类型的电机与不同的传动部件配合也会产生不一样的效果。目前，常见的机器人关节电机拓扑包括内转子径向磁通永磁电机、外转子径向磁通永磁电机和轴向磁通永磁电机。此外，空心杯电机作为一种特殊的永磁电机也常用于机器人的微小型关节，而电机的拓扑结构实际上远远不止图中几种，其结构优化是实现电机性能提升的重要方式之一。
结合以上几部分，可以刻画出当前人形机器人关节电机的特征图谱，但仍然尚未有全面理想的解决方案，需要在某些功能特性上做出妥协。在当前人形机器人的应用中，可以发现在低径长比、直径为 8~20 mm 的关节中，以空心杯电机为主，主要应用场景为微型机器人、灵巧手；在中径长比、直径为 30~80 mm 的关节中，以内转子电机为主，主要应用场景为机械臂等机器人上肢关节；在高径长比、直径为 100~180 mm 的关节中，以外转子电机为主，主要应用场景为高动态腿足式机器人关节等机器人下肢关节。
相较于汽车等其他领域，由于人形机器人功能诉求更加多元化、系统化、因此从面向具体机器人的关节特性，有针对性地设计电机，以性能需求指导设计，可能是未来人形机器人运动核心发展重点。在汽车上，电机的功能诉求没有机器人那么多元，功率密度和转矩密度是衡量电机性能的关键指标，在电动汽车永磁同步电机发展过程中可以明显看到功率不断提升的趋势。但在机器人身上，参数并不是最重要的，而是需要从机器人性能需求出发，根据各个关节承担功能和实际应用场景，来指导关节电机设计和优化，以满足特定部件上人形机器人的功能诉求。
从以上分析来看，过往多选择标准化电机产品作为关节电机，缺少对电机本身特性的关注，而更多将设计集中在与其相连的传动部件及结构优化等方面，从而改进标准化电机不足之处，并未从人形机器人性能角度出发设计。因此，在未来人形机器人发展过程中，对电机本身特性的设计优化将显得更加重要。
目前一些人形机器人厂商均发展自研电机，例如宇树科技 H1 部分关节采用了 Unitree 自研M107 电机，小米自研 CyberGear-高性能准直驱动关节模组。而电机中的永磁材料奠定了电机性能基础，新材料的研发亦将是关节电机发展的关键一环，而能迎合性能需求的材料设计或是磁性材料企业核心竞争力。
来源：思瀚研究院
