人形機器人伴隨AI技術(shù)的爆發(fā)，開始從實驗室逐步邁入量產(chǎn)。Precedence Research預(yù)測，2032年全球人形機器人市場規(guī)模將超過2000億元人民幣，2022年到2032年市場規(guī)模復(fù)合年均增長率將達到33.3%。從2024年開始，全球多家機器人公司推出全新的人形機器人硬件產(chǎn)品，AI大模型和強化學(xué)習(xí)技術(shù)的應(yīng)用，則幫助人形機器人解決了運動算法的難題，解決了人形機器人運動穩(wěn)定性問題后，自主AI能力的加入有機會真正實現(xiàn)“具身智能”。那么對于現(xiàn)階段還未實現(xiàn)“具身智能”的人形機器人來說，驅(qū)動機器人運動的部件是最核心的部分，下面我們簡單剖析一下目前市場上主流的機器人驅(qū)動部件，了解不同部件的選型差異。

一、人形機器人驅(qū)動核心

根據(jù)目前現(xiàn)有的產(chǎn)品來看，按照動力來源的不同，驅(qū)動機器人運動的執(zhí)行器可以主要分為液壓和電機。在機器人研究初期也出現(xiàn)過一些氣壓驅(qū)動的機器人，氣動在工業(yè)自動化中應(yīng)用較多，但對于人形機器人來說，難以實現(xiàn)精準控制、驅(qū)動效率低，故逐漸被淘汰。液壓驅(qū)動機器人國內(nèi)外都有研究，著名的波士頓動力的Atlas機器人就采用液壓驅(qū)動，國內(nèi)相關(guān)研究主要是大學(xué)實驗室內(nèi)開展的。另外近年還有波蘭的Clone Robotics公司使用水和電力驅(qū)動，利用電水泵和微型閥門，向人造肌肉和血管系統(tǒng)以一定壓力輸送液體，驅(qū)動機器人肌肉系統(tǒng)運動。液壓驅(qū)動結(jié)構(gòu)簡單，輸出功率大，但相對維護和制造成本高，目前波士頓動力新一代 Atlas機器人已經(jīng)從液壓驅(qū)動轉(zhuǎn)為電驅(qū)。

而電機能夠?qū)崿F(xiàn)精確的位置、速度和扭矩控制，這對于模仿人類復(fù)雜的關(guān)節(jié)運動和維持動態(tài)平衡至關(guān)重要。與此同時電機的能量轉(zhuǎn)換效率極高，且本身一些電機的功率密度也比較大，可以便于應(yīng)用在人形機器人較小的結(jié)構(gòu)空間內(nèi)。成本方面，電機大規(guī)模量產(chǎn)的成本要相比其他驅(qū)動方式更低?？傮w來看電機更契合人形機器人對動態(tài)性能、可維護性及商業(yè)可行性的綜合需求，因此成為目前人形機器人的主流驅(qū)動核心。但電機直驅(qū)也難以滿足機器人各種關(guān)節(jié)的扭矩需求，因此在實際的機器人應(yīng)用中，驅(qū)動執(zhí)行器除了電機外，還需要減速器、絲杠、編碼器、力傳感器等部件。

二、機器人驅(qū)動部件：電機

目前人形機器人上常用的電機可以分為力矩電機、空心杯電機、無框力矩電機、永磁同步電機這幾種類型。

1、力矩電機：在結(jié)構(gòu)上采用定子和轉(zhuǎn)子軸向排列，體積較大但軸向尺寸緊湊；具備低速高扭輸出能力，可以直接驅(qū)動，適合快速啟停和精準控制。由于直驅(qū)的特性，力矩電機適合用于人形機器人的髖關(guān)節(jié)上。

2、無框力矩電機：相比力矩電機，無框力矩電機即簡化了外殼結(jié)構(gòu)，只提供定子和轉(zhuǎn)子，電機需嵌入機器人機械結(jié)構(gòu)中。一般需要與諧波減速器、編碼器組合成緊湊關(guān)節(jié)模塊。這種電機的優(yōu)勢在于扭矩密度高，散熱也可以與機器人的結(jié)構(gòu)共同優(yōu)化，散熱效率上限高，空間利用率高，同時保持高精度。在人形機器人中，無框力矩電機在靈巧手、膝關(guān)節(jié)等部分應(yīng)用。

3、空心杯電機：轉(zhuǎn)子采用空心杯形繞組，無鐵芯的設(shè)計，重量極輕；轉(zhuǎn)動慣量僅為傳統(tǒng)電機的1/10，響應(yīng)速度極快；無鐵損，能量轉(zhuǎn)換效率可達90%以上?？偨Y(jié)就是有超輕量化，響應(yīng)快，低噪音，無齒槽效應(yīng)、效率高等優(yōu)點，缺點則輸出扭矩小，過載易燒毀，成本較高。因此空心杯電機適合一些小扭矩的場景，如醫(yī)療微型手術(shù)器械、昆蟲仿生機器人等，在人形機器人上，靈巧手中也大量用到空心杯電機。

4、永磁同步電機：這是應(yīng)用極為廣泛的電機類型，新能源汽車、兩輪電動車都有應(yīng)用。主要的結(jié)構(gòu)是嵌入永磁體的轉(zhuǎn)子，以及三相繞組的定子，需要復(fù)雜算法對磁場進行定向控制。但優(yōu)勢明顯，扭矩密度高、精度高、效率大于95%，在機器人領(lǐng)域，像工業(yè)機器人的機械臂、輪足機器人的輪轂驅(qū)動部分會使用到永磁同步電機。

三、機器人驅(qū)動部件：減速器

減速器在機器人中，是連接電機和執(zhí)行機構(gòu)的關(guān)鍵部件，其核心作用是將電機的高速低扭矩輸出轉(zhuǎn)換為低速高扭矩輸出，從而滿足機器人關(guān)節(jié)對精準運動控制、高負載能力和穩(wěn)定性的需求。減速器主要有四種類型：

1、諧波減速器：由波發(fā)生器、柔輪和剛輪組成，通過彈性變形傳遞運動，有高精度、高減速比、體積小、重量輕等優(yōu)勢；缺點是柔輪易疲勞，長期重載可能影響壽命。主要應(yīng)用在小臂、腕部等關(guān)節(jié)。

2、RV（Rotary Vector旋轉(zhuǎn)矢量）減速器：由兩級減速（行星齒輪+擺線針輪）組成，具有高剛性、高扭矩、高精度的優(yōu)勢；缺點是體積較大。RV減速器主要應(yīng)用在重型機器人的基座關(guān)節(jié)上，工業(yè)上應(yīng)用較多。

3、行星減速器：由中心太陽輪、行星輪和外齒圈組成，多級齒輪嚙合。具備中等的精度和負載能力，成本較低，結(jié)構(gòu)緊湊；缺點是易磨損。適合中小型機器人使用，比如輕型的機械臂、服務(wù)型機器人等。

4、擺線針輪減速器（Cycloidal Drive）：是利用擺線盤和針齒的嚙合實現(xiàn)減速，具備高減速比、高扭矩密度、抗沖擊性強的優(yōu)勢，但加工難度高，成本高。

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