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(mén)，向(xiàng)人(rén)造(zào)肌(jī)肉(ròu)和(hé)血(xuè)管(guǎn)系(xì)统(tǒng)以(yǐ)一(yī)定(dìng)压(yā)力(lì)输(shū)送(sòng)液(yè)体(tǐ)，驱(qū)动(dòng)机(jī)器(qì)人(rén)肌(jī)肉(ròu)系(xì)统(tǒng)运(yùn)动(dòng)。液(yè)压(yā)驱(qū)动(dòng)结(jié)构(gòu)简(jiǎn)单(dān)，输(shū)出(chū)功(gōng)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(běn)方(fāng)面(miàn)，电(diàn)机(jī)大(dà)规(guī)模(mó)量(liàng)产(chǎn)的(de)成(chéng)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(dòng)态(tài)性(xìng)能(néng)、可(kě)维(wéi)护(hù)性(xìng)及(jí)商(shāng)业(yè)可(kě)行(xíng)性(xìng)的(de)综(zōng)合(hé)需(xū)求，因此成为目(mù)前(qián)人(rén)形(xíng)机(jī)器(qì)人(rén)的(de)主流(liú)驱(qū)动(dòng)核(hé)心(xīn)。

但(dàn)电(diàn)机(jī)直(zhí)驱(qū)也(yě)难(nán)以(yǐ)满(mǎn)足(zú)机(jī)器(qì)人(rén)各(gè)种(zhǒng)关节(jié)的(de)扭(niǔ)矩(ju)需(xū)求(qiú)，因(yīn)此(cǐ)在(zài)实(shí)际(jì)的(de)机(jī)器(qì)人(rén)应(yīng)用(yòng)中(zhōng)，驱(qū)动(dòng)执(zhí)行(xíng)器(qì)除(chú)了(le)电(diàn)机(jī)外(wài)，还(hái)需(xū)要(yào)减(jiǎn)速(sù)器(qì)、丝(sī)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(lì)矩(ju)电(diàn)机(jī)：在(zài)结(jié)构(gòu)上(shàng)采用(yòng)定(dìng)子(zi)和(hé)转(zhuǎn)子(zi)轴(zhóu)向(xiàng)排(pái)列(liè)，体(tǐ)积(jī)较(jiào)大(dà)但(dàn)轴(zhóu)向(xiàng)尺(chǐ)寸(cùn)紧(jǐn)凑(còu)；具(jù)备(bèi)低(dī)速(sù)高(gāo)扭(niǔ)输(shū)出(chū)能(néng)力(lì)，可(kě)以(yǐ)直(zhí)接(jiē)驱(qū)动(dòng)，适(shì)合(hé)快(kuài)速(sù)启(qǐ)停(tíng)和(hé)精(jīng)准(zhǔn)控(kòng)制(zhì)。由(yóu)于(yú)直(zhí)驱(qū)的(de)特(tè)性(xìng)，力(lì)矩(ju)电(diàn)机(jī)适(shì)合(hé)用(yòng)于(yú)人(rén)形(xíng)机(jī)器(qì)人(rén)的(de)髋(kuān)关节(jié)上(shàng)。

无(wú)框(kuāng)力(lì)矩(ju)电(diàn)机(jī)：相(xiāng)比(bǐ)力(lì)矩(ju)电(diàn)机(jī)，无(wú)框(kuāng)力(lì)矩(ju)电(diàn)机(jī)即(jí)简(jiǎn)化(huà)了(le)外(wài)壳(ké)结(jié)构(gòu)，只(zhǐ)提(tí)供(gōng)定(dìng)子(zi)和(hé)转(zhuǎn)子(zi)，电(diàn)机(jī)需(xū)嵌(qiàn)入(rù)机(jī)器(qì)人(rén)机(jī)械(xiè)结(jié)构(gòu)中(zhōng)。一(yī)般(bān)需(xū)要(yào)与(yǔ)谐(xié)波(bō)减(jiǎn)速(sù)器(qì)、编(biān)码(mǎ)器(qì)组(zǔ)合(hé)成(chéng)紧(jǐn)凑(còu)关节(jié)模(mó)块(kuài)。这(zhè)种(zhǒng)电(diàn)机(jī)的(de)优(yōu)势(shì)在(zài)于(yú)扭(niǔ)矩(ju)密(mì)度(dù)高(gāo)，散(sàn)热(rè)也(yě)可(kě)以(yǐ)与(yǔ)机(jī)器(qì)人(rén)的(de)结(jié)构(gòu)共(gòng)同(tóng)优(yōu)化(huà)，散(sàn)热(rè)效(xiào)率(lǜ)上(shàng)限(xiàn)高(gāo)，空(kōng)间(jiān)利(lì)用(yòng)率(lǜ)高(gāo)，同(tóng)时(shí)保(bǎo)持(chí)高(gāo)精(jīng)度(dù)。在(zài)人(rén)形(xíng)机(jī)器(qì)人(rén)中(zhōng)，无(wú)框(kuāng)力(lì)矩(ju)电(diàn)机(jī)在(zài)灵(líng)巧(qiǎo)手(shǒu)、膝(xī)关节(jié)等(děng)部(bù)分(fēn)应(yīng)用(yòng)。

空(kōng)心(xīn)杯(bēi)电(diàn)机(jī)：转(zhuǎn)子(zi)采用(yòng)空(kōng)心(xīn)杯(bēi)形(xíng)绕(rào)组(zǔ)，无(wú)铁(tiě)芯(xīn)的(de)设(shè)计(jì)，重(zhòng)量(liàng)极(jí)轻(qīng)；转(zhuǎn)动(dòng)惯(guàn)量(liàng)仅(jǐn)为(wèi)传(chuán)统(tǒng)电(diàn)机(jī)的(de)1/10，响(xiǎng)应(yīng)速(sù)度(dù)极(jí)快(kuài)；无(wú)铁(tiě)损(sǔn)，能(néng)量(liàng)转(zhuǎn)换(huàn)效(xiào)率(lǜ)可(kě)达(dá)90%以(yǐ)上(shàng)。总(zǒng)结(jié)就(jiù)是(shì)有(yǒu)超(chāo)轻(qīng)量(liàng)化(huà)，响(xiǎng)应(yīng)快(kuài)，低噪音，无齿(chǐ)槽(cáo)效(xiào)应(yīng)、效(xiào)率(lǜ)高(gāo)等(děng)优(yōu)点(diǎn)，缺(quē)点(diǎn)则(zé)输(shū)出(chū)扭(niǔ)矩(ju)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(ju)密(mì)度(dù)高(gāo)、精(jīng)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(sù)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(xiàn)针(zhēn)轮(lún)减(jiǎn)速(sù)器(qì)（Cycloidal Drive）：是(shì)利(lì)用(yòng)摆(bǎi)线(xiàn)盘(pán)和(hé)针(zhēn)齿(chǐ)的(de)啮(niè)合(hé)实(shí)现(xiàn)减(jiǎn)速(sù)，具(jù)备(bèi)高(gāo)减(jiǎn)速(sù)比(bǐ)、高(gāo)扭(niǔ)矩(ju)密(mì)度(dù)、抗(kàng)冲(chōng)击(jī)性(xìng)强(qiáng)的(de)优(yōu)势(shì)，但(dàn)加(jiā)工(gōng)难(nán)度(dù)高(gāo)，成(chéng)本(běn)高。