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(suí)AI技(jì)术(shù)的(de)爆(bào)发(fā)，开(kāi)始(shǐ)从(cóng)实(shí)验(yàn)室(shì)逐(zhú)步(bù)迈(mài)入(rù)量(liàng)产(chǎn)。Precedence Research预(yù)测(cè)，2032年(nián)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(dìng)性(xìng)问(wèn)题(tí)后(hòu)，自(zì)主AI能(néng)力(lì)的(de)加(jiā)入(rù)有(yǒu)机(jī)会(huì)真(zhēn)正(zhèng)实(shí)现(xiàn)“具(jù)身(shēn)智(zhì)能(néng)”。

那(nà)么(me)对(duì)于(yú)现(xiàn)阶(jiē)段(duàn)还(hái)未(wèi)实(shí)现(xiàn)“具(jù)身(shēn)智(zhì)能(néng)”的(de)人(rén)形(xíng)机(jī)器(qì)人(rén)来(lái)说(shuō)，驱(qū)动(dòng)机(jī)器(qì)人(rén)运(yùn)动(dòng)的(de)部(bù)件(jiàn)是(shì)最(zuì)核(hé)心(xīn)的(de)部(bù)分(fēn)，下(xià)面(miàn)我(wǒ)们(men)简(jiǎn)单(dān)剖(pōu)析(xī)一(yī)下(xià)目(mù)前(qián)市(shì)场(chǎng)上(shàng)主流(liú)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(yè)压(yā)驱(qū)动(dòng)机(jī)器(qì)人(rén)国(guó)内(nèi)外(wài)都(dōu)有研究，著名的波士顿动力的Atlas机器人就采用(yòng)液(yè)压(yā)驱(qū)动(dòng)，国(guó)内(nèi)相(xiāng)关研(yán)究(jiū)主要(yào)是(shì)大(dà)学(xué)实(shí)验(yàn)室(shì)内(nèi)开(kāi)展(zhǎn)的(de)。另(lìng)外(wài)近(jìn)年(nián)还(hái)有(yǒu)波(bō)兰(lán)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(lì)传(chuán)感(gǎn)器(qì)等(děng)部(bù)件(jiàn)。

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(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(kuài)，低(dī)噪(zào)音(yīn)，无(wú)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(xiǎo)，过(guò)载(zài)易(yì)烧(shāo)毁(huǐ)，成(chéng)本(běn)较(jiào)高(gāo)。因(yīn)此(cǐ)空(kōng)心(xīn)杯(bēi)电(diàn)机(jī)适(shì)合(hé)一(yī)些(xiē)小(xiǎo)扭(niǔ)矩(ju)的(de)场(chǎng)景(jǐng)，如(rú)医(yī)疗(liáo)微(wēi)型(xíng)手(shǒu)术(shù)器(qì)械(xiè)、昆(kūn)虫(chóng)仿(fǎng)生(shēng)机(jī)器(qì)人(rén)等(děng)，在(zài)人(rén)形(xíng)机(jī)器(qì)人(rén)上(shàng)，灵(líng)巧(qiǎo)手(shǒu)中(zhōng)也(yě)大(dà)量(liàng)用(yòng)到(dào)空(kōng)心(xīn)杯(bēi)电(diàn)机(jī)。

永(yǒng)磁(cí)同(tóng)步(bù)电(diàn)机(jī)：这(zhè)是(shì)应(yīng)用(yòng)极(jí)为广泛的电(diàn)机(jī)类(lèi)型(xíng)，新(xīn)能(néng)源(yuán)汽(qì)车(chē)、两(liǎng)轮(lún)电(diàn)动(dòng)车(chē)都(dōu)有(yǒu)应(yīng)用(yòng)。主要(yào)的(de)结(jié)构(gòu)是(shì)嵌(qiàn)入(rù)永(yǒng)磁(cí)体(tǐ)的(de)转(zhuǎn)子(zi)，以(yǐ)及(jí)三(sān)相(xiāng)绕(rào)组(zǔ)的(de)定(dìng)子(zi)，需(xū)要(yào)复(fù)杂(zá)算(suàn)法(fǎ)对(duì)磁(cí)场(chǎng)进(jìn)行(xíng)定(dìng)向(xiàng)控(kòng)制(zhì)。但(dàn)优(yōu)势(shì)明(míng)显(xiǎn)，扭(niǔ)矩(ju)密(mì)度(dù)高(gāo)、精(jīng)度(dù)高(gāo)、效(xiào)率(lǜ)大(dà)于(yú)95%，在(zài)机(jī)器(qì)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(jiǎn)速(sù)器(qì)主要(yào)应(yīng)用(yòng)在(zài)重(zhòng)型(xíng)机(jī)器(qì)人(rén)的(de)基(jī)座(zuò)关节(jié)上(shàng)，工(gōng)业(yè)上(shàng)应(yīng)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(shì)利(lì)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。