人形機(jī)器人伴隨AI技術(shù)的爆發(fā)，開始從實(shí)驗(yàn)室逐步邁入量產(chǎn)。Precedence Research預(yù)測，2032年全球人形機(jī)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(dá)到33.3%。從2024年開始，全球多家機(jī)器人公司推出全新的人形機(jī)器人硬件產(chǎn)品，AI大模型和強(qiáng)化學(xué)習(xí)技術(shù)的應(yīng)用，則幫助人形機(jī)器人解決了運(yùn)動(dòng)算法的難題，解決了人形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性問題后，自主AI能力的加入有機(jī)會真正實(shí)現(xiàn)“具身智能”。那么對于現(xiàn)階段還未實(shí)現(xiàn)“具身智能”的人形機(jī)器人來說，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(jī)器人驅(qū)動(dòng)部件，了解不同部件的選型差異。

一、人形機(jī)器人驅(qū)動(dòng)核心

根據(jù)目前現(xiàn)有的產(chǎn)品來看，按照動(dòng)力來源的不同，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行器可以主要分為液壓和電機(jī)。在機(jī)器人研究初期也出現(xiàn)過一些氣壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人，氣動(dòng)在工業(yè)自動(dòng)化中應(yīng)用較多，但對于人形機(jī)器人來說，難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制、驅(qū)動(dòng)效率低，故逐漸被淘汰。液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)器人國內(nèi)外都有研究，著名的波士頓動(dòng)力的Atlas機(jī)器人就采用液壓驅(qū)動(dòng)，國內(nèi)相關(guān)研究主要是大學(xué)實(shí)驗(yàn)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(dòng)，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(dòng)機(jī)器人肌肉系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡單，輸出功率大，但相對維護(hù)和制造成本高，目前波士頓動(dòng)力新一代 Atlas機(jī)器人已經(jīng)從液壓驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)為電驅(qū)。

而電機(jī)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(yùn)動(dòng)和維持動(dòng)態(tài)平衡至關(guān)重要。與此同時(shí)電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率極高，且本身一些電機(jī)的功率密度也比較大，可以便于應(yīng)用在人形機(jī)器人較小的結(jié)構(gòu)空間內(nèi)。成本方面，電機(jī)大規(guī)模量產(chǎn)的成本要相比其他驅(qū)動(dòng)方式更低。總體來看電機(jī)更契合人形機(jī)器人對動(dòng)態(tài)性能、可維護(hù)性及商業(yè)可行性的綜合需求，因此成為目前人形機(jī)器人的主流驅(qū)動(dòng)核心。但電機(jī)直驅(qū)也難以滿足機(jī)器人各種關(guān)節(jié)的扭矩需求，因此在實(shí)際的機(jī)器人應(yīng)用中，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器除了電機(jī)外，還需要減速器、絲杠、編碼器、力傳感器等部件。

二、機(jī)器人驅(qū)動(dòng)部件：電機(jī)

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

1、力矩電機(jī)：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(dòng)，適合快速啟停和精準(zhǔn)控制。由于直驅(qū)的特性，力矩電機(jī)適合用于人形機(jī)器人的髖關(guān)節(jié)上。

2、無框力矩電機(jī)：相比力矩電機(jī)，無框力矩電機(jī)即簡化了外殼結(jié)構(gòu)，只提供定子和轉(zhuǎn)子，電機(jī)需嵌入機(jī)器人機(jī)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(jī)的優(yōu)勢在于扭矩密度高，散熱也可以與機(jī)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(shí)保持高精度。在人形機(jī)器人中，無框力矩電機(jī)在靈巧手、膝關(guān)節(jié)等部分應(yīng)用。

3、空心杯電機(jī)：轉(zhuǎn)子采用空心杯形繞組，無鐵芯的設(shè)計(jì)，重量極輕；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量僅為傳統(tǒng)電機(jī)的1/10，響應(yīng)速度極快；無鐵損，能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)90%以上。總結(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(diǎn)，缺點(diǎn)則輸出扭矩小，過載易燒毀，成本較高。因此空心杯電機(jī)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(jī)器人等，在人形機(jī)器人上，靈巧手中也大量用到空心杯電機(jī)。

4、永磁同步電機(jī)：這是應(yīng)用極為廣泛的電機(jī)類型，新能源汽車、兩輪電動(dòng)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(jìn)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(jī)器人領(lǐng)域，像工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械臂、輪足機(jī)器人的輪轂驅(qū)動(dòng)部分會使用到永磁同步電機(jī)。

三、機(jī)器人驅(qū)動(dòng)部件：減速器

減速器在機(jī)器人中，是連接電機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件，其核心作用是將電機(jī)的高速低扭矩輸出轉(zhuǎn)換為低速高扭矩輸出，從而滿足機(jī)器人關(guān)節(jié)對精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)控制、高負(fù)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(yùn)動(dòng)，有高精度、高減速比、體積小、重量輕等優(yōu)勢；缺點(diǎn)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(diǎn)是體積較大。RV減速器主要應(yīng)用在重型機(jī)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(fù)載能力，成本較低，結(jié)構(gòu)緊湊；缺點(diǎn)是易磨損。適合中小型機(jī)器人使用，比如輕型的機(jī)械臂、服務(wù)型機(jī)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(shí)現(xiàn)減速，具備高減速比、高扭矩密度、抗沖擊性強(qiáng)的優(yōu)勢，但加工難度高，成本高。

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