带你熟悉人形机器人的心脏：控制电机，相关产业链有哪些？

【蜂耘网  机器人】人形机器人量产马上就要来了，而控制电机是人形机器人的“心脏”，有了控制电机，人形机器人才具备能跑能跳、拿取物品等灵活运动能力。

          

可见控制电机对人形机器人有多重要，今天就带你熟悉人形机器人的控制电机及相关产业链。

          

啥是电机？就是将电能转化为机械能的装置，控制电机像一个能旋转的“小工厂”，由线圈和磁铁组成，通电后线圈在磁场中旋转，从而带动机械设备运转。

          

控制电机包含步进电机、伺服电机、力矩电机、无框力矩电机、空心杯电机等。

          

          

空心杯电机：特殊的伺服电机

          

空心杯电机是一种特殊的伺服电机，在电机领域属于皇冠上的明珠级别，是人形机器人最为重要的核心零部件之一。   

          

空心杯电机是直流电机的一种特殊形式，可以是有刷的、也可以做成无刷的。原理是采用无铁芯空心杯型转子，绕组置于其中，电流通过产生磁场，与永磁体相互作用，实现转动。

空心杯电机最大的特点是像杯子一样的线圈，没有其他支撑结构，完全由导线绕制而成，线圈通过连接板，链接换向器和主轴。

          

与传统电机相比，它具有节能、轻量化、响应快、转速波动小等优势，其效率一般在70%以上，最大效率可达90%以上，响应时间小于10毫秒。

          

因灵巧手空间狭小，需要配备小型化且控制精度高的电机，而空心杯电机结构紧凑、能量密度高、功率低，和人形机器人机械手需求契合度高。

          

比如特斯拉Optimus灵巧手预计采用空心杯电机+蜗轮埚杆的设计方案，单手共有6个执行器(包含6个空心杯电机)。    

 

空心杯电机的技术壁垒在于绕组设计与设备，生产空心杯电机的关键在于线圈的绕制，一般都用马鞍式和斜绕式。具体怎么绕需要一定的技术，也要求对应的绕组设备。

          

无框力矩电机：力矩电机的改进型

          

无框力矩电机也是人形机器人的核心零部件。

          

因为没有轴和轴承、外壳或者端盖，只有转子和定子两个部件，这也决定了无框力矩电机的体积小、结构紧凑、质量轻等特点。

          

其运动原理是以输出扭矩为衡量指标，由驱动器供电，驱动器控制U//W三相电形成电磁场，永磁体的转子在磁场的作用下转动。

              

          

无框力矩电机转动惯量小、启动电压低、空载电流小，可打造轻量化的机器人关节，一般单台人形机器人使用20个以上无框力矩电机。

          

特斯拉人形机器人Optimus中就共使用了28个无框力矩电机，包含14个线性执行器和14个旋转执行器中，在线性执行器中实现类似人体肌肉的拉伸运动，在旋转执行器中实现类似人体关节的旋转运动。

          

无框力矩电机的壁垒在于磁路和工艺的设计，因为转矩密度、功率密度都会影响机器人的性能。

          

产业链分析

          

伺服电机行业的上游主要是稀土磁材和电子零部件，比如空心杯电机上游主要是铜、钢材、磁钢、轴承、塑料等原材料。

          

中游一般是伺服电机本体制造，空心杯电机的典型本体制造企业有Maxon、Faulhaber、Portescap、鸣志电器、拓邦股份、江苏雷利、伟创电气、鼎智科技。

              

力矩电机上游一般也是原材料和零部件供应商，比如永磁材料、钢材、铜材、绝缘材料、铁芯、线圈、轴承、风扇、端盖。

          

中游是电机制造和测试认证等，比如无框力矩电机的典型企业有科尔摩根、TQRobodrive、Aerotech、Parker、昊志机电、伟创电气、步科股份、航天电器。

          

控制电机的下游就是各种设备机械产品了，包括我们这里讲的人形机器人。控制电机为人形机器人提供动力、精确控制和动态响应，确保动作流畅可靠；还赋予机器人拟人化移动能力，是机器人技术的核心。

          

一个人形机器人性能好不好，有七大影响因素：分别是行星滚柱丝杠、力/力矩传感器、谐波减速器、空心杯电机、无框力矩电机、行星减速器、轴承，其中有两个核心零部件都是电机，可见控制电机影响力有多大。

          

          

人形机器人的扩张盛宴

          

近年来，人形机器人被认为是有望成为继计算机、智能手机、新能源汽车后的颠覆性产品，所以现在国内形成了大量的人形机器人制造商。   

          

在2024年的世界机器人大会上，就有27款人形机器人分别来自智元机器人、数字华夏、宇树、优必选、Unix优理奇、逐际动力、帕西尼感知、威迈尔、北京具身人形机器人创新中心、浙江人形机器人创新中心、上海人形机器人创新中心、银河通用、星动纪元、天链机器人、乐聚机器人、加速进化、星尘智能等。

          

人形机器人外观和能力上更接近人类，因此人形机器人的应用领域非常广泛，包括工业制造、仓储物流、医疗服务、商业服务、家庭使用......

          

          

目前国内人形机器人领域的发展格局是已经形成了国家政策支持、资本源源不断、企业百花齐放的局面。

          

今年工信部多次提到要聚焦人形机器人产业发展。在全国工信部座谈会上，会议强调未来将聚焦人形机器人、低空经济、脑机接口、商业航天等未来产业；在世界机器人大会期间，工信部部长明确提出推动机器人赋能千行百业，积极培育新业态新模式新动能。

          

未来人形机器人的市场空间也非常大。根据Omdia在7月发布的研究报告，预计到2027年，全球人形机器人的出货量将超过1万台，而在2030年，这一数字更将激增至3.8万台。   

          

这也就意味着，未来人形机器人市场将迎来一场快速增长和扩张的盛宴，也将是控制电机发展的重要推动力量。   

 

（蜂耘机器人网  责任编辑：梅子）