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首頁(yè):恒達(dá)娛樂(lè)注冊(cè):首頁(yè)①高效率：低能耗和低摩擦損失很重要，因?yàn)闄C(jī)器人通常由電池供電，能經(jīng)受得起苛刻的運(yùn)行條件，可進(jìn)行十分頻繁的正反向和加減速運(yùn)行，能在短時(shí)間內(nèi)承受過(guò)載。②高動(dòng)態(tài)：整個(gè)驅(qū)動(dòng)器的慣性應(yīng)盡可能低，電動(dòng)機(jī)從獲得指令信號(hào)到完成指令所要求的工作狀態(tài)的時(shí)間應(yīng)短。③高功率密度：機(jī)器人應(yīng)用需要高速、高扭矩電機(jī)，電機(jī)需要小巧，緊湊，輕巧。由于應(yīng)用需求場(chǎng)景不同，將人形機(jī)器人關(guān)節(jié)與工業(yè)機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人關(guān)節(jié)進(jìn)行對(duì)比優(yōu)劣沒(méi)有可比性。工業(yè)機(jī)器人對(duì)精度、壽命要求高，更適合采用伺服電機(jī)；人形機(jī)器人對(duì)控本、提效、力矩和運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定的訴求更強(qiáng)，更適合采用力矩?zé)o框電機(jī)。
力矩電機(jī)相對(duì)于伺服電機(jī)能提供更加穩(wěn)定的力矩和運(yùn)轉(zhuǎn)速度，且由于不需要使用齒輪減速箱，能夠有效降低其成本和體積，減少誤差及提升效率，更能夠滿足人形機(jī)器人的需求。①提供穩(wěn)定的力矩和運(yùn)轉(zhuǎn)速度，利于人形機(jī)器人的大范圍推廣及長(zhǎng)期使用。②不需要使用齒輪減速箱，減少人形機(jī)器人部件的數(shù)量，從而最大限度降低其成本和體積。③維護(hù)更加簡(jiǎn)單，可靠性更高。④效率更高，更節(jié)能。機(jī)械系統(tǒng)中每增加一個(gè)傳動(dòng)部件都將會(huì)產(chǎn)生效率的損失，因此減少系統(tǒng)中傳動(dòng)部件，提高整個(gè)系統(tǒng)的效率，從而能夠變相的節(jié)能，有利于提高人形機(jī)器人的續(xù)航及負(fù)載。
人形機(jī)器人的空心杯電機(jī)以無(wú)刷空心杯電機(jī)為主。因?yàn)榭招谋姍C(jī)高速低扭矩的特性，為了在較小空間內(nèi)獲得較大的手指抓握力，空心杯電機(jī)都需要搭配行星減速箱進(jìn)行使用，一般都會(huì)集成2-3級(jí)的行星減速箱。無(wú)刷電機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)電子換向，其定子部分使用空心杯繞組，采用無(wú)齒槽鐵芯設(shè)計(jì)，具有高轉(zhuǎn)速、長(zhǎng)壽命、低噪音的特性，又具有高功率密度、高效率的優(yōu)勢(shì)。
當(dāng)人形機(jī)器人年銷(xiāo)量分別為100萬(wàn)臺(tái)時(shí)，直流無(wú)刷力矩電機(jī)年新增市場(chǎng)規(guī)模140~280億元，是2022年市場(chǎng)規(guī)模的5~11倍?？招谋姍C(jī)市場(chǎng)規(guī)模為72億元，是2022年市場(chǎng)規(guī)模的2倍。1）直流無(wú)刷力矩電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模的核心假設(shè)，單臺(tái)人形機(jī)器人配置直流無(wú)刷力矩電機(jī)28個(gè)；空心杯電機(jī)價(jià)格隨量產(chǎn)進(jìn)程逐年下降，當(dāng)人形機(jī)器人年銷(xiāo)量100萬(wàn)臺(tái)時(shí)，關(guān)節(jié)電機(jī)均價(jià)500~1000元；2）空心杯電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模測(cè)算的核心假設(shè)：?jiǎn)闻_(tái)人形機(jī)器人用空心杯電機(jī)12個(gè)；空心杯電機(jī)價(jià)格隨量產(chǎn)進(jìn)程逐年下降，銷(xiāo)量達(dá)到100萬(wàn)臺(tái)時(shí)，單價(jià)600元。據(jù) QY Research 數(shù)據(jù)，2022年全球空心杯電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模為7.48億美元。
我國(guó)力矩電機(jī)和空心杯電機(jī)廠商鈞處于全球第二梯隊(duì)。力矩電機(jī)全球第一梯隊(duì)廠商主要有科爾摩根、Aerctech、Parher。我國(guó)的力矩電機(jī)廠商主要廠商有步科股份、雷賽智能、昊志機(jī)電等，伺服廠商如匯川技術(shù)、禾川科技也有基礎(chǔ)切入無(wú)框電機(jī)市場(chǎng)。海外龍頭在空心杯電機(jī)領(lǐng)域布局較早，技術(shù)經(jīng)驗(yàn)積累深厚，產(chǎn)品系列完善，項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)豐富。與海外龍頭企業(yè)產(chǎn)品性能相比，我國(guó)空心杯電機(jī)部分品類(lèi)的產(chǎn)品性能接近或達(dá)到海外龍頭，高端產(chǎn)品在功率、效率等方面存在差距。
風(fēng)險(xiǎn)提示：1）產(chǎn)業(yè)進(jìn)展低于預(yù)期；2）競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境惡化；3）新技術(shù)的應(yīng)用速度低于預(yù)期。
1）氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)：氣力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通常由氣缸、氣閥、氣罐和空壓機(jī)(或由氣壓站直接供給) 等組成，以壓縮空氣來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作。其優(yōu)點(diǎn)是空氣來(lái)源方便、動(dòng)作迅速、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、維修方便、防火防爆、對(duì)環(huán)境無(wú)影響，缺點(diǎn)是操作力小、體積大，又由于空氣的壓縮性大、速度不易控制、響應(yīng)慢、動(dòng)作不平穩(wěn)、有沖擊。因起源壓力一般只有60MPa左右，此類(lèi)機(jī)器人適宜抓舉力要求較小的場(chǎng)合。
2）液壓驅(qū)動(dòng)：液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通常由液動(dòng)機(jī) (各種油缸、油馬達(dá))、伺服閥、油系、油箱等組成，以壓縮機(jī)油來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作。其特點(diǎn)是操作力大、體積小、傳動(dòng)平穩(wěn)且動(dòng)作靈敏、耐沖擊、耐振動(dòng)、防爆性好。相對(duì)于電力驅(qū)動(dòng)，液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人具有大得多的抓舉能力，可高達(dá)上百千克。但液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)密封的要求較高，且不宜在高溫或低溫的場(chǎng)合工作，要求的制造精度較高，成本也較高。
3）電力驅(qū)動(dòng)：電力驅(qū)動(dòng)是利用電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的力成力矩。直接或經(jīng)過(guò)減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，以獲得所需的位置、速度和加速度。電力驅(qū)動(dòng)具有電源易取得，無(wú)環(huán)境污染，響應(yīng)快，驅(qū)動(dòng)力較大，信號(hào)檢測(cè)、傳輸、處理方便，可采用多種靈活的控制方案，運(yùn)動(dòng)精度高成本低，驅(qū)動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)，是目前機(jī)器人使用最多的一種驅(qū)動(dòng)方式。驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)一般采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)以及交流伺服電動(dòng)機(jī)。由于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高，通常還需采用減速機(jī)構(gòu)，目前有些機(jī)構(gòu)已開(kāi)始采用無(wú)需減速機(jī)構(gòu)的特制電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，這樣既可簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)，又可提高控制精度。
電機(jī)是依據(jù)電磁感應(yīng)定律實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置，主要作用是產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，作為用電器或各種機(jī)械的動(dòng)力源，電機(jī)主要作用是利用電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。電機(jī)分類(lèi)主要三類(lèi)：控制電動(dòng)機(jī)、功率電動(dòng)機(jī)、信號(hào)電機(jī)?？刂齐姍C(jī)進(jìn)一步可以劃分為伺服電機(jī)、力矩電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等。
機(jī)器人應(yīng)用減速電機(jī)，應(yīng)該重點(diǎn)考慮如下幾個(gè)參數(shù)：電機(jī)運(yùn)行電壓、空載轉(zhuǎn)速、一定轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)速、一定轉(zhuǎn)矩下的電流。
機(jī)器人關(guān)節(jié)所采用的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要有步進(jìn)電機(jī)，無(wú)刷直流電機(jī)，伺服電機(jī)。由于應(yīng)用需求場(chǎng)景不同，將人形機(jī)器人關(guān)節(jié)與工業(yè)機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人關(guān)節(jié)進(jìn)行對(duì)比優(yōu)劣沒(méi)有可比性。工業(yè)機(jī)器人對(duì)精度、壽命要求高，更適合采用伺服電機(jī)；人形機(jī)器人對(duì)控本、提效、力矩和運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定的訴求更強(qiáng)，更適合采用力矩?zé)o框電機(jī)，尤其是直流無(wú)框力矩電機(jī)。
人形機(jī)器人電機(jī)有三個(gè)關(guān)鍵需求：高效率、高動(dòng)態(tài)和高功率密度。①高效率：低能耗和低摩擦損失很重要，因?yàn)闄C(jī)器人通常由電池供電，能經(jīng)受得起苛刻的運(yùn)行條件，可進(jìn)行十分頻繁的正反向和加減速運(yùn)行，能在短時(shí)間內(nèi)承受過(guò)載。②高動(dòng)態(tài)：整個(gè)驅(qū)動(dòng)器（電機(jī)、機(jī)構(gòu)、接線、傳感器和控制器）的慣性應(yīng)盡可能低，電動(dòng)機(jī)從獲得指令信號(hào)到完成指令所要求的工作狀態(tài)的時(shí)間應(yīng)短。③高功率密度：機(jī)器人應(yīng)用需要高速、高扭矩電機(jī)，這些電機(jī)還需要小巧，緊湊，輕巧。
直流電動(dòng)機(jī)相較于交流電機(jī)擁有準(zhǔn)確快速的控制能力，恒定扭矩以實(shí)現(xiàn)更高負(fù)載，不需要額外的啟動(dòng)設(shè)備以減少成本等優(yōu)勢(shì)，從而更能夠滿足人形機(jī)器人對(duì)于高負(fù)載、低成本的需求。直流電機(jī)與交流電機(jī)的區(qū)別：
?、倏刂颇芰Σ煌航涣麟姍C(jī)通過(guò)改變輸入頻率來(lái)控制交流電機(jī)。而直流電機(jī)則直接通過(guò)改變電樞電流和電壓來(lái)控制電機(jī)。這從而導(dǎo)致直流電機(jī)能夠提供準(zhǔn)確且快速的控制，更適用于人形機(jī)器人。
?、诹匦阅懿煌毫卦酱箅姍C(jī)的加速性越好。而提高交流電機(jī)的速度會(huì)導(dǎo)致其力矩降低，直流電機(jī)在速度范圍內(nèi)提供恒定的力矩。直流電機(jī)加速性好于交流電機(jī)，從而能夠負(fù)載更高的重量，使人形機(jī)器人得以從事高負(fù)載的勞動(dòng)。
③啟動(dòng)方式不同：所有直流電機(jī)都是自啟動(dòng)的，這意味著它們不需要任何額外的設(shè)備即可啟動(dòng)。而交流電機(jī)則需要額外的電子設(shè)備來(lái)啟動(dòng)。因此直流電機(jī)可以減少人形機(jī)器人部件的數(shù)量，從而降低其成本和體積。
無(wú)刷電機(jī)避免了有刷電機(jī)故障率高、壽命短的缺點(diǎn)，更能夠滿足人形機(jī)器人的需求，目前無(wú)刷電機(jī)成本更高，大規(guī)模應(yīng)用之后成本有望下降。有刷電機(jī)由于存在碳刷，有兩個(gè)缺點(diǎn)：
①碳刷和換向片之間存在摩擦，導(dǎo)致有刷電機(jī)容易產(chǎn)生火花、發(fā)熱、噪音、對(duì)外界環(huán)境有電磁干擾。這會(huì)導(dǎo)致人形機(jī)器人的使用場(chǎng)景受限，無(wú)法在一些易燃易爆危險(xiǎn)的場(chǎng)景代替人類(lèi)進(jìn)行工作。
?、谔妓儆趽p耗品，從而使有刷電機(jī)使用壽命短，故障率高，每過(guò)一段時(shí)間都需要更換和維護(hù)，過(guò)于頻繁的維護(hù)需求不利于人形機(jī)器人的商業(yè)推廣與長(zhǎng)期使用。
無(wú)刷電機(jī)由于沒(méi)有碳刷，從而避免了有刷電機(jī)的上述缺點(diǎn)，具有抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行聲音小、效能高且使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。
不存在低速時(shí)低頻振動(dòng)現(xiàn)象，且能提供恒定的力矩，從而使得力矩電機(jī)能夠負(fù)載更高的重量，更能夠滿足人形機(jī)器人高負(fù)載勞動(dòng)的需求，效率更高更節(jié)能。
?、俨竭M(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象。振動(dòng)頻率與負(fù)載情況和驅(qū)動(dòng)器性能有關(guān)，一般認(rèn)為振動(dòng)頻率為電機(jī)空負(fù)載起跳頻率的一半。這種由步進(jìn)電機(jī)的工作原理所決定的低頻振動(dòng)現(xiàn)象對(duì)于機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常不利。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在低速時(shí)，需要采用阻尼技術(shù)來(lái)克服低頻振動(dòng)現(xiàn)象，比如在電機(jī)上加阻尼器。這會(huì)增加人形機(jī)器人的成本及體積。而力矩電機(jī)則不存在這個(gè)缺陷。
?、诓竭M(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降。而力矩電機(jī)在速度范圍內(nèi)能提供恒定的力矩，這使得力矩電機(jī)加速性好于步進(jìn)電機(jī)，從而使得力矩電機(jī)能夠負(fù)載更高的重量，使形機(jī)器人得以從事高負(fù)載的勞動(dòng)，提升其效率并且更加節(jié)能。
力矩電機(jī)相對(duì)于伺服電機(jī)能提供更加穩(wěn)定的力矩和運(yùn)轉(zhuǎn)速度，且由于不需要使用齒輪減速箱，能夠有效降低其成本和體積，減少誤差及提升效率，更能夠滿足人形機(jī)器人的需求。
?、偬峁┓€(wěn)定的力矩和運(yùn)轉(zhuǎn)速度。力矩電機(jī)可以在電動(dòng)機(jī)低速甚至堵轉(zhuǎn)（即轉(zhuǎn)子無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)）時(shí)仍能持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，不會(huì)造成電動(dòng)機(jī)的損壞且可以提供穩(wěn)定的力矩給負(fù)載。力矩電機(jī)極高的穩(wěn)定性利于人形機(jī)器人的大范圍推廣及長(zhǎng)期使用。
?、诓恍枰褂谬X輪減速箱。從而可以減少人形機(jī)器人部件的數(shù)量，從而最大限度降低其成本和體積。
?、劬S護(hù)更加簡(jiǎn)單，可靠性更高。轉(zhuǎn)子是整個(gè)力矩電機(jī)系統(tǒng)中唯一的運(yùn)動(dòng)部件，其他任何機(jī)械組件都可以直接固定在轉(zhuǎn)子上。這使得力矩電機(jī)不僅能夠減少部件的維護(hù)次數(shù)，還能夠消除其他組件引入的間隙、共振和定位誤差。這從而導(dǎo)致力矩電機(jī)能夠提供準(zhǔn)確的控制，更適用于人形機(jī)器人。
?、苄矢?，更節(jié)能。機(jī)械系統(tǒng)中每增加一個(gè)傳動(dòng)部件都將會(huì)產(chǎn)生效率的損失。因此減少系統(tǒng)中傳動(dòng)部件，會(huì)提高整個(gè)系統(tǒng)的效率，從而能夠變相的節(jié)能，力矩電機(jī)有利于提高人形機(jī)器人的續(xù)航時(shí)間及勞動(dòng)負(fù)載。
①常規(guī)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速通常額定為3000轉(zhuǎn)，最大6000轉(zhuǎn)，人形機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速通常不超過(guò)300轉(zhuǎn)。
?、诓唤Y(jié)合關(guān)節(jié)負(fù)載大小考慮，在人形機(jī)器人上采用無(wú)框力矩電機(jī)搭配諧波減速器或者行星減速器、在機(jī)器狗上采用航模電機(jī)搭配一級(jí)行星減速器，是能夠綜合重量、轉(zhuǎn)速、扭矩與成本的較佳方案；工業(yè)機(jī)械臂中伺服電機(jī)搭配諧波減速器的方案不便于小型化，而且成本較高。
?、鬯欧姍C(jī)的形狀通常為細(xì)長(zhǎng)型，人形機(jī)器人關(guān)節(jié)要求驅(qū)動(dòng)器形狀軸向尺寸需要盡可能降低，設(shè)計(jì)為扁平狀，常規(guī)伺服電機(jī)在人形機(jī)器人/機(jī)器狗的空間結(jié)構(gòu)上不方便進(jìn)行排布。
?、芩欧姍C(jī)本體對(duì)壽命、散熱等方面有較高要求，而人形機(jī)器人通常不會(huì)以工業(yè)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間工作。
?、菟欧姍C(jī)常被用于精密設(shè)備的控制中，人形機(jī)器人關(guān)節(jié)的精度要求相比數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)械臂等應(yīng)用實(shí)際上并不高。
?、拗圃斐杀窘嵌?，伺服電機(jī)的生產(chǎn)成本高，關(guān)節(jié)電機(jī)量產(chǎn)后降本空間大：過(guò)去人形機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)的價(jià)格更多地是由于產(chǎn)量低無(wú)法均攤研發(fā)成本造成的，而不是量產(chǎn)后的真實(shí)成本高。
適用于高動(dòng)態(tài)性能機(jī)器人的執(zhí)行器方案分為三類(lèi)：帶有力矩傳感器的高減速比電機(jī)、串聯(lián)彈性執(zhí)行器（SEA）和半直驅(qū)電機(jī)（QDD）。(無(wú)框)力矩電機(jī)，全稱為永磁無(wú)刷直流(無(wú)框)力矩電機(jī)，其顯著的特征是：較大的徑長(zhǎng)比、較多數(shù)目的磁極，這兩點(diǎn)確保了其良好的大扭矩輸出性能，同時(shí)也呈現(xiàn)較低轉(zhuǎn)速的特性。這類(lèi)電機(jī)多以無(wú)框的形式出現(xiàn)，方便使用者將其集成于相應(yīng)的機(jī)器人關(guān)節(jié)模組（驅(qū)動(dòng)器）之中。最為典型的是MIT Cheetah團(tuán)隊(duì)提出的本體驅(qū)動(dòng)器，特點(diǎn)是：一般會(huì)集成10以內(nèi)小減速比的減速箱，進(jìn)一步去符合機(jī)器人低速大扭矩的應(yīng)用特性，一般不使用額外的扭矩傳感器，通過(guò)電流閉環(huán)的形式實(shí)現(xiàn)力控，永磁體可作為內(nèi)轉(zhuǎn)子（Cheetah初代版本），也可作為外轉(zhuǎn)子（Cheetah Mini版本）。任意一款集成高減速比諧波減速器的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器，輸出密度都能夠輕易做到150 Nm 以上。
Tesla Optimus關(guān)節(jié)模組采用無(wú)框力矩電機(jī)，靈巧手采用空心杯電機(jī)。Tesla Optimus有40個(gè)自由度，對(duì)應(yīng)40個(gè)伺服關(guān)節(jié)，各關(guān)節(jié)在機(jī)器人端的使用位置不一致，相應(yīng)的輸出特性（輸出扭矩、輸出速度、定位精度、旋轉(zhuǎn)剛度、力感知、自鎖、體積）會(huì)有所區(qū)別，按照原理區(qū)分，Optimus的40個(gè)關(guān)節(jié)可以分為3類(lèi)：
旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)模組(x14)：無(wú)框力矩電機(jī)+諧波減速器+力傳感器+編碼器(x2)+驅(qū)動(dòng)器+關(guān)節(jié)CNC件
直線)：無(wú)框力矩電機(jī)+行星滾柱絲杠+力傳感器+編碼器+驅(qū)動(dòng)器+關(guān)節(jié)CNC件
靈巧手模組(x12)：空心杯電機(jī)+微型多級(jí)行星減速箱+蝸輪蝸桿+編碼器+驅(qū)動(dòng)器。哈默納科在23年Q3財(cái)報(bào)會(huì)上提出了“專用伺服電機(jī)+微型諧波”驅(qū)動(dòng)模組用于人形機(jī)器人靈巧手的新方案，預(yù)計(jì)單根手指用3個(gè)微型諧波減速器，雙手一共30個(gè)微型諧波減速器。
四足機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)方案：尺寸和重量共同決定了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的參數(shù)，決定了減速機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)、材料、熱處理、PCB上的MOS型號(hào)、采樣電路參數(shù)等設(shè)計(jì)內(nèi)容。電機(jī)的尺寸決定了四足機(jī)器狗的尺寸。
隨著無(wú)框力矩電機(jī)的廣泛使用，使得半直驅(qū)原理(QDD, Quasi-Direct-Drive)的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器在四足機(jī)器人領(lǐng)域得到應(yīng)用——MIT Cheetah系列、宇樹(shù)科技的AlienGo&Laikago、云深處的絕影系列、前沿驅(qū)動(dòng)INNFOS的新四足、智元遠(yuǎn)征A1，都采用了QDD原理或者類(lèi)似的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方案。
QDD在雙足仿人（全尺寸，雙臂無(wú)自由度缺失）領(lǐng)域的應(yīng)用目前產(chǎn)業(yè)界尚無(wú)定論，爭(zhēng)議主要集中在：峰值輸出扭矩及其相應(yīng)的密度。QDD電機(jī)的輸出力矩范圍為4~45 Nm，特斯拉Optimus手腕關(guān)節(jié)的輸出扭矩為20Nm一個(gè)，500 Nm兩個(gè)，肩關(guān)節(jié)110Nm，腰腹和髖關(guān)節(jié)180Nm, 踝膝和手肘關(guān)節(jié)3800Nm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了QDD電機(jī)的輸出力矩范圍。這是QDD原理一直被詬病的地方，如果這個(gè)問(wèn)題能夠得到良好的解決，將可以替代目前的高減速比諧波原理的驅(qū)動(dòng)器。
在靈巧手使用的空心杯電機(jī)一般指的是空心杯電機(jī)+多級(jí)行星減速箱組成的模組。因?yàn)榭招谋姍C(jī)高速低扭矩的特性，為了在較小空間內(nèi)獲得較大的手指抓握力，空心杯電機(jī)都需要搭配行星減速箱進(jìn)行使用，一般都會(huì)集成2-3級(jí)的行星減速箱。
空心杯關(guān)節(jié)是直流永磁伺服微特電機(jī)的一類(lèi)，從原理上來(lái)說(shuō)屬于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的范疇，具有新穎的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、獨(dú)特的線圈制造工藝和較小的尺寸?？招谋姍C(jī)在結(jié)構(gòu)上突破了傳統(tǒng)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，采用的是無(wú)鐵芯轉(zhuǎn)子，其電樞繞組為空心杯線圈，形似水杯，因此被稱為“空心杯電機(jī)“。
人形機(jī)器人的空心杯電機(jī)以無(wú)刷空心杯電機(jī)為主?？招谋姍C(jī)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)：從有刷到無(wú)刷。有刷電機(jī)采用機(jī)械換向，隨著電機(jī)旋轉(zhuǎn)，電刷沿著換向器滑動(dòng)，產(chǎn)生動(dòng)態(tài)的磁場(chǎng)，由于電刷和換向器存在相對(duì)滑動(dòng)，容易損耗；無(wú)刷電機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)電子換向，因不存在電刷，被稱為“無(wú)刷電機(jī)”。其定子部分使用空心杯繞組，采用無(wú)齒槽鐵芯設(shè)計(jì)，具有高轉(zhuǎn)速、長(zhǎng)壽命、低噪音的特性，又具有高功率密度、高效率的優(yōu)勢(shì)。
2022年全球力矩電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模為6.1億美元，僅占全球電機(jī)市場(chǎng)總體規(guī)模的0.4%。根據(jù)precedence research數(shù)據(jù)，2022年全球電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模為1451億美元，預(yù)計(jì)到2032年將達(dá)到2922億美元，復(fù)合增速7.3%。根據(jù)technavio數(shù)據(jù)，2017~2022年全球力矩電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模復(fù)合增速為8.8%，2022年全球力矩電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模為6.1億美元，直流無(wú)刷力矩電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模約3.5億美元，占全球力矩電機(jī)總市場(chǎng)規(guī)模的57%。
我們測(cè)算了人形機(jī)器人量產(chǎn)對(duì)直流無(wú)刷力矩電機(jī)的需求彈性。當(dāng)人形機(jī)器人年銷(xiāo)量分別為100萬(wàn)臺(tái)時(shí)，直流無(wú)刷力矩電機(jī)年新增市場(chǎng)規(guī)模140~280億元，相當(dāng)于2022年市場(chǎng)規(guī)模的5~11倍。
核心假設(shè)：1）以特斯拉人形機(jī)器人為例，每個(gè)關(guān)節(jié)都配備一臺(tái)直流無(wú)刷力矩電機(jī)，單臺(tái)人形機(jī)器人需配置直流無(wú)刷力矩電機(jī)28個(gè)；2）無(wú)框力矩電機(jī)價(jià)格隨量產(chǎn)進(jìn)程逐年下降，不同的產(chǎn)品定位決定了不同的參數(shù)性能，宇樹(shù)專門(mén)為H1人形機(jī)器人設(shè)計(jì)了高扭矩密度的M107關(guān)節(jié)電機(jī)，峰值扭矩360N·m，應(yīng)用在H1人形機(jī)器人的兩個(gè)膝關(guān)節(jié)上，髖關(guān)節(jié)電機(jī)扭矩為220N·m，手臂關(guān)節(jié)為75N·m，踝關(guān)節(jié)為45N·m。根據(jù)愛(ài)采購(gòu)數(shù)據(jù)，宇樹(shù)A1電機(jī)最大扭矩33.5Nm，售價(jià)為2500元，深圳小象電動(dòng)科技的驅(qū)控一體化關(guān)節(jié)電機(jī)最大扭矩160 Nm，售價(jià)為5900元。隨著量產(chǎn)之后規(guī)模增加，成本有望逐漸降低，我們假設(shè)銷(xiāo)量達(dá)到100萬(wàn)臺(tái)時(shí)，關(guān)節(jié)電機(jī)均價(jià)500~1000元。
空心杯電機(jī)屬于微特電機(jī)的細(xì)分產(chǎn)品，據(jù) QY Research 數(shù)據(jù)，2022年全球空心杯電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模為7.48億美元，同比增長(zhǎng)10.55%。分地區(qū)看，亞太、歐洲、北美地區(qū)分別占比 49%、25%和 20%。分產(chǎn)品類(lèi)別看，2022年有刷空心杯電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模 4.92億美元，占比65.8%；無(wú)刷空心杯電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模2.56億美元，占比34.2%。
我們測(cè)算了人形機(jī)器人不同量產(chǎn)規(guī)模下，對(duì)空心杯電機(jī)的需求彈性。當(dāng)人形機(jī)器人年銷(xiāo)量分別為10/50/100萬(wàn)臺(tái)時(shí)，空心杯電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模分別為12/48/72億元，相對(duì)于2022年市場(chǎng)規(guī)模的彈性分別為35%/139%/209%。
核心假設(shè)：1）單臺(tái)人形機(jī)器人用空心杯電機(jī)12個(gè)；2）空心杯電機(jī)價(jià)格隨量產(chǎn)進(jìn)程逐年下降，銷(xiāo)量10萬(wàn)臺(tái)時(shí)，單價(jià)1,000 元；銷(xiāo)量50萬(wàn)臺(tái)時(shí)，單價(jià)800元；銷(xiāo)量達(dá)到100萬(wàn)臺(tái)時(shí)，單價(jià)600元。
無(wú)框力矩電機(jī)的技術(shù)壁壘：磁路和工藝設(shè)計(jì)。磁路和工藝設(shè)計(jì)是電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度、功率密度是影響機(jī)器人性能的重要指標(biāo)，而無(wú)框力矩電機(jī)要在低壓供電的環(huán)境下輸出較大的功率，因此在磁路和工藝設(shè)計(jì)方面存在一定的技術(shù)能力要求。海外廠商起步較早，工藝技術(shù)存在先發(fā)優(yōu)勢(shì)，如美國(guó)科爾摩根采用分布式的分?jǐn)?shù)槽及碳纖維綁扎技術(shù)，德國(guó)TQ Robodrive采用模塊化定子和環(huán)氧塑封灌膠技術(shù)，韓國(guó)TM TECH轉(zhuǎn)子采用整體充磁磁環(huán)技術(shù)。國(guó)內(nèi)企業(yè)起步晚，轉(zhuǎn)矩密度和國(guó)外高端無(wú)框力矩電機(jī)相比存在差距。
我國(guó)力矩電機(jī)廠商處于全球第二梯隊(duì)。力矩電機(jī)全球第一梯隊(duì)廠商主要有科爾摩根、Aerctech、Parher。我國(guó)的力矩電機(jī)廠商處于第二梯隊(duì)，主要廠商有步科股份、雷賽智能、昊志機(jī)電等。隨市場(chǎng)應(yīng)用場(chǎng)景的拓展，伺服廠商如匯川技術(shù)、禾川科技也有基礎(chǔ)切入無(wú)框電機(jī)市場(chǎng)。
科爾摩根(Kollmorgen)是Danaher Motion（丹納赫傳動(dòng)）旗下品牌，全球領(lǐng)先的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)龍頭?？茽柲Ω{赫傳動(dòng)隸屬于Danaher Corperate（丹納赫集團(tuán)）（股票代碼：DHR），是集團(tuán)七大業(yè)務(wù)板塊之一。納赫傳動(dòng)專注于運(yùn)動(dòng)控制制造與服務(wù)，整合了30個(gè)以上的自動(dòng)控制行業(yè)企業(yè)，如：Kollmorgen（科爾摩根）、Thomson、Dover、Pacific Scientific、Portescap、Neff、Seidel和Bautz等。科爾摩根有超過(guò)七十年的運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)和研發(fā)領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)，產(chǎn)品覆蓋：運(yùn)動(dòng)控制器、電機(jī)（伺服、步進(jìn)、直驅(qū)等）及驅(qū)動(dòng)器、線性定位器/執(zhí)行器（電缸為主）、減速器（行星為主）、AGV控制系統(tǒng)解決方案等。
科爾摩根電機(jī)產(chǎn)品系列豐富，包括伺服電機(jī)、有刷直流電機(jī)、直驅(qū)電機(jī)、防爆電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和食品級(jí)防水伺服電機(jī)。
科爾摩根的無(wú)框轉(zhuǎn)矩電機(jī)在全球驅(qū)動(dòng)著近一百萬(wàn)個(gè)機(jī)器人關(guān)節(jié)和機(jī)械臂，包括手術(shù)機(jī)器人、協(xié)作機(jī)械臂、工業(yè)機(jī)器人、SCARA機(jī)器人等?？茽柲Ω槍?duì)手術(shù)機(jī)器人、協(xié)作機(jī)械臂開(kāi)發(fā)了TBM低壓無(wú)刷力矩電機(jī)系列；工業(yè)機(jī)器人、SCARA機(jī)器人，可根據(jù)需求選擇AKM伺服系列電機(jī)、KBM無(wú)框伺服/力矩電機(jī)、TBM低壓無(wú)刷力矩電機(jī)系列。
TBM2G系列電機(jī)專門(mén)為匹配常用的諧波減速機(jī)型號(hào)優(yōu)化了設(shè)計(jì)。特點(diǎn)在于總高度極短、中空孔尺寸大，并對(duì)它們進(jìn)行優(yōu)化，以在尺寸、重量、速度、轉(zhuǎn)矩和溫度方面滿足高性能、高精度應(yīng)用的通用要求，例如15公斤級(jí)及以下級(jí)別的協(xié)做機(jī)器人。
科爾摩根在全球擁有超過(guò)1800人的團(tuán)隊(duì)，長(zhǎng)達(dá)60余年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，幫助客戶在研發(fā)機(jī)器階段降低風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)化運(yùn)動(dòng)控制。在全球主要市場(chǎng)，均有客戶服務(wù)中心。通過(guò)全球供應(yīng)鏈系統(tǒng)，以及各地的制造中心，提供最具競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品、服務(wù)和交貨期。
線圈制造是空心杯電機(jī)的核心流程。空心杯電機(jī)生產(chǎn)近30道工序：前段線圈繞制、中段軸承、芯軸、支撐環(huán)等核心零部件安裝，后段后蓋安裝和線路板焊線等。線圈的生產(chǎn)包括：漆包線——繞線——加熱整形——出線脫漆、接公共線——線圈安裝等環(huán)節(jié)。無(wú)鐵芯的自支撐繞組由所謂的漆包線制成，這是一根絕緣銅線，外面有一層漆。制造過(guò)程中，通過(guò)施加壓力和溫度將相鄰電線的漆熔化在一起，適當(dāng)?shù)恼澈希z帶或玻璃纖維）可進(jìn)一步提高纏繞的強(qiáng)度和形狀穩(wěn)定性，這一點(diǎn)在高電流負(fù)載下尤為重要。
1）繞線方式：空心杯電機(jī)按繞線方式有直繞形、馬鞍形、斜繞形。直繞形繞制方法工藝較為復(fù)雜，多用于較長(zhǎng)繞組結(jié)構(gòu)，常為多次繞制而成；馬鞍形可減小線圈厚度，在高功率密度電機(jī)上有效減小磁路氣隙，增加切割磁場(chǎng)的長(zhǎng)度，更好地利用定子磁性；斜繞形相對(duì)來(lái)說(shuō)繞制簡(jiǎn)單、排線緊密、適用于大批量生產(chǎn)。德國(guó)、瑞士、日本等國(guó)在繞線工藝方面積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，全球空心杯電機(jī)三大龍頭技術(shù)起源于1960年代，瑞士Maxon多采用直繞形和馬鞍形，德國(guó)Faulhaber、瑞士Portescap多采用斜繞形。國(guó)內(nèi)空心杯電機(jī)起步較晚，缺少結(jié)合材料細(xì)分牌號(hào)、轉(zhuǎn)子杯類(lèi)型對(duì)電機(jī)的優(yōu)化，欠缺體系化的正向設(shè)計(jì)，缺乏定制化要求的系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方案配置與產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力。
2）生產(chǎn)工藝及繞線設(shè)備：海外繞線工藝發(fā)展早，自動(dòng)化程度高，國(guó)內(nèi)廠商需要在生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)提高精度、良品率、自動(dòng)化程度?？招谋姍C(jī)本身體積較小，對(duì)誤差的容忍度和普通永磁電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)相比更低，加工精度直接影響磁場(chǎng)的穩(wěn)定性。導(dǎo)線粗細(xì)、 繞組匝數(shù)的不同，使得繞組電阻值、啟動(dòng)電流以及速度常數(shù)等電機(jī)參數(shù)存在較大的差異。國(guó)內(nèi)主要采用繞卷式生產(chǎn)，工藝繁瑣，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，無(wú)法完成線徑較粗的線圈，廢品率高。國(guó)外主要采用一次性繞制成型的生產(chǎn)技術(shù)，自動(dòng)化程度較高，生產(chǎn)效率高，線圈線徑范圍大、線圈質(zhì)量好、排列緊密，電機(jī)種類(lèi)多、性能好。全球領(lǐng)先的繞線設(shè)備制造商有：瑞士Meteor、日本田中精機(jī)株式會(huì)社、日特機(jī)械工程株式會(huì)社。國(guó)內(nèi)相對(duì)領(lǐng)先的繞線設(shè)備制造商包括：中特科技、東莞市臺(tái)立電子機(jī)械有限公司、勤聯(lián)科技、昆山庫(kù)克等。
產(chǎn)品系列：海外企業(yè)發(fā)展時(shí)間較長(zhǎng)，產(chǎn)品系列完善。例如：Maxon提供直徑為4~90 mm的無(wú)刷/有刷空心杯電機(jī)，Maxon和Faulhaber有刷空心杯電機(jī)最小直徑均為6mm， Maxon和Faulhaber無(wú)刷空心杯電機(jī)直徑分別為4 mm和3mm。國(guó)內(nèi)空心杯電機(jī)企業(yè)的產(chǎn)品覆蓋度相對(duì)海外龍頭需要進(jìn)一步提升，鳴志電器產(chǎn)品覆蓋直徑為8~24的有刷空心杯電機(jī)，直徑為13、16、22mm的無(wú)刷空心杯電機(jī).Portescap和鳴志電器較為接近，有刷空心杯最小直徑為8mm，無(wú)刷空心杯直徑分別為12mm、13mm。
與海外龍頭企業(yè)產(chǎn)品性能相比，我國(guó)空心杯電機(jī)部分品類(lèi)的產(chǎn)品性能接近或達(dá)到海外龍頭，高端產(chǎn)品在功率、效率等方面存在差距。
1）比較直徑為8mm、額定電壓6V的有刷空心杯電機(jī)產(chǎn)品參數(shù)，鳴志電器的產(chǎn)品在功率密度和效率上與Maxon、Faulhaber、Portescap的產(chǎn)品存在差距。鼎智科技、拓邦股份、偉創(chuàng)電氣8mm的產(chǎn)品處于驗(yàn)證或開(kāi)發(fā)階段。
2）比較直徑為16mm、電壓12V的無(wú)刷空心杯電機(jī)產(chǎn)品參數(shù)，鳴志電器的產(chǎn)品在功率密度和效率上與Maxon的產(chǎn)品參數(shù)性能相當(dāng)，比較直徑為16mm、電壓18V的無(wú)刷空心杯電機(jī)產(chǎn)品參數(shù)，鼎智科技的產(chǎn)品在功率密度和效率上與Maxon的同類(lèi)型產(chǎn)品參數(shù)性能相當(dāng)。
Maxon的代表性產(chǎn)品DC迷你型電機(jī)于1968-1970年問(wèn)世，獲得鉆石型繞組無(wú)鐵轉(zhuǎn)子的制造工藝專利，1997年Maxon電機(jī)隨美國(guó)航天航空局的“探路者”號(hào)探測(cè)器成功登陸火星，2004年分別隨“勇氣號(hào)”和“機(jī)遇號(hào)”火星探測(cè)器再次登陸火星。2014年Maxon電機(jī)隨Philae登陸器于登陸彗星，并在線年。成功登陸火星和彗星證明了Maxon電機(jī)在極端苛刻條件下的良好使用性能，美國(guó)航天航空局為公司產(chǎn)品提供了背書(shū)，為Maxon電機(jī)品牌力的建立提供了強(qiáng)有力支持。
1） 持續(xù)投入研發(fā)：2022年底，Maxon在全球擁有10個(gè)開(kāi)發(fā)中心、340名研發(fā)人員，研發(fā)開(kāi)支占比在8%左右。Maxon的電機(jī)被成功應(yīng)用于太空、極端惡劣的地表和地下環(huán)境，產(chǎn)品參數(shù)在效率、穩(wěn)定性等方面領(lǐng)先，核心技術(shù)包括：①精密DC電機(jī)的五種繞組技術(shù)；②標(biāo)準(zhǔn)和特殊齒輪箱；③編碼器技術(shù)；④電氣和系統(tǒng)技術(shù)；⑤用于塑料、陶瓷和金屬粉末的注塑成型工藝（CIM/MIM）；⑥裝配和自動(dòng)化技術(shù)。
2） 豐富的產(chǎn)品組合，模塊化組合的解決方案。maxon產(chǎn)品涵蓋DC和BLDC電機(jī)、齒輪箱、傳感器和控制器，Maxon擁有超5000種產(chǎn)品，100萬(wàn)種組合方式，提供模組解決方案。定制化、模塊化是精密運(yùn)控的發(fā)展趨勢(shì)，有助于公司產(chǎn)品之間的技術(shù)、加工協(xié)同以及對(duì)下游應(yīng)用領(lǐng)域的積累和把控，形成“零部件——模組——下游應(yīng)用——零部件改進(jìn)”的正向循環(huán)?？蛻舨少?gòu)?fù)患夜竟た禺a(chǎn)品，可實(shí)現(xiàn)更好的兼容性，使模組發(fā)揮最大性能，批量采購(gòu)可享受較為低廉的價(jià)格。
3） 定制化的生產(chǎn)，全球化的生產(chǎn)和銷(xiāo)售網(wǎng)絡(luò)。maxon在8個(gè)國(guó)家設(shè)立了生產(chǎn)基地：瑞士、德國(guó)、匈牙利、韓國(guó)、美國(guó)、法國(guó)、荷蘭、中國(guó)、英國(guó)（Parvalux）。采用獨(dú)立研發(fā)的機(jī)器和生產(chǎn)線自行生產(chǎn)精密驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的所有重要部件。不論產(chǎn)品批量大小，均能快速完成，同時(shí)可以靈活調(diào)整，以滿足客戶的特殊需要。Maxon的銷(xiāo)售網(wǎng)絡(luò)分布于全球40個(gè)國(guó)家，全球約有3300名員工。公司的全球化進(jìn)程始于1980年代，1981年收購(gòu)位于美國(guó)舊金山南部的分銷(xiāo)商，開(kāi)始進(jìn)軍美國(guó)市場(chǎng)；1989年在德國(guó)Sexau成立生產(chǎn)基地。2010年開(kāi)始加快全球化布局：2013年Maxon韓國(guó)工廠投入使用，2017年收購(gòu)瑞士Zub Machine Control，2018年收購(gòu)英國(guó)Parvalux Electric Motors，打開(kāi)歐洲市場(chǎng)的同時(shí)，拓展了產(chǎn)品線，為客戶提供更多元的解決方案。
本文摘自：2023年11月29日發(fā)布的《機(jī)器人產(chǎn)業(yè)深度（六）：機(jī)器人的關(guān)節(jié)——高效電機(jī)》
