特斯拉發(fā)布的人形機(jī)器人產(chǎn)品，有望進(jìn)一步推動(dòng)電機(jī)用量的增長(zhǎng)。特斯拉機(jī)器人將采用先進(jìn)的電機(jī)技術(shù)，包括伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，以滿足其各種運(yùn)動(dòng)需求。

人形機(jī)器人也被稱為仿人機(jī)器人或類(lèi)人機(jī)器人，不僅具有人的形態(tài)，還具備了人的功能。它們可以模擬人的肢體運(yùn)動(dòng)，完成各種作業(yè)，并具備感知、學(xué)習(xí)和認(rèn)知的能力。

與傳統(tǒng)的機(jī)器人相比，人形機(jī)器人在環(huán)境適應(yīng)性、任務(wù)操作多樣性和人機(jī)交互方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

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人形機(jī)器人電機(jī)行業(yè)概覽

電機(jī)是人形機(jī)器人的重要部件之一，作為機(jī)器人的核心執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)伺服電機(jī)的性能有著極高的要求。

從電機(jī)用量的角度來(lái)看，單臺(tái)人形機(jī)器人的電機(jī)用量超過(guò)40個(gè)。其中，伺服電機(jī)因其高精度控制特性而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人和通用自動(dòng)化領(lǐng)域，未來(lái)也將成為人形機(jī)器人的主要配置。

機(jī)器人電動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)依賴于各類(lèi)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的力矩和力，以直接或間接方式驅(qū)動(dòng)機(jī)器人本體實(shí)現(xiàn)多樣化運(yùn)動(dòng)。

伺服電機(jī)能夠?qū)⑤斎氲碾妷盒盘?hào)高效地轉(zhuǎn)換為電機(jī)軸上的機(jī)械輸出量，從而精確地控制拖動(dòng)元件的運(yùn)動(dòng)。

在苛刻的運(yùn)行條件下，伺服電機(jī)必須能夠承受頻繁的正反向切換和加減速運(yùn)行，同時(shí)在短時(shí)間內(nèi)承受數(shù)倍的過(guò)載。這種堅(jiān)固耐用的特性是確保機(jī)器人長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素。

此外，步進(jìn)電機(jī)則能夠?qū)㈦娒}沖信號(hào)精確地轉(zhuǎn)換為角位移，為機(jī)器人的精確定位提供了有力支持。

步進(jìn)電機(jī)在人形機(jī)器人的眼睛部位具有較好的適配性，因此在人形機(jī)器人眼部安裝步進(jìn)電機(jī)是一個(gè)理想的選擇。

而力矩電機(jī)作為一種特殊的扁平型多級(jí)永磁直流電動(dòng)機(jī)，通過(guò)降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和轉(zhuǎn)速脈動(dòng)，為機(jī)器人提供了更為穩(wěn)定和可靠的動(dòng)力輸出。

人形機(jī)器人電機(jī)使用圖示：

資料來(lái)源：行行查

特斯拉Optimus人形機(jī)器人擁有高達(dá)40個(gè)自由度，對(duì)應(yīng)著40個(gè)伺服關(guān)節(jié)。由于各關(guān)節(jié)在機(jī)器人身上的位置不同，因此它們的輸出特性也各不相同。靈巧手部分使用了空心杯電機(jī)，關(guān)節(jié)模組采用了無(wú)框力矩電機(jī)，本文章重點(diǎn)梳理空心杯電機(jī)和無(wú)框力矩電機(jī)兩大核心零部件。

空心杯電機(jī)

在微型伺服電機(jī)的世界中，空心杯關(guān)節(jié)以其獨(dú)特的設(shè)計(jì)和高效的性能脫穎而出。

作為直流永磁伺服微特電機(jī)的一種，空心杯電機(jī)歸屬于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的大類(lèi)，但卻擁有與眾不同的轉(zhuǎn)子構(gòu)造、創(chuàng)新的線圈制造技術(shù)和緊湊的尺寸。

傳統(tǒng)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式在空心杯電機(jī)這里得到了徹底的革新。摒棄了常規(guī)的鐵芯轉(zhuǎn)子，而是采用了無(wú)鐵芯設(shè)計(jì)，其電樞繞組形如一個(gè)空心杯，因此得名“空心杯電機(jī)”。這種新穎的結(jié)構(gòu)不僅使電機(jī)更為輕巧，還提高了其效率和響應(yīng)速度。

特斯拉的人形機(jī)器人Optimus就是空心杯電機(jī)應(yīng)用的一個(gè)典型案例。

在這款機(jī)器人的手部設(shè)計(jì)中，共采用了12個(gè)執(zhí)行器，每一個(gè)都由空心杯電機(jī)驅(qū)動(dòng)。這一設(shè)計(jì)不僅保證了手部動(dòng)作的精確性和靈活性，還為人形機(jī)器人的整體性能增色不少。

空心杯電機(jī)的生產(chǎn)設(shè)備供應(yīng)存在一定的壁壘。目前，海外企業(yè)如瑞士的Meteor和日本的NipponSerbig在技術(shù)上處于領(lǐng)先地位，產(chǎn)品系列豐富且可靠性高。

相比之下，我國(guó)設(shè)備廠商起步較晚，技術(shù)水平還存在一定差距。但國(guó)內(nèi)已有如鳴志電器、江蘇雷利/鼎智科技等企業(yè)在空心杯電機(jī)領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展。

鳴志電器成功研發(fā)了無(wú)齒槽&空心杯電機(jī)，這一創(chuàng)新產(chǎn)品采用了獨(dú)有的空心杯繞組設(shè)計(jì)，并已獲得自主專(zhuān)利技術(shù)認(rèn)證。鳴志的空心杯電機(jī)產(chǎn)品線已直接覆蓋8mm至24mm的廣泛規(guī)格范圍。

隨著人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，空心杯電機(jī)的市場(chǎng)需求也呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)未來(lái)幾年內(nèi)，隨著人形機(jī)器人年產(chǎn)量的不斷增加，中國(guó)企業(yè)在空心杯電機(jī)領(lǐng)域的市場(chǎng)占有率將達(dá)到新的高度。

無(wú)框力矩電機(jī)

無(wú)框力矩電機(jī)，一種高效的無(wú)刷直流永磁電機(jī)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器提供的三相交流電源形成旋轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)，從而驅(qū)動(dòng)永磁體轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)中自由轉(zhuǎn)動(dòng)。

它的核心部件包括獨(dú)立的轉(zhuǎn)子和定子：轉(zhuǎn)子由固定在輪轂上的高能稀土磁體制成，輪轂則精巧地安裝在軸和軸承組件上；而定子則由繞組構(gòu)成，并巧妙地安裝在機(jī)械設(shè)備的內(nèi)部。

這種電機(jī)的創(chuàng)新之處在于它摒棄了傳統(tǒng)的外殼和軸承，將轉(zhuǎn)子和定子直接固定在設(shè)備上，同時(shí)利用設(shè)備的外殼實(shí)現(xiàn)保護(hù)，不僅大大節(jié)省了空間，還提高了設(shè)備的防護(hù)等級(jí)。

無(wú)框力矩電機(jī)在人形機(jī)器人領(lǐng)域展現(xiàn)出了卓越的性能。其高扭矩密度使得它能在極小的體積內(nèi)輸出巨大的扭矩，這對(duì)于追求緊湊和輕量的人形機(jī)器人來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。同時(shí)，低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量讓機(jī)器人的動(dòng)作更加迅捷、靈活，而且在啟動(dòng)和停止時(shí)能量消耗更低。

由于無(wú)需額外的外殼，無(wú)框力矩電機(jī)可以輕松地集成到機(jī)器人的關(guān)節(jié)和身體部位中，這種緊密的集成方式不僅有助于模仿人體結(jié)構(gòu)，還為人形機(jī)器人賦予了更自然的外觀和運(yùn)動(dòng)方式。

特斯拉人形機(jī)器人Optimus的所有關(guān)節(jié)執(zhí)行器都搭載了無(wú)框電機(jī)。這種以扭矩為控制方向的電機(jī)采用開(kāi)環(huán)控制，具有低轉(zhuǎn)速、大扭矩、強(qiáng)大的過(guò)載能力、快速響應(yīng)以及優(yōu)異的特性線性度等諸多優(yōu)點(diǎn)。

在特斯拉的Optimus線性執(zhí)行器中，每個(gè)執(zhí)行器都配備了無(wú)框電機(jī)，單臺(tái)機(jī)器人對(duì)無(wú)框電機(jī)的需求量達(dá)到了28個(gè)。

從市場(chǎng)格局方面來(lái)看，在當(dāng)前的無(wú)框力矩電機(jī)市場(chǎng)中，海外企業(yè)依舊穩(wěn)坐領(lǐng)頭羊的位置。諸如美國(guó)的科爾摩根、德國(guó)的威騰斯坦、日本的尼得科以及美國(guó)的派克漢尼汾等，都是這一領(lǐng)域的佼佼者。

科爾摩根憑借其分布式的分?jǐn)?shù)槽及碳纖維綁扎技術(shù)，在降低齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)方面取得了顯著成效，從而確保了電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行，并對(duì)驅(qū)動(dòng)器的要求有所降低。而威騰斯坦則通過(guò)采用模塊化定子和環(huán)氧塑封灌膠技術(shù)，不僅提高了繞組槽滿率，還增強(qiáng)了電機(jī)的散熱能力，進(jìn)而有效提升了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度。#機(jī)器人##人形機(jī)器人##人工智能##科技##財(cái)經(jīng)#

國(guó)內(nèi)企業(yè)如步科股份、昊志機(jī)電等企業(yè)已經(jīng)成功推出了自己的無(wú)框力矩電機(jī)產(chǎn)品，并且在市場(chǎng)上展現(xiàn)出了一定的競(jìng)爭(zhēng)力。

2022年，步科推出了第三代無(wú)框力矩電機(jī)——FMC系列。這一系列產(chǎn)品提供了從52mm到132mm的10種不同框架尺寸，靈活滿足不同用戶的多樣化需求。FMC系列首次采用了無(wú)框灌封工藝，實(shí)現(xiàn)了輕量化設(shè)計(jì)和更薄的機(jī)身。這一創(chuàng)新不僅讓電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度更快、更平穩(wěn)，還大大降低了銅損。