一、引言

隨著人工智能、材料科學(xué)和精密制造技術(shù)的快速發(fā)展，人形機(jī)器人正逐漸從實(shí)驗(yàn)室走向現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。其核心組成部分——驅(qū)動(dòng)電機(jī)，直接決定了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能、能耗水平和動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式的不同，機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可分為液壓驅(qū)動(dòng)、氣體驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)三大類(lèi)。其中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)因具有高精度、髙效率、易控制等優(yōu)勢(shì)，成為人形機(jī)器人的主流驅(qū)動(dòng)方式。

二、機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式概述

1. 液壓驅(qū)動(dòng)：以液體（如液壓油）為工作介質(zhì)，通過(guò)液壓泵和閥控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞。其優(yōu)點(diǎn)是輸出扭矩大、響應(yīng)速度快，適用于大型重載機(jī)器人（如工業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人），但存在系統(tǒng)復(fù)雜、易泄漏、維護(hù)成本高等問(wèn)題。

2. 氣體驅(qū)動(dòng)：依賴(lài)壓縮空氣產(chǎn)生動(dòng)力，具有清潔、防爆等優(yōu)點(diǎn)，常用于醫(yī)療輔助機(jī)器人等對(duì)防護(hù)性要求較高的場(chǎng)景，但功率密度較低，控制精度有限。

3. 電機(jī)驅(qū)動(dòng)：通過(guò)電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，具有控制精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、能效比優(yōu)等特點(diǎn)，是目前人形機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛的驅(qū)動(dòng)方式。下文將重點(diǎn)圍繞電機(jī)驅(qū)動(dòng)的細(xì)分類(lèi)型展開(kāi)討論。

三、人型機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)分類(lèi)與功能特點(diǎn)

1. 伺服電機(jī)

? 技術(shù)介紹：

? 伺服電機(jī)是一種閉環(huán)控制電機(jī)，通過(guò)內(nèi)置編碼器實(shí)時(shí)反饋位置、速度或力矩信號(hào)，并與控制器形成閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。目前主流伺服電機(jī)采用永磁同步電機(jī)（PMSM）技術(shù)，結(jié)合高精度傳感器（如光學(xué)編碼器）和先進(jìn)控制算法（如FOC矢量控制），實(shí)現(xiàn)微米級(jí)定位精度。

? 功能特點(diǎn)：

? 高精度：位置誤差可控制在±0.01°以?xún)?nèi)，重復(fù)定位精度達(dá)微米級(jí)。

? 動(dòng)態(tài)響應(yīng)快：響應(yīng)時(shí)間低于1 ms，加速度可達(dá)10,000 rad/s2。

? 過(guò)載能力強(qiáng)：短時(shí)過(guò)載能力可達(dá)額定扭矩的3-5倍。

? 適配場(chǎng)景：

? 主要用于人形機(jī)器人的大關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)，如肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)。這些部位需承受較大負(fù)載且需高頻次高精度運(yùn)動(dòng)，伺服電機(jī)可通過(guò)高剛度傳動(dòng)鏈（如諧波減速器）實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)力控與軌跡跟蹤。

? 新進(jìn)展（截至2025年9月15日）：

新一代伺服電機(jī)采用多環(huán)協(xié)同控制技術(shù)（位置-速度-力矩三環(huán)閉環(huán)），并集成溫度補(bǔ)償算法，解決長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)的熱漂移問(wèn)題。此外，部分高端機(jī)型采用碳纖維繞組技術(shù)，將功率密度提升至5 kW/kg以上。

2. 空心杯電機(jī)

? 技術(shù)介紹：

? 空心杯電機(jī)屬于微型直流伺服電機(jī)，其轉(zhuǎn)子采用無(wú)鐵芯設(shè)計(jì)（通常為空心杯狀繞組），消掉了傳統(tǒng)鐵芯渦流損耗，并采用釹鐵硼磁鋼實(shí)現(xiàn)高磁能積。

? 功能特點(diǎn)：

? 髙效節(jié)能：效率可達(dá)85%以上，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)有刷電機(jī)（60%-70%）。

? 輕量化：功率密度可達(dá)1.5 kW/kg，重量較同功率標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)減輕50%。

? 低慣性：轉(zhuǎn)子慣性極低，啟停響應(yīng)時(shí)間低于10 ms。

? 適配場(chǎng)景：

? 主要用于人形機(jī)器人的末端執(zhí)行器，如靈巧手指關(guān)節(jié)。這些部位需在有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)精細(xì)操作（如抓取、捏合），并要求低振動(dòng)、低噪聲運(yùn)行。

? 新進(jìn)展：

? 2025年發(fā)布的第三代空心杯電機(jī)采用印刷電路板（PCB）定子技術(shù)，進(jìn)一步縮減軸向尺寸，同時(shí)支持峰值扭矩短時(shí)倍增模式（持續(xù)0.1-0.5 s），滿(mǎn)足突發(fā)負(fù)載需求。

3. 步進(jìn)電機(jī)

? 技術(shù)介紹：

? 步進(jìn)電機(jī)是一種開(kāi)環(huán)控制電機(jī)，通過(guò)接收脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子分段旋轉(zhuǎn)（每脈沖對(duì)應(yīng)固定角度）?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)（結(jié)合永磁和可變磁阻特性）成為主流，細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)微步控制（極高可達(dá)51200步/轉(zhuǎn)）。

? 功能特點(diǎn)：

? 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單：無(wú)需編碼器即可實(shí)現(xiàn)位置控制，成本較低。

? 低速高扭矩：在低速范圍內(nèi)保持恒定扭矩輸出。

? 可靠性高：無(wú)電刷磨損，壽命長(zhǎng)達(dá)10萬(wàn)小時(shí)。

? 適配場(chǎng)景：

? 適用于對(duì)精度要求適中、運(yùn)動(dòng)頻率較低的部位，如人形機(jī)器人的腰部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和頸部俯仰關(guān)節(jié)。這些部位運(yùn)動(dòng)速度低且需保持靜態(tài)自鎖（如頭部姿態(tài)維持）。

? 技術(shù)局限與改進(jìn)：

? 傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)存在振動(dòng)噪聲大、高速失步等問(wèn)題。2024年后推出的新型步進(jìn)電機(jī)采用閉環(huán)編碼器反饋（偽伺服模式），將定位精度提升至±0.05°，同時(shí)通過(guò)諧振抑制算法降低振動(dòng)。

4. 無(wú)框力矩電機(jī)

? 技術(shù)介紹：

無(wú)框力矩電機(jī)省去了傳統(tǒng)電機(jī)的外殼、軸承和輸出軸，僅保留定子與轉(zhuǎn)子組件，可直接嵌入關(guān)節(jié)內(nèi)部與減速器集成。其工作原理類(lèi)似直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)（DD Motor），但扭矩密度更高。

? 功能特點(diǎn)：

? 高集成度：與關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，空間利用率提升40%以上。

? 零背隙傳動(dòng)：無(wú)需傳動(dòng)鏈，避免齒輪嚙合誤差。

? 高扭矩密度：峰值扭矩可達(dá)500 Nm以上，扭矩密度達(dá)15 Nm/kg。

? 適配場(chǎng)景：

? 主要用于高扭矩且空間受限的關(guān)節(jié)，如髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)。這些部位需在緊湊空間內(nèi)輸出大扭矩，并支持爆發(fā)性運(yùn)動(dòng)（如跳躍、攀爬）。

? 新進(jìn)展：

? 2025年行業(yè)開(kāi)始推廣液冷式無(wú)框電機(jī)，通過(guò)內(nèi)置微型流道將散熱效率提升200%，解決高速持續(xù)運(yùn)行時(shí)的過(guò)熱問(wèn)題。同時(shí)，采用分段繞組設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)故障容錯(cuò)（單相失效仍可降額運(yùn)行）。

5. 軸向磁通電機(jī)

? 技術(shù)介紹：

? 軸向磁通電機(jī)（AFPM）的磁通方向與電機(jī)軸平行，定子和轉(zhuǎn)子呈雙盤(pán)或多盤(pán)對(duì)向排列。其氣隙磁場(chǎng)為軸向分布，與傳統(tǒng)徑向磁通電機(jī)相比，縮短了磁路長(zhǎng)度，降低了磁阻損耗。

? 功能特點(diǎn)：

? 超高功率密度：功率密度可達(dá)10 kW/kg，較伺服電機(jī)提高3倍以上。

? 扁平化結(jié)構(gòu)：軸向尺寸減少50%，更適合關(guān)節(jié)內(nèi)置。

? 髙效率區(qū)間寬：在20%-95%負(fù)載范圍內(nèi)效率大于90%。

? 適配場(chǎng)景：

? 適用于對(duì)重量和空間極度敏感的高扭矩部位，如腿部關(guān)節(jié)（髖、膝、踝）和肩部復(fù)合關(guān)節(jié)。這些部位需頻繁啟停且承受沖擊負(fù)載，軸向磁通電機(jī)的高動(dòng)態(tài)特性可顯著提升運(yùn)動(dòng)性能。

?技術(shù)挑戰(zhàn)與進(jìn)展：

? 截至2025年9月15日，軸向磁通電機(jī)的成本仍高于傳統(tǒng)電機(jī)（約2-3倍），主要因永磁體用量大且制造工藝復(fù)雜（需分段斜極技術(shù)）。此外，散熱需依賴(lài)陶瓷基板導(dǎo)熱或油冷方案。目前該技術(shù)已在新一代人形機(jī)器人腿部驅(qū)動(dòng)中試點(diǎn)應(yīng)用，預(yù)計(jì)2026年后隨供應(yīng)鏈成熟逐步降本。

四、適配場(chǎng)景綜合對(duì)比與選型原則

? 人形機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型需綜合考量以下因素：

1. 負(fù)載特性：大慣性負(fù)載關(guān)節(jié)（如髖部）優(yōu)先選擇無(wú)框力矩電機(jī)或軸向磁通電機(jī)；精細(xì)操作部位（如手指）選用空心杯電機(jī)。

2. 動(dòng)態(tài)響應(yīng)：高速運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)（如肘部）需采用高響應(yīng)伺服電機(jī)；低速關(guān)節(jié)（如頸部）可選用步進(jìn)電機(jī)。

3. 空間約束：緊湊型關(guān)節(jié)（如踝部）適用軸向磁通電機(jī)或無(wú)框電機(jī)；非受限空間可選用標(biāo)準(zhǔn)伺服電機(jī)。

4. 能效要求：高運(yùn)動(dòng)頻率部位（如膝關(guān)節(jié)）需選擇髙效電機(jī)（如空心杯或軸向磁通電機(jī)）以降低熱損耗。

五、未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

1. 混合驅(qū)動(dòng)方案：?jiǎn)侮P(guān)節(jié)融合多種電機(jī)（如伺服電機(jī)+空心杯電機(jī)）實(shí)現(xiàn)高低速協(xié)同控制。

2. 材料創(chuàng)新：非稀土永磁材料（如鐵氮永磁）和碳納米管繞組技術(shù)有望進(jìn)一步減輕重量、降低成本。

3. 熱管理革命：相變材料（PCM）散熱和微流道液冷技術(shù)將成為高功率密度電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置。

4. 智能化集成：電機(jī)本體集成振動(dòng)傳感器、溫度傳感器及自診斷算法，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)。