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，人形機器人正逐漸從實驗室走向現(xiàn)實應(yīng)用。其核心組成部分——驅(qū)動電機，直接決定了機器人的運動性能、能耗水平和動態(tài)響應(yīng)能力。根據(jù)驅(qū)動方式的不同，機器人驅(qū)動系統(tǒng)可分為液壓驅(qū)動、氣體驅(qū)動和電機驅(qū)動三大類。其中，電機驅(qū)動因具有高精度、髙效率、易控制等優(yōu)勢，成為人形機器人的主流驅(qū)動方式。

二、機器人驅(qū)動方式概述

1. 液壓驅(qū)動：以液體（如液壓油）為工作介質(zhì)，通過液壓泵和閥控系統(tǒng)實現(xiàn)動力傳遞。其優(yōu)點是輸出扭矩大、響應(yīng)速度快，適用于大型重載機器人（如工業(yè)搬運機器人），但存在系統(tǒng)復(fù)雜、易泄漏、維護成本高等問題。

2. 氣體驅(qū)動：依賴壓縮空氣產(chǎn)生動力，具有清潔、防爆等優(yōu)點，常用于醫(yī)療輔助機器人等對防護性要求較高的場景，但功率密度較低，控制精度有限。

3. 電機驅(qū)動：通過電能轉(zhuǎn)化為機械能，具有控制精度高、動態(tài)響應(yīng)快、能效比優(yōu)等特點，是目前人形機器人領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛的驅(qū)動方式。下文將重點圍繞電機驅(qū)動的細(xì)分類型展開討論。

三、人型機器人驅(qū)動電機分類與功能特點

1. 伺服電機

? 技術(shù)介紹：

? 伺服電機是一種閉環(huán)控制電機，通過內(nèi)置編碼器實時反饋位置、速度或力矩信號，并與控制器形成閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。目前主流伺服電機采用永磁同步電機（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），實現(xiàn)微米級定位精度。

? 功能特點：

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

? 動態(tài)響應(yīng)快：響應(yīng)時間低于1 ms，加速度可達(dá)10,000 rad/s2。

? 過載能力強：短時過載能力可達(dá)額定扭矩的3-5倍。

? 適配場景：

? 主要用于人形機器人的大關(guān)節(jié)驅(qū)動，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動，伺服電機可通過高剛度傳動鏈（如諧波減速器）實現(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)），并集成溫度補償算法，解決長時間運行時的熱漂移問題。此外，部分高端機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

? 技術(shù)介紹：

? 空心杯電機屬于微型直流伺服電機，其轉(zhuǎn)子采用無鐵芯設(shè)計（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現(xiàn)高磁能積。

? 功能特點：

? 髙效節(jié)能：效率可達(dá)85%以上，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)有刷電機（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)電機減輕50%。

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

? 適配場景：

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

? 新進(jìn)展：

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

3. 步進(jìn)電機

? 技術(shù)介紹：

? 步進(jìn)電機是一種開環(huán)控制電機，通過接收脈沖信號驅(qū)動轉(zhuǎn)子分段旋轉(zhuǎn)（每脈沖對應(yīng)固定角度）?；旌鲜讲竭M(jìn)電機（結(jié)合永磁和可變磁阻特性）成為主流，細(xì)分驅(qū)動技術(shù)可實現(xiàn)微步控制（極高可達(dá)51200步/轉(zhuǎn)）。

? 功能特點：

? 結(jié)構(gòu)簡單：無需編碼器即可實現(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：無電刷磨損，壽命長達(dá)10萬小時。

? 適配場景：

? 適用于對精度要求適中、運動頻率較低的部位，如人形機器人的腰部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和頸部俯仰關(guān)節(jié)。這些部位運動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)電機存在振動噪聲大、高速失步等問題。2024年后推出的新型步進(jìn)電機采用閉環(huán)編碼器反饋（偽伺服模式），將定位精度提升至±0.05°，同時通過諧振抑制算法降低振動。

4. 無框力矩電機

? 技術(shù)介紹：

無框力矩電機省去了傳統(tǒng)電機的外殼、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。其工作原理類似直接驅(qū)動電機（DD Motor），但扭矩密度更高。

? 功能特點：

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

? 零背隙傳動：無需傳動鏈，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)性運動（如跳躍、攀爬）。

? 新進(jìn)展：

? 2025年行業(yè)開始推廣液冷式無框電機，通過內(nèi)置微型流道將散熱效率提升200%，解決高速持續(xù)運行時的過熱問題。同時，采用分段繞組設(shè)計實現(xiàn)故障容錯（單相失效仍可降額運行）。

5. 軸向磁通電機

? 技術(shù)介紹：

? 軸向磁通電機（AFPM）的磁通方向與電機軸平行，定子和轉(zhuǎn)子呈雙盤或多盤對向排列。其氣隙磁場為軸向分布，與傳統(tǒng)徑向磁通電機相比，縮短了磁路長度，降低了磁阻損耗。

? 功能特點：

? 超高功率密度：功率密度可達(dá)10 kW/kg，較伺服電機提高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%。

? 適配場景：

? 適用于對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，軸向磁通電機的高動態(tài)特性可顯著提升運動性能。

?技術(shù)挑戰(zhàn)與進(jìn)展：

? 截至2025年9月15日，軸向磁通電機的成本仍高于傳統(tǒng)電機（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)已在新一代人形機器人腿部驅(qū)動中試點應(yīng)用，預(yù)計2026年后隨供應(yīng)鏈成熟逐步降本。

四、適配場景綜合對比與選型原則

? 人形機器人驅(qū)動電機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)先選擇無框力矩電機或軸向磁通電機；精細(xì)操作部位（如手指）選用空心杯電機。

2. 動態(tài)響應(yīng)：高速運動關(guān)節(jié)（如肘部）需采用高響應(yīng)伺服電機；低速關(guān)節(jié)（如頸部）可選用步進(jìn)電機。

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

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

五、未來發(fā)展趨勢

1. 混合驅(qū)動方案：單關(guān)節(jié)融合多種電機（如伺服電機+空心杯電機）實現(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的標(biāo)準(zhǔn)配置。

4. 智能化集成：電機本體集成振動傳感器、溫度傳感器及自診斷算法，實現(xiàn)預(yù)測性維護。