人形機器人核心零部件之 "電機"

 根據旋轉電機的具體用途對其進行了基本的分類, 其中最具代表性的三種類型分別為控制電機, 功率電機和信號電機. 控制電機主要是應用在精確的轉速, 位置控制上, 在控制系統中作為執行機構. 無框力矩電機的分類在控制電機之中.

機器人關節所採用的關節驅動電機主要有步進電機, 無刷直流電機, 伺服電機. 由於應用需求場景不同, 工業機器人對精度, 壽命要求高, 更適合採用伺服電機; 人形機器人對控本, 提效, 力矩和運轉穩定的訴求更強, 更適合採用力矩無框電機, 尤其是直流無框力矩電機.

力矩電機相對於伺服電機能提供更加穩定的力矩和運轉速度, 且由於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, 更能夠滿足人形機器人的需求. 伺服電機對精度, 壽命, 散熱等各方面性能均有較高要求.

無框力矩電機通常也是永磁同步電機, 是傳統電機中用於產生扭矩和速度的部分, 但沒有軸, 軸承, 外殼或端蓋. 無框電機只有兩個部件: 轉子和定子. 轉子通常是內部部件, 由帶永磁體的旋轉鋼圓環組件構成, 直接安裝在機器軸上.

磁路和工藝設計是電機的轉矩密度, 功率密度是影響機器人性能的重要指標, 而無框力矩電機要在低壓供電的環境下輸出較大的功率, 因此在磁路和工藝設計方面存在一定的技術能力要求. 海外廠商起步較早, 工藝技術存在先發優勢. 台灣相關概念股有大銀,  直得等.

Optimus 的 28 個關節中均搭載無框力矩電機作為動力源頭. Optimus 的 14 個旋轉關節結構為無框力矩電機+諧波減速器, 14 個直線關節結構為無框力矩電機+行星滾柱螺桿. 無框力矩電機體積小, 扭矩大的特點適配人形機器人關節驅動的需求.

空心杯電機是一種微型伺服直流電機, 得名於其轉子部分的設計. 空心杯電機的轉子在結構上突破了傳統電機的轉子結構形式, 採用的是無鐵芯轉子, 是一個空心的杯狀結構, 內部環繞著繞組和磁鐵.

空心杯電機性能表現卓越, 引領高端應用領域創新. 空心杯電機效率高, 轉速快. 空心杯電機的最高效率都在 65%~85%之間, 最高的可達 90%, 而有刷直流電機的最高效率一般都在 50%左右. 空心杯電機響應快, 壽命長, 體積小, 運行穩.

空心杯電機排名前列的公司分別是 Maxon Motor, Faulhaber, Portescap, Allied Motion Technologies, 及 Nidec Copal Corporation; 海外公司成立年份較早, 產品橫向, 縱向布局均較為完善, 具備大量的驅動配置方案, 且均為全球化企業.

Optimus 靈巧手單手共有 11 個自由度 (6 個主動自由度和 5 個被動自由度) 和 6 個執行器, 包括大拇指有兩個執行器, 其余 4 個手指各有 1 個. 特斯拉靈巧手採用了一體化的空心杯電機模組, 其中空心杯電機作為主要驅動/執行裝置, 並配有多種精密齒輪和傳感器.

人形機器人產業的快速發展將為靈巧手市場帶來增量需求, 預計保守情況下, 2030 年全球人形機器人靈巧手市場規模為 320.6 億元, 2023-2030 年間 CAGR 為 81.2%, 樂觀情況下達 879.7 億元, 2023-2030 年 CAGR 為 109.3%.