为什么电机对机器人那么重要？

一、机器人主要驱动方式：电力驱动

1. 机器人的驱动方式：电动、液压、气动

工业机器人的驱动系统，按动力源可分为液压，气动和电动。

1）气动驱动：气力驱动系统通常由气缸、气阀、气罐和空压机（或由气压站直接供给）等组成，以压缩空气来驱动执行机构进行工作。其优点是空气来源方便、动作迅速、结构简单、造价低、维修方便、防火防爆、对环境无影响，缺点是操作力小、体积大，又由于空气的压缩性大、速度不易控制、响应慢、动作不平稳、有冲击。因起源压力一般只有60MPa左右，此类机器人适宜抓举力要求较小的场合。

2）液压驱动：液压驱动系统通常由液动机（各种油缸、油马达）、伺服阀、油系、油箱等组成，以压缩机油来驱动执行机构进行工作。其特点是操作力大、体积小、传动平稳且动作灵敏、耐冲击、耐振动、防爆性好。相对于电力驱动，液压驱动的机器人具有大得多的抓举能力，可高达上百千克。但液压驱动系统对密封的要求较高，且不宜在高温或低温的场合工作，要求的制造精度较高，成本也较高。

3）电力驱动：电力驱动是利用电动机产生的力成力矩。直接或经过减速机构驱动机器人，以获得所需的位置、速度和加速度。电力驱动具有电源易取得，无环境污染，响应快，驱动力较大，信号检测、传输、处理方便，可采用多种灵活的控制方案，运动精度高成本低，驱动效率高等优点，是目前机器人使用最多的一种驱动方式。驱动电动机一般采用步进电动机、直流伺服电动机以及交流伺服电动机。由于电动机转速高，通常还需采用减速机构，目前有些机构已开始采用无需减速机构的特制电动机直接驱动，这样既可简化机构，又可提高控制精度。

2. 电机机器人用减速电机重点参数：电压、转速、电流

电机是依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置，主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源，电机主要作用是利用电能转化为机械能。电机分类主要三类：控制电动机、功率电动机、信号电机。控制电机进一步可以划分为伺服电机、力矩电机、步进电机等。

机器人应用减速电机，应该重点考虑如下几个参数：电机运行电压、空载转速、一定转矩下的转速、一定转矩下的电流。

3. 力矩电机更适应人形机器人低速大扭矩的应用特性

机器人关节所采用的关节驱动电机主要有步进电机，无刷直流电机，伺服电机。由于应用需求场景不同，将人形机器人关节与工业机器人、协作机器人关节进行对比优劣没有可比性。工业机器人对精度、寿命要求高，更适合采用伺服电机；人形机器人对控本、提效、力矩和运转稳定的诉求更强，更适合采用力矩无框电机，尤其是直流无框力矩电机。

人形机器人电机有三个关键需求：高效率、高动态和高功率密度。①高效率：低能耗和低摩擦损失很重要，因为机器人通常由电池供电，能经受得起苛刻的运行条件，可进行十分频繁的正反向和加减速运行，能在短时间内承受过载。②高动态：整个驱动器（电机、机构、接线、传感器和控制器）的惯性应尽可能低，电动机从获得指令信号到完成指令所要求的工作状态的时间应短。③高功率密度：机器人应用需要高速、高扭矩电机，这些电机还需要小巧，紧凑，轻巧。

（1）直流电机VS交流电机

直流电动机相较于交流电机拥有准确快速的控制能力，恒定扭矩以实现更高负载，不需要额外的启动设备以减少成本等优势，从而更能够满足人形机器人对于高负载、低成本的需求。直流电机与交流电机的区别：

①控制能力不同：交流电机通过改变输入频率来控制交流电机。而直流电机则直接通过改变电枢电流和电压来控制电机。这从而导致直流电机能够提供准确且快速的控制，更适用于人形机器人。

②力矩性能不同：力矩越大电机的加速性越好。而提高交流电机的速度会导致其力矩降低，直流电机在速度范围内提供恒定的力矩。直流电机加速性好于交流电机，从而能够负载更高的重量，使人形机器人得以从事高负载的劳动。

③启动方式不同：所有直流电机都是自启动的，这意味着它们不需要任何额外的设备即可启动。而交流电机则需要额外的电子设备来启动。因此直流电机可以减少人形机器人部件的数量，从而降低其成本和体积。

（2）有刷电机VS无刷电机

无刷电机避免了有刷电机故障率高、寿命短的缺点，更能够满足人形机器人的需求，目前无刷电机成本更高，大规模应用之后成本有望下降。有刷电机由于存在碳刷，有两个缺点：

①碳刷和换向片之间存在摩擦，导致有刷电机容易产生火花、发热、噪音、对外界环境有电磁干扰。这会导致人形机器人的使用场景受限，无法在一些易燃易爆危险的场景代替人类进行工作。

②碳刷属于损耗品，从而使有刷电机使用寿命短，故障率高，每过一段时间都需要更换和维护，过于频繁的维护需求不利于人形机器人的商业推广与长期使用。

无刷电机由于没有碳刷，从而避免了有刷电机的上述缺点，具有抗干扰能力强、运行声音小、效能高且使用寿命长等优点。

（3）力矩电机VS步进电机

不存在低速时低频振动现象，且能提供恒定的力矩，从而使得力矩电机能够负载更高的重量，更能够满足人形机器人高负载劳动的需求，效率更高更节能。

①步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空负载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，需要采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器。这会增加人形机器人的成本及体积。而力矩电机则不存在这个缺陷。

②步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降。而力矩电机在速度范围内能提供恒定的力矩，这使得力矩电机加速性好于步进电机，从而使得力矩电机能够负载更高的重量，使形机器人得以从事高负载的劳动，提升其效率并且更加节能。

（4）力矩电机VS伺服电机

力矩电机相对于伺服电机能提供更加稳定的力矩和运转速度，且由于不需要使用齿轮减速箱，能够有效降低其成本和体积，减少误差及提升效率，更能够满足人形机器人的需求。

①提供稳定的力矩和运转速度。力矩电机可以在电动机低速甚至堵转（即转子无法转动）时仍能持续运转，不会造成电动机的损坏且可以提供稳定的力矩给负载。力矩电机极高的稳定性利于人形机器人的大范围推广及长期使用。

②不需要使用齿轮减速箱。从而可以减少人形机器人部件的数量，从而最大限度降低其成本和体积。

③维护更加简单，可靠性更高。转子是整个力矩电机系统中唯一的运动部件，其他任何机械组件都可以直接固定在转子上。这使得力矩电机不仅能够减少部件的维护次数，还能够消除其他组件引入的间隙、共振和定位误差。这从而导致力矩电机能够提供准确的控制，更适用于人形机器人。

④效率更高，更节能。机械系统中每增加一个传动部件都将会产生效率的损失。因此减少系统中传动部件，会提高整个系统的效率，从而能够变相的节能，力矩电机有利于提高人形机器人的续航时间及劳动负载。

（5）伺服电机VS力矩电机

伺服电机对精度、寿命、散热等各方面性能均有较高要求。

①常规伺服电机转速通常额定为3000转，最大6000转，人形机器人关节电机输出转速通常不超过300转。

②不结合关节负载大小考虑，在人形机器人上采用无框力矩电机搭配谐波减速器或者行星减速器、在机器狗上采用航模电机搭配一级行星减速器，是能够综合重量、转速、扭矩与成本的较佳方案；工业机械臂中伺服电机搭配谐波减速器的方案不便于小型化，而且成本较高。

③伺服电机的形状通常为细长型，人形机器人关节要求驱动器形状轴向尺寸需要尽可能降低，设计为扁平状，常规伺服电机在人形机器人/机器狗的空间结构上不方便进行排布。

④伺服电机本体对寿命、散热等方面有较高要求，而人形机器人通常不会以工业设备的标准连续长时间工作。

⑤伺服电机常被用于精密设备的控制中，人形机器人关节的精度要求相比数控机床、工业机械臂等应用实际上并不高。

⑥制造成本角度，伺服电机的生产成本高，关节电机量产后降本空间大：过去人形机器人关节电机的价格更多是由于产量低无法均摊研发成本造成的，而不是量产后的真实成本高。

二、人形机器人关节电机：无刷直流（无框）力矩电机

1. Tesla Optimus和几家主流人形机器人的关节电机方案

适用于高动态性能机器人的执行器方案分为三类：带有力矩传感器的高减速比电机、串联弹性执行器（SEA）和半直驱电机（QDD）。（无框）力矩电机，全称为永磁无刷直流（无框）力矩电机，其显著的特征是：较大的径长比、较多数目的磁极，这两点确保了其良好的大扭矩输出性能，同时也呈现较低转速的特性。

这类电机多以无框的形式出现，方便使用者将其集成于相应的机器人关节模组（驱动器）之中。最为典型的是MIT Cheetah团队提出的本体驱动器，特点是：一般会集成10以内小减速比的减速箱，进一步去符合机器人低速大扭矩的应用特性，一般不使用额外的扭矩传感器，通过电流闭环的形式实现力控，永磁体可作为内转子（Cheetah初代版本），也可作为外转子（Cheetah Mini版本）。任意一款集成高减速比谐波减速器的关节驱动器，输出密度都能够轻易做到150 Nm 以上。

Tesla Optimus关节模组采用无框力矩电机，灵巧手采用空心杯电机。Tesla Optimus有40个自由度，对应40个伺服关节，各关节在机器人端的使用位置不一致，相应的输出特性（输出扭矩、输出速度、定位精度、旋转刚度、力感知、自锁、体积）会有所区别，按照原理区分，Tesla Optimus的40个关节可以分为3类：

旋转关节模组(x14)：无框力矩电机+谐波减速器+力传感器+编码器(x2)+驱动器+关节CNC件

直线关节模组(x14)：无框力矩电机+行星滚柱丝杠+力传感器+编码器+驱动器+关节CNC件

灵巧手模组(x12)：空心杯电机+微型多级行星减速箱+蜗轮蜗杆+编码器+驱动器。哈默纳科在23年Q3财报会上提出了“专用伺服电机+微型谐波”驱动模组用于人形机器人灵巧手的新方案，预计单根手指用3个微型谐波减速器，双手一共30个微型谐波减速器。

四足机器人关节电机方案：尺寸和重量共同决定了驱动电机的参数，决定了减速机构的结构、材料、热处理、PCB上的MOS型号、采样电路参数等设计内容。电机的尺寸决定了四足机器狗的尺寸。

2. QDD关节驱动方案在双足人形应用的探讨

随着无框力矩电机的广泛使用，使得半直驱原理（QDD， Quasi-Direct-Drive）的关节驱动器在四足机器人领域得到应用——MITCheetah系列、宇树科技的AlienGo&Laikago、云深处的绝影系列、前沿驱动INNFOS的新四足、智元远征A1，都采用了QDD原理或者类似的关节驱动方案。

QDD在双足仿人（全尺寸，双臂无自由度缺失）领域的应用目前产业界尚无定论，争议主要集中在：峰值输出扭矩及其相应的密度。QDD电机的输出力矩范围为4~45 Nm，特斯拉Optimus手腕关节的输出扭矩为20Nm一个，500 Nm两个，肩关节110Nm，腰腹和髋关节180Nm， 踝膝和手肘关节3800Nm，远远超出了QDD电机的输出力矩范围。这是QDD原理一直被诟病的地方，如果这个问题能够得到良好的解决，将可以替代目前的高减速比谐波原理的驱动器。

3. 灵巧手方案：无刷空心杯电机+多级行星减速箱模组

在灵巧手使用的空心杯电机一般指的是空心杯电机+多级行星减速箱组成的模组。因为空心杯电机高速低扭矩的特性，为了在较小空间内获得较大的手指抓握力，空心杯电机都需要搭配行星减速箱进行使用，一般都会集成2-3级的行星减速箱。

空心杯关节是直流永磁伺服微特电机的一类，从原理上来说属于旋转关节的范畴，具有新颖的转子结构、独特的线圈制造工艺和较小的尺寸。空心杯电机在结构上突破了传统直流电机的结构形式，采用的是无铁芯转子，其电枢绕组为空心杯线圈，形似水杯，因此被称为“空心杯电机“。

人形机器人的空心杯电机以无刷空心杯电机为主。空心杯电机的技术发展趋势：从有刷到无刷。有刷电机采用机械换向，随着电机旋转，电刷沿着换向器滑动，产生动态的磁场，由于电刷和换向器存在相对滑动，容易损耗；无刷电机通过驱动器实现电子换向，因不存在电刷，被称为“无刷电机”。其定子部分使用空心杯绕组，采用无齿槽铁芯设计，具有高转速、长寿命、低噪音的特性，又具有高功率密度、高效率的优势。

三、需求弹性和供给格局

1. 人形机器人产业化，对直流无刷力矩电机的需求弹性分析

2022年全球力矩电机市场规模为6.1亿美元，仅占全球电机市场总体规模的0.4%。根据precedenceresearch数据，2022年全球电机市场规模为1451亿美元，预计到2032年将达到2922亿美元，复合增速7.3%。

根据technavio数据，2017~2022年全球力矩电机市场规模复合增速为8.8%，2022年全球力矩电机市场规模为6.1亿美元，直流无刷力矩电机市场规模约3.5亿美元，占全球力矩电机总市场规模的57%。

我们测算了人形机器人量产对直流无刷力矩电机的需求弹性。当人形机器人年销量分别为100万台时，直流无刷力矩电机年新增市场规模140~280亿元，相当于2022年市场规模的5~11倍。

核心假设：1）以特斯拉人形机器人为例，每个关节都配备一台直流无刷力矩电机，单台人形机器人需配置直流无刷力矩电机28个；2）无框力矩电机价格随量产进程逐年下降，不同的产品定位决定了不同的参数性能，宇树专门为H1人形机器人设计了高扭矩密度的M107关节电机，峰值扭矩360N·m，应用在H1人形机器人的两个膝关节上，髋关节电机扭矩为220N·m，手臂关节为75N·m，踝关节为45N·m。

根据爱采购数据，宇树A1电机最大扭矩33.5Nm，售价为2500元，深圳小象电动科技的驱控一体化关节电机最大扭矩160 Nm，售价为5900元。随着量产之后规模增加，成本有望逐渐降低，我们假设销量达到100万台时，关节电机均价500~1000元。

2. 人形机器人产业化，对空心杯电机的需求弹性分析

空心杯电机属于微特电机的细分产品。据QY Research数据，2022年全球空心杯电机市场规模为7.48亿美元，同比增长10.55%。分地区看，亚太、欧洲、北美地区分别占比 49%、25%和 20%。分产品类别看，2022年有刷空心杯电机市场规模 4.92亿美元，占比65.8%；无刷空心杯电机市场规模2.56亿美元，占比34.2%。

我们测算了人形机器人不同量产规模下，对空心杯电机的需求弹性。当人形机器人年销量分别为10/50/100万台时，空心杯电机市场规模分别为12/48/72亿元，相对于2022年市场规模的弹性分别为35%/139%/209%。

核心假设：1）单台人形机器人用空心杯电机12个；2）空心杯电机价格随量产进程逐年下降，销量10万台时，单价1，000 元；销量50万台时，单价800元；销量达到100万台时，单价600元。

3. 直流无刷力矩电机的供给格局

（1）无框力矩电机的技术壁垒：磁路和工艺设计

无框力矩电机的技术壁垒：磁路和工艺设计。磁路和工艺设计是电机的转矩密度、功率密度是影响机器人性能的重要指标，而无框力矩电机要在低压供电的环境下输出较大的功率，因此在磁路和工艺设计方面存在一定的技术能力要求。海外厂商起步较早，工艺技术存在先发优势，如美国科尔摩根采用分布式的分数槽及碳纤维绑扎技术，德国TQ Robodrive 采用模块化定子和环氧塑封灌胶技术，韩国TM TECH转子采用整体充磁磁环技术。国内企业起步晚，转矩密度和国外高端无框力矩电机相比存在差距。

（2）无框力矩电机供给格局

我国力矩电机厂商处于全球第二梯队。力矩电机全球第一梯队厂商主要有科尔摩根、Aerctech、Parher。我国的力矩电机厂商处于第二梯队，主要厂商有步科股份、雷赛智能、昊志机电等。随市场应用场景的拓展，伺服厂商如汇川技术、禾川科技也有基础切入无框电机市场。

4. 空心杯电机的供给格局

（1）空心杯电机的技术壁垒：绕线方式及设备

线圈制造是空心杯电机的核心流程。空心杯电机生产近30道工序：前段线圈绕制、中段轴承、芯轴、支撑环等核心零部件安装，后段后盖安装和线路板焊线等。线圈的生产包括：漆包线——绕线——加热整形——出线脱漆、接公共线——线圈安装等环节。无铁芯的自支撑绕组由所谓的漆包线制成，这是一根绝缘铜线，外面有一层漆。制造过程中，通过施加压力和温度将相邻电线的漆熔化在一起，适当的粘合（胶带或玻璃纤维）可进一步提高缠绕的强度和形状稳定性，这一点在高电流负载下尤为重要。

线圈的壁垒体现在：

1）绕线方式：空心杯电机按绕线方式有直绕形、马鞍形、斜绕形。直绕形绕制方法工艺较为复杂，多用于较长绕组结构，常为多次绕制而成；马鞍形可减小线圈厚度，在高功率密度电机上有效减小磁路气隙，增加切割磁场的长度，更好地利用定子磁性；斜绕形相对来说绕制简单、排线紧密、适用于大批量生产。

德国、瑞士、日本等国在绕线工艺方面积累了丰富经验，全球空心杯电机三大龙头技术起源于1960年代，瑞士Maxon多采用直绕形和马鞍形，德国Faulhaber、瑞士Portescap多采用斜绕形。国内空心杯电机起步较晚，缺少结合材料细分牌号、转子杯类型对电机的优化，欠缺体系化的正向设计，缺乏定制化要求的系统驱动方案配置与产品设计能力。

2）生产工艺及绕线设备：海外绕线工艺发展早，自动化程度高，国内厂商需要在生产加工环节提高精度、良品率、自动化程度。空心杯电机本身体积较小，对误差的容忍度和普通永磁电机、步进电机相比更低，加工精度直接影响磁场的稳定性。导线粗细、绕组匝数的不同，使得绕组电阻值、启动电流以及速度常数等电机参数存在较大的差异。

国内主要采用绕卷式生产，工艺繁琐，工人劳动强度大，无法完成线径较粗的线圈，废品率高。国外主要采用一次性绕制成型的生产技术，自动化程度较高，生产效率高，线圈线径范围大、线圈质量好、排列紧密，电机种类多、性能好。全球领先的绕线设备制造商有：瑞士Meteor、日本田中精机株式会社、日特机械工程株式会社。国内相对领先的绕线设备制造商包括：中特科技、东莞市台立电子机械有限公司、勤联科技、昆山库克等。

（2）供给格局

海外龙头在空心杯电机领域布局较早，技术经验积累深厚。据QY Research数据，2022年全球空心杯电机CR5=67%，前五名企业有：Faulhaber、Portescap、AlliedMotion Technologies、Maxon Motor及Nidec Copal Corporation。2022年，Maxon营收7.08亿瑞士法郎（约合52.83亿人民币）。下游主要行业以医疗和手工具为主。

产品系列：海外企业发展时间较长，产品系列完善。例如：Maxon提供直径为4~90 mm的无刷/有刷空心杯电机，Maxon和Faulhaber有刷空心杯电机最小直径均为6mm， Maxon和Faulhaber无刷空心杯电机直径分别为4 mm和3mm。国内空心杯电机企业的产品覆盖度相对海外龙头需要进一步提升，鸣志电器产品覆盖直径为8~24的有刷空心杯电机，直径为13、16、22mm的无刷空心杯电机.Portescap和鸣志电器较为接近，有刷空心杯最小直径为8mm，无刷空心杯直径分别为12mm、13mm。

与海外龙头企业产品性能相比，我国空心杯电机部分品类的产品性能接近或达到海外龙头，高端产品在功率、效率等方面存在差距。

1）比较直径为8mm、额定电压6V的有刷空心杯电机产品参数，鸣志电器的产品在功率密度和效率上与Maxon、Faulhaber、Portescap的产品存在差距。鼎智科技、拓邦股份、伟创电气8mm的产品处于验证或开发阶段。

2）比较直径为16mm、电压12V的无刷空心杯电机产品参数，鸣志电器的产品在功率密度和效率上与Maxon的产品参数性能相当，比较直径为16mm、电压18V的无刷空心杯电机产品参数，鼎智科技的产品在功率密度和效率上与Maxon的同类型产品参数性能相当。

风险提示：1）产业进展低于预期；2）竞争环境恶化；3）新技术的应用速度低于预期。

本文来自微信公众号：国君产业研究（ID：industryRCofG），作者：肖群稀、鲍雁辛