去年，工业和信息化部发布了《人形机器人创新发展指导意见》，指出人形机器人将成为继计算机、智能手机和新能源汽车之后的颠覆性产品，明确了人形机器人发展的目标和时间点。 同时，本意见指出，要开发高功率密度执行器，开发人形机器人专用芯片，提高运动控制、认知决策等计算效率，开发适合人形机器人特点的高效专用动力组件。此后，各地区出台了加快人形机器人产业化发展的相关政策。 以自由度为核心技术指标，人形机器人作为智能机器人的终极轨道，能否真正像人一样灵活运动。机器人的通用性和灵活性越好，硬件和算法也需要更好的结构设计和控制。像人形机器人这样的多关节机器人的自由度与应用于其中的电机密切相关。 多电机构筑高自由度人形机器人 人形机器人的发展可以说有很大的想象空间。无论是添加语音识别、视觉识别，甚至是大模型，它都可以丰富其功能。但归根结底，机器人能否执行更多的任务取决于其自由度。 自由度定义是描述空间运动刚体所需的独立变量的数量，构件与不同关节的组合构成不同自由度的机器人。简单地说，在人形机器人中，关节驱动模块的数量大多可以等同于自由度。 自人形机器人出现以来，机器人技术的核心一直围绕着自由。简单看看国内已经发布的几款人形机器人，Walker是最好的选择 X使用41个高性能伺服驱动关节，全身共41个自由度；小米Cyber one使用的大扭矩电机有24个自由度；智元机器人远征A1使用各种电机和执行器，全身有49个自由度。 最受关注的肯定是特斯拉的Optimus。Optimus一代躯干有28个关节驱动器和40个自由度。在最新的Optimus二代中，颈部增加了两个关节，现在共有42个自由度。在最早的特斯拉Optimus设计中，颈部的两个关节被设计，但在Optimus一代中被取消。为了提高机器人的感知范围，Optimus二代增加了颈部的自由度。 这42个伺服关节由于在人形机器人上使用的位置不同，需要完成的功能也不同，如输出扭矩、输出速度、定位精度、旋转刚度等。一般来说，它可以大致分为两类，即27个旋转关节（包括空心杯灵巧手关节）和15个直线关节。 在这些关节中，有大量的电机应用。不同扭矩的旋转关节由无框扭矩电机、谐波减速器、双编码器、扭矩传感器和驱动器组成。不同扭矩的直线关节由扭矩电机、行星滚珠丝杠、单编码器、力传感器和驱动器组成。灵巧的手关节由空心杯电机、多级行星减速器、蜗轮蜗杆、编码器和驱动器组成。 在第二代Optimus发布的最新演示中，更流畅的行走姿势控制和轻松准确的手动操作也表明，特斯拉在不牺牲电机性能的情况下优化了电机和执行器的减肥和控制算法。这些高性能电机与配套部件的精确配合是高自由度人形机器人的基础，也使人形机器人能够灵活顺利地完成工作任务。 人形机器人产业化加速拉升大扭矩无框扭矩电机需求 电子爱好者之前已经报道过，小尺寸、大扭矩、高效率的电机是人形机器人电机的重要发展方向。大多数人形机器人使用无框扭矩电机，本质上是因为无框扭矩电机在大扭矩、高效、轻量化、集成等方面具有优异的特性。 无框扭矩电机是一种特殊的无框无刷永磁同步电机，以输出扭矩为衡量指标。作为一种特殊的伺服电机，无框扭矩电机的极对数会提供更高的扭矩。无框扭矩电机也属于直接驱动电机。直接驱动电机与运动执行部分的直接结合可以节省中间传动环节。然而，对于人形机器人的应用，仅仅依靠电机的扭矩直接驱动是不够的， 电子元器件采购网 因此它仍然与减速器一起使用转速来更换扭矩。 除了大扭矩外，无框扭矩电机的无框设计体积紧凑，便于关节模块的高度集成，进一步缩小体积，减少整个模块空间的占用也有助于提高关节模块的效率。高扭矩密度、低扭矩波动的无框扭矩电机是实现机器人关节轻量化、高精度流畅运行的基础，以满足人形机器人的任务需要。 根据Market Research数据显示，2022年全球无框力矩电机市场规模为6.69亿美元，预计到2029年将达到6.69亿美元 12.17 亿美元。随着我国人形机器人发展目标和时间点的明确，人形机器人产业化进一步加快，对无框扭矩电机的需求进一步扩大，市场规模增长应更高。 目前，科尔摩根是全球无框扭矩电机市场的主要制造商TQ-RoboDrive、Aerctech、Parher、Allied Motion、TECNOTIO、Parker等。科尔摩根的前身公司最早发明了无框扭矩电机，目前在该领域也是最具技术领先优势的。目前国内有步科股份、汇川技术、雷赛智能、浩志机电、明志电器、河川科技等。 步科长期从事无框扭矩电机，是中国最早的一批。为了帮助机器人产业的发展，它还推出了第一个无框灌封技术和高度集成的第三代无框扭矩电机，进一步缩短了关节宽度；浩志机电采用原模块化定子结构和创新设计的电机冷却结构，提高了电机的冷却效率，并进一步提高了电机的输出特性；雷赛智能最近也跟进了无框扭矩电机和微型驱动器，目前正处于试生产和销售阶段；汇川无框直驱电机也在不断提高功率密度。 此外，国内减速器制造商也有能力支持无框扭矩电机。 此外，国内减速器制造商也有能力支持无框扭矩电机。当人形机器人尚未完全工业化时，国内主要制造商的无框扭矩电机的生产能力和性能没有明显差距。随着今明两年人形机器人产业化的加快，市场格局将发生一些变化。 为人形机器人开发专用芯片，从通用到高集成 与传统伺服电机相比，无框扭矩电机的定制度必须更高。《人形机器人创新发展指导意见》还明确指出，开发人形机器人专用芯片，提高运动控制、认知决策等计算效率。未来人形机器人驱动器件、芯片的发展方向是从通用到专用，从分离到集成。 在人形机器人的设计中，每个关节模块都需要高效的驱动，高度集成的芯片也有助于实现模块的小型化和人形机器人的轻量化。对于关节内的驱动器，高集成度可以消除电机系统实施所需的芯片工艺角验证，从而实现系统的进一步优化。未来，驱动器将通过整合更多的主控功能带来更多的驱动创新。 主控制部分也在向集成方向转变，控制和驱动集成仍在高水平实现，进一步减少对控制资源的需求，简化机器人应用中电机控制系统的开发。从通用到特殊的转变也是为了突出高效、低功耗和小尺寸的特点，特殊的电机驱动控制设计可以为人形机器人提供优异的性能和稳定性。 写在最后 从无框扭矩电机到空心杯电机，人形机器人的发展为电机行业的发展开辟了更大的市场空间。更高效、更大的功率密度、更好的输出特性和更紧凑的电机机会是一个重要的发展方向。同时，减速器、编码器、扭矩传感器等与人形机器人关节电机相匹配的部件，在人形机器人市场的加速成型下，需求也会增加。

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