電子發燒友網報道（文/李寧遠）去年工信部印發了《人形機器人創新發展指導意見》，意見中指出人形機器人將成為繼計算機、智能手機、新能源汽車后的顛覆性產品，并明確了人形機器人發展的目標與時間點。

同時，該意見指出要發展高功率密度執行器，開發面向人形機器人的專用芯片，提升運動控制、認知決策等計算效能，研發適用于人形機器人特點的高能效專用動力組件。此后，各地區就人形機器人產業化，出臺了相關政策提速人形機器人產業化發展。

作為智能機器人的終極賽道，人形機器人能否真正像人一樣靈活運動，圍繞著自由度這個核心技術指標。自由度越多，機器人的通用性和靈活性通常也越好，也需要更好的結構設計和控制硬件與算法。像人形機器人這種多關節的機器人，自由度和應用在其中的電機有著很大關系。

多電機構筑高自由度人形機器人

人形機器人的發展可以說有著很大的想象空間，不論是添加語音識別、還是添加視覺識別，甚至是融入大模型，都可以讓其功能更豐富。但歸根結底機器人能不能執行更多任務，還是要看其自由度。

自由度定義是描述空間運動的剛體所需要的獨立變量的個數，構件和不同的關節組合構成不同自由度的機器人。簡單一點理解，在人形機器人中，絕大部分時候可以把關節驅動模組的個數等同于自由度。

從人形機器人出現開始，機器人技術核心圍繞的一直是自由度。簡單看一下目前國內已經發布的幾款人形機器人，優必選的Walker X用了41個高性能伺服驅動關節，全身共41個自由度；小米Cyber one用的大力矩電機，有24個自由度；智元機器人遠征A1用了多種電機與執行器，全身49個自由度。

最受關注的肯定還是特斯拉的Optimus，Optimus一代軀干共有28個關節驅動器，加上靈巧手，一共40個自由度。在最新的Optimus二代中，頸部又加入了2個關節，現在一共42個自由度。在最早的特斯拉Optimus設計里，設計了頸部的兩個關節，但在Optimus一代里被取消了，Optimus二代為了提高機器人感知范圍，將頸部自由度加了回來。

這42個伺服關節，因為在人形機器人上使用的位置不一樣，需要完成的功能不同，相應的輸出特性也有較大差異，如輸出扭矩、輸出速度、定位精度、旋轉剛度等等。籠統一點來區分，可以大致分為兩類，即旋轉關節27個（含空心杯靈巧手關節），直線關節15個。

這些關節里面，有著大量電機的應用。不同扭矩的旋轉關節由無框力矩電機、諧波減速器、雙編碼器、力矩傳感器、驅動器組成。不同力矩的直線關節由力矩電機、行星滾珠絲杠、單編碼器、力傳感器、驅動器組成。靈巧手關節則用空心杯電機、多級行星減速器、蝸輪蝸桿、編碼器、驅動器組成。

在已公布的Optimus二代的最新演示中，更流暢的行走姿態控制和輕松準確的靈巧手操作也說明特斯拉在不犧牲電機性能的前提下，對電機和執行器進行了減重優化，并優化了控制算法。這些高性能電機與配套組件的精密配合是高自由度人形機器人的基礎，也讓人形機器人能夠實現靈活流暢地完成工作任務。

人形機器人產業化加速拉升大扭矩無框力矩電機需求

靈巧手用的空心杯電機此前電子發燒友已經做過報道，小尺寸大扭矩高效率電機是人形機器人電機重要的發展方向。多數人形機器人采用無框力矩電機本質上也是因為無框力矩電機在大扭矩、高效率、輕量化、集成化上的優異特性。

無框力矩電機是一種特殊的無框架式無刷永磁同步電機，以輸出扭矩為衡量指標，作為一種特殊的伺服電機，無框力矩電機更高的極對數會提供更高扭矩。無框力矩電機同時也屬于直驅電機，直驅電機直接和運動執行部分結合可以省去中間的傳動環節，但對于人形機器人這種應用，單靠電機的扭矩直驅仍然不夠看，所以還是配上減速器用轉速去換扭矩。

除了扭矩大，無框力矩電機的無框設計體積緊湊，便于關節模組的高度集成化進一步縮小體積，對整個模組空間更小的占用也能幫助提高關節模組的效率。為了適應人形機器人的任務需求，高轉矩密度和低轉矩波動的無框力矩電機是實現機器人關節輕量化和高精度流暢運行的基礎。

根據Market Research數據，2022年全球無框力矩電機市場規模為6.69億美元，預計到2029年將達到 12.17 億美元。隨著國內明確了人形機器人發展的目標與時間點，人形機器人產業化速度進一步加快，無框力矩電機的需求進一步擴大，市場規模增速應該會更高。

目前全球的無框力矩電機市場主要廠商包括科爾摩根、TQ-RoboDrive、Aerctech、Parher、Allied Motion、TECNOTIO、Parker等。無框力矩電機最早由科爾摩根的前身公司發明，目前在領域內也是最具技術領先優勢的。國內目前有步科股份、匯川技術、雷賽智能、昊志機電、明志電器、禾川科技等。

步科在無框力矩電機上耕耘很久，在國內是最早的一批，為了助力機器人行業的發展，目前也是推出了首創無框灌封工藝、高度集成的第三代無框力矩電機，集成度提高進一步縮短了關節寬度；昊志機電采用獨創的模塊化定子結構和創新設計的電機冷卻結構，提高了電機的冷卻效率，并進一步提升了電機的輸出特性；雷賽智能近期也跟進了無框力矩電機和微型驅動器，目前正在試產試銷階段；匯川的無框式直驅電機也在不斷提高功率密度。

此外，國內做減速器的廠商也有做配套無框力矩電機的能力。在人形機器人尚未實現完全產業化放量的時候，國內各大廠商的無框力矩電機產能和性能暫時還沒有明顯的差距。隨著今明兩年人形機器人產業化加速，市場格局會出現一些變化。

開發面向人形機器人的專用芯片，從通用到高集成專用

無框力矩電機的定制化程度相較于傳統的伺服電機肯定是更高的，《人形機器人創新發展指導意見》中也明確指出開發面向人形機器人的專用芯片，提升運動控制、認知決策等計算效能。從通用到專用，從分立到集成，是未來人形機器人驅控器件、芯片的發展方向。

在人形機器人設計中，每個關節模組都需要高效地驅動，而高度集成的芯片也有助于實現模組的小型化和人形機器人輕量化。就關節內的驅動器來說，高集成度可以消除電機系統中實施時所需的芯片工藝角驗證，能夠實現系統的進一步優化。未來驅動器還會通過集成更多主控中的功能，帶來更多驅動上的創新。

而主控部分也在往集成化方向轉變，而且還是在高水平下實現控制和驅動器的集成，進一步減少對控制資源的需求，簡化機器人應用中電機控制系統的開發。從通用到專用的轉變，也是為了讓高效率、低功耗和小尺寸特性凸顯，而且專門針對電機驅控的設計更能為人形機器人提供優秀性能和穩定性。

寫在最后

從無框力矩電機到空心杯電機，人形機器人超出預期的發展給電機行業的發展打開了更多市場空間，更高效、更大功率密度、更優異輸出特性、更緊湊的電機會是重要的發展方向。同時，和人形機器人關節用電機配套的減速器、編碼器、力矩傳感器等部件，在人形機器人市場的加速成型下需求也將實現增長。