人形機器人電機是依據(jù)電磁感應定律實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換或傳遞，從而產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的電磁裝置，在人形機器人中起著至關(guān)重要的作用。它被視為機器人的執(zhí)行單元，根據(jù)需要被安裝在各關(guān)節(jié)上控制關(guān)節(jié)運動，直接決定著機器人的性能表現(xiàn)，堪稱人形機器人運動的 “心臟”。
機器人關(guān)節(jié)是機器人的基礎(chǔ)部件，而電機作為關(guān)節(jié)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，具有減速、傳動、提升扭矩等功能。人形機器人通常使用于人類的日常生活環(huán)境中，具備類似人類的感知、決策、行為以及擬人化的移動特性。在這個過程中，電機負責驅(qū)動機器人的各個關(guān)節(jié)，實現(xiàn)諸如行走、跑、彈跳等動作。
從價值量占比來看，電機在人形機器人核心零部件中的價值量占比高達 25%。以特斯拉人形機器人為例，其全身有 28 個執(zhí)行器，部分執(zhí)行器采用無框力矩電機，而靈巧手則使用空心杯電機。單臺機器人裝配 12 個空心杯電機（左右手各 6 個）。
電機技術(shù)的不斷進步，也在推動著人形機器人技術(shù)的發(fā)展。從有刷電機到無刷電機，從普通電機到空心杯電機等，這些創(chuàng)新不僅提高了電機的性能，也使得人形機器人的運動更加精準、靈活和高效。隨著人工智能的發(fā)展和政策的支持，人形機器人市場正迎來巨大的增長潛力，這也將為電機市場帶來廣闊的發(fā)展空間。
動力電機和控制電機的特點及應用場景：動力電機輸出功率大，注重電機的驅(qū)動、運行及制動性能，常應用于汽車、家電、小型機床等領(lǐng)域。例如，在汽車中，動力電機為車輛提供強大的動力，驅(qū)動車輛行駛。控制電機側(cè)重電機輸出量的幅頻特性、相頻特性及輸出特性的精度、靈敏度，主要在自動控制系統(tǒng)中承擔執(zhí)行、檢測和解算功能，適用于機器人、半導體、光伏、鋰電、工業(yè)自動化等領(lǐng)域。
控制電機的細分：
步進電機：結(jié)構(gòu)簡單，把電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移，每輸入一個脈沖信號，就按照設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度。通常用于開環(huán)控制系統(tǒng)，如辦公自動化、通信設(shè)備、印刷設(shè)備等領(lǐng)域。但其效率和控制精度相對較低。
伺服電機：相較于步進電機，增加了編碼器與反饋機制，控制精度高、響應速度快。廣泛應用于需要精密控制的場合，如半導體、光伏、鋰電、工業(yè)自動化、機器人等?？招谋姍C屬于特殊的伺服電機，采用無鐵芯轉(zhuǎn)子，具有體積小、控制精度高、壽命長、轉(zhuǎn)速快、能效高、能量密度大等優(yōu)勢。
力矩電機：以扭矩為控制方向，能夠在電機低速甚至堵轉(zhuǎn)時仍能提供穩(wěn)定的力矩給負載。具有低轉(zhuǎn)速、大扭矩、過載能力強、響應快等優(yōu)點，分為有框力矩電機和無框力矩電機。
有刷空心杯電機和無刷空心杯電機的結(jié)構(gòu)差異：有刷空心杯電機轉(zhuǎn)子無鐵芯，采用機械電刷換向，磁極不動，線圈旋轉(zhuǎn)。電機工作時，線圈和換向器旋轉(zhuǎn)，磁鋼和碳刷不轉(zhuǎn)，通過碳刷和換向器的接觸，將電能轉(zhuǎn)換為機械能。無刷空心杯電機定子無鐵芯，采用電子換向，線圈不動，磁極旋轉(zhuǎn)。通過電子換向器，根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置自動調(diào)整電流方向，實現(xiàn)無火花運行。
兩者在換向方式、控制方式、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、是否有霍爾傳感器及壽命等方面的區(qū)別：
換向方式：有刷空心杯電機采用機械電刷換向，運行過程中存在相對摩擦，會產(chǎn)生噪聲、電火花，降低電機使用壽命。無刷空心杯電機采用電子換向，具有效率高、轉(zhuǎn)矩波動小、使用壽命高、結(jié)構(gòu)精巧，維護方便，易保養(yǎng)等特點。
控制方式：有刷空心杯電機采用電流控制；無刷空心杯電機需要搭配電機驅(qū)動器實現(xiàn)驅(qū)動控制。
轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)：有刷空心杯電機是線圈、換向器和連接板在外殼和永磁體中間旋轉(zhuǎn)，共同組成轉(zhuǎn)子；無刷空心杯電機的線圈固定，磁鐵在中間旋轉(zhuǎn)，同時也是轉(zhuǎn)子。
是否有霍爾傳感器：有刷空心杯電機沒有霍爾傳感器；無刷空心杯電機有霍爾傳感器。
壽命：有刷空心杯電機的壽命取決于換向器，一般為 1000 - 3000h；無刷空心杯電機采用軸承，壽命更長，可達 10000h +。
介紹無框力矩電機的特點：無框力矩電機是一種以輸出扭矩為衡量指標的無框架式永磁電機，只有轉(zhuǎn)子和定子兩個部件。具有體積小、功率高、低轉(zhuǎn)速能輸出大扭矩等特點，符合人形機器人關(guān)節(jié)對電機體積小、扭矩大、響應快的需求。例如，無框力矩電機能夠在較小的體積內(nèi)提供較大的扭矩，結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省空間，效率高，可實現(xiàn)直接驅(qū)動，高響應速度，易于與機器人關(guān)節(jié)的其它部件集成。
分析其壁壘和競爭格局：
壁壘：磁路和工藝設(shè)計是無框力矩電機的主要技術(shù)壁壘。海外廠商起步早，工藝技術(shù)擁有先發(fā)優(yōu)勢，例如韓國 TM TECH 轉(zhuǎn)子采用整體充磁磁環(huán)技術(shù)，美國科爾摩根采用分布式的分數(shù)槽及碳纖維綁扎技術(shù)，德國 TQ Robodrive 采用模塊化定子和環(huán)氧塑封灌膠技術(shù)。國內(nèi)企業(yè)起步晚，轉(zhuǎn)矩密度和國外高端無框力矩電機相比存在差距。此外，高端產(chǎn)品對充磁技術(shù)和電機制造工藝要求較高，無框力矩電機通常需要根據(jù)具體的機械設(shè)計尺寸來定制，對生產(chǎn)過程中的繞線機設(shè)備提出了特殊要求，同時在達到高功率密度時需要控制電機溫升，對電機的散熱設(shè)計提出了挑戰(zhàn)。
競爭格局：全球龍頭為科爾摩根，其電機性能在全球處于第一梯隊。國內(nèi)進展較快的公司有步科股份、航天電器等，但與海外龍頭相比，國產(chǎn)無框力矩電機輸出扭矩較小，在產(chǎn)品性能方面仍有差距。隨著市場容量的擴大，伺服廠商如匯川技術(shù)、禾川科技、無錫信捷、雷賽等也具備了切入無框電機市場的基礎(chǔ)。
步科股份：作為無框力矩電機廠商，在人形機器人電機領(lǐng)域積極布局。其產(chǎn)品具有體積小、功率高的特點，能夠滿足人形機器人關(guān)節(jié)對電機的嚴格要求。步科股份專注于電機技術(shù)的研發(fā)和創(chuàng)新，不斷提升產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，為機器人的運動提供穩(wěn)定可靠的動力支持。
鳴志電器：在空心杯電機領(lǐng)域表現(xiàn)突出，是全球空心杯電機市場的重要參與者之一。其產(chǎn)品性能可與海外競爭對手對標，能滿足人形機器人等高端領(lǐng)域的應用需求。鳴志電器不斷投入研發(fā)，提升空心杯電機的技術(shù)水平，在電機的效率、轉(zhuǎn)速、響應速度等方面具有顯著優(yōu)勢。
鼎智科技（江蘇雷利子公司）：已實現(xiàn)空心杯電機繞組的自動化生產(chǎn)，空心杯電機的最小直徑可達 8mm，最大轉(zhuǎn)速可達 8 萬轉(zhuǎn) / 分鐘。在人形機器人電機領(lǐng)域，鼎智科技憑借先進的生產(chǎn)技術(shù)和嚴格的質(zhì)量控制，為機器人的靈巧手等部位提供高性能的電機產(chǎn)品。
拓邦股份：國內(nèi)較早突破空心杯電機技術(shù)門檻的企業(yè)之一。在人形機器人電機領(lǐng)域，拓邦股份注重產(chǎn)品的創(chuàng)新和研發(fā)，不斷提升電機的性能和可靠性。其空心杯電機產(chǎn)品在能效、控制精度等方面具有一定優(yōu)勢，為機器人的運動控制提供了有力保障。
天奇股份：在人形機器人電機產(chǎn)業(yè)鏈中，天奇股份主要專注于電機回收和再制造領(lǐng)域。通過先進的回收技術(shù)和工藝，天奇股份能夠?qū)U舊電機進行有效的回收和再利用，降低了人形機器人的生產(chǎn)成本，同時也為環(huán)保事業(yè)做出了貢獻。
江蘇雷利：旗下?lián)碛卸χ强萍嫉茸庸?，在空心杯電機領(lǐng)域具有較強的實力。江蘇雷利通過整合資源，不斷提升電機產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，為人形機器人的發(fā)展提供了可靠的動力解決方案。
偉創(chuàng)電氣：在人形機器人電機驅(qū)動控制方面具有一定的優(yōu)勢。偉創(chuàng)電氣的電機驅(qū)動器能夠?qū)崿F(xiàn)對電機的精確控制，提高電機的運行效率和穩(wěn)定性。其產(chǎn)品廣泛應用于工業(yè)自動化等領(lǐng)域，為人形機器人的運動控制提供了技術(shù)支持。
昊志機電：作為編碼器與傳感器廠商，在人形機器人產(chǎn)業(yè)鏈中發(fā)揮著重要作用。昊志機電的產(chǎn)品能夠?qū)崟r反饋機器人各軸的移動位置，為機器人的精確控制提供數(shù)據(jù)支持。其編碼器產(chǎn)品具有高精度、高可靠性的特點，在人形機器人領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。
禾川科技：在人形機器人電機控制領(lǐng)域具有一定的市場份額。禾川科技的電機控制器能夠?qū)崿F(xiàn)對電機的高效控制，提高電機的性能和穩(wěn)定性。其產(chǎn)品在響應速度、控制精度等方面具有一定優(yōu)勢，為人形機器人的運動控制提供了可靠的解決方案。
拓普集團：在人形機器人底盤系統(tǒng)等領(lǐng)域具有一定的布局。拓普集團的產(chǎn)品能夠為人形機器人提供穩(wěn)定的支撐和運動平臺，其在底盤系統(tǒng)的設(shè)計和制造方面具有豐富的經(jīng)驗和技術(shù)優(yōu)勢。
奧普光電作為國內(nèi)伺服系統(tǒng)高端編碼器的唯一規(guī)模性企業(yè)，在人形機器人產(chǎn)業(yè)鏈中占據(jù)著重要地位。光柵編碼器屬于高精度傳感器，被稱為 “數(shù)控機床的眼睛”，主要應用在高端數(shù)控機床、工業(yè)機器人、人形機器人等高端機械領(lǐng)域。目前，公司控股子公司禹衡光學研發(fā)的高端光柵尺在國內(nèi)極度稀缺，現(xiàn)有產(chǎn)品基本達到海德漢 90% 以上性能，而在價格方面具有 20% 左右的成本優(yōu)勢，具有替代優(yōu)勢。公司產(chǎn)品已經(jīng)在國內(nèi)外多家數(shù)控機床廠家進行測試，達到國際同類產(chǎn)品水平，正式進入小批量生產(chǎn)階段，未來有望對海外高端產(chǎn)品實現(xiàn)替代，也能助力華為等人形機器人的早日成熟量產(chǎn)。
2024 年中國十大最火人形機器人企業(yè)主要有優(yōu)必選、小米科技、宇樹科技、傅利葉智能、智元機器人等。這些企業(yè)在人形機器人領(lǐng)域具有較高的品牌信譽、知名度和銷量。
優(yōu)必選：是人形機器人的領(lǐng)導者和智能服務機器人的領(lǐng)航企業(yè)。布局了人形機器人全棧式技術(shù)，涵蓋多個行業(yè)的企業(yè)級和消費級廣泛應用場景。2023 年 12 月 29 日，優(yōu)必選于香港交易所主板掛牌上市，成為人形機器人 “第一股”。
小米科技：以智能手機、智能硬件和 IoT 平臺為核心的消費電子及智能制造公司。2022 年 8 月 11 日，小米首款全尺寸人形仿生機器人 CyberOne 正式亮相，具有高情商、可感知人類情緒等領(lǐng)先技術(shù)能力。
宇樹科技：發(fā)布了定價 9.9 萬元起的新型人形機器人 G1，向業(yè)界釋放了人形機器人領(lǐng)域價格戰(zhàn)的信號。G1 能輕松應對過去被認為是機器難以勝任的任務。
傅利葉智能：通用機器人平臺型企業(yè)，陸續(xù)獲得國內(nèi)外多家頂尖機構(gòu)投資近 10 億元融資，并榮獲多項榮譽獎項。
智元機器人：預計其遠征 A1 先應用在工業(yè)制造領(lǐng)域，隨后逐步走向 to C 應用。
人形機器人產(chǎn)業(yè)鏈的上游核心零部件廠商包括無框力矩電機廠商步科股份，空心杯電機廠商鳴志電器，減速器廠商綠的諧波、中大力德、雙環(huán)傳動，控制系統(tǒng)廠商匯川技術(shù)，編碼器與傳感器廠商昊志機電，行星滾柱絲杠廠商長盛軸承、秦川機床等。這些廠商為中游的人形機器人本體制造提供了必需的零部件和技術(shù)支持。
行業(yè)規(guī)模：隨著人工智能技術(shù)的不斷進步和政策的大力支持，人形機器人市場規(guī)?？焖僭鲩L，帶動了人形機器人電機驅(qū)動行業(yè)的發(fā)展。目前，行業(yè)單位規(guī)模逐步擴大，相關(guān)企業(yè)數(shù)量不斷增加。行業(yè)人員規(guī)模也在持續(xù)增長，吸引了大量專業(yè)人才投身其中。資產(chǎn)規(guī)模方面，企業(yè)不斷加大研發(fā)投入和生產(chǎn)設(shè)備更新，資產(chǎn)規(guī)模穩(wěn)步提升。市場規(guī)模更是呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長態(tài)勢，據(jù)預測，未來幾年內(nèi)將繼續(xù)保持高速增長。
產(chǎn)銷情況：在生產(chǎn)方面，國內(nèi)人形機器人電機驅(qū)動企業(yè)不斷提升技術(shù)水平和生產(chǎn)能力，產(chǎn)品產(chǎn)量逐年增加。同時，隨著人形機器人市場需求的不斷擴大，行業(yè)銷售情況也十分樂觀，產(chǎn)銷率保持在較高水平。隨著技術(shù)的不斷成熟和成本的降低，人形機器人電機驅(qū)動產(chǎn)品的市場需求將持續(xù)增長，產(chǎn)銷兩旺的局面有望繼續(xù)保持。
財務能力：從盈利能力來看，隨著市場規(guī)模的擴大和產(chǎn)品附加值的提升，人形機器人電機驅(qū)動行業(yè)的盈利能力將不斷增強。企業(yè)通過技術(shù)創(chuàng)新和優(yōu)化管理，降低成本，提高產(chǎn)品毛利率。在償債能力方面，行業(yè)整體資產(chǎn)負債率保持在合理水平，企業(yè)財務風險較低。營運能力方面，企業(yè)不斷優(yōu)化生產(chǎn)流程和供應鏈管理，提高資產(chǎn)周轉(zhuǎn)效率。發(fā)展能力方面，行業(yè)具有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ髽I(yè)將持續(xù)加大研發(fā)投入，拓展市場份額，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。
核心零部件供給支撐產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展：人形機器人三大核心零部件包括減速器、伺服系統(tǒng)和控制器，而電機作為其中的關(guān)鍵組成部分，價值量占比約 25%。核心零部件的供給是未來機器人產(chǎn)業(yè)規(guī)模化發(fā)展的重要支撐。隨著人形機器人產(chǎn)業(yè)化進程加速，電機的需求將大幅增長。例如，假設(shè)未來 10 年全球人形機器人出貨量達到 500 萬臺，無框電機單價 2500 元、空心杯電機單價 1300 元，則 10 年后人形機器人帶來的無框電機增量市場有望為 3500 億元，空心杯電機增量市場有望為 780 億元，合計 4280 億元市場空間。
電機在人形機器人中的作用：電機作為人形機器人的執(zhí)行單元，負責驅(qū)動機器人的各個關(guān)節(jié)，實現(xiàn)行走、跑、彈跳等動作，是機器人運動的 “心臟”。隨著技術(shù)的不斷進步，電機的性能不斷提升，將為人形機器人的運動提供更加精準、靈活和高效的動力支持。
電機作為機器人驅(qū)動方式的優(yōu)勢：電機驅(qū)動是機器人主要驅(qū)動方式，具有高精度、實時響應快、控制靈活等優(yōu)點。相比液壓驅(qū)動和氣體驅(qū)動，電機驅(qū)動在動作的精準控制方面更勝一籌，配合處理器編碼器可獲得實時運動狀態(tài)反饋，更適合如今注重智能化、多功能的機器人發(fā)展趨勢。
無框力矩電機和空心杯電機的應用前景：無框力矩電機是人形機器人關(guān)節(jié)中較主流的驅(qū)動零部件，具有高靈敏度、高功率密度、高效率的特點?？招谋姍C則在機器人的靈巧手等部位發(fā)揮著重要作用，具有體積小、控制精度高、壽命長、轉(zhuǎn)速快、能效高、能量密度大等優(yōu)勢。隨著人形機器人技術(shù)的不斷發(fā)展，無框力矩電機和空心杯電機的應用前景廣闊。未來，隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新和成本的降低，這兩種電機將在人形機器人領(lǐng)域得到更廣泛的應用。
空心杯電機屬于直流永磁伺服電機，其轉(zhuǎn)子采用無鐵芯轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，這一創(chuàng)新設(shè)計帶來了諸多顯著優(yōu)勢。首先，無鐵芯轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)徹底消除了渦流和磁滯損耗。在普通電機中，鐵芯在交變磁場中會產(chǎn)生這些損耗，降低電機效率，而空心杯電機則有效避免了這一問題，極大地提高了能量轉(zhuǎn)換效率。其次，這種設(shè)計顯著減輕了重量并降低了轉(zhuǎn)動慣量。相比傳統(tǒng)電機，空心杯電機更加輕便，使得整個機器人的重量得以減輕，便于移動和操作。同時，轉(zhuǎn)動慣量的降低使得電機具有更快的響應速度和更高的加速度，能夠滿足人形機器人在快速啟動、停止和頻繁變換動作等場景下的需求。
空心杯電機具有功率密度高的特點，在較小的體積內(nèi)能夠輸出較大的功率，為人形機器人的緊湊設(shè)計提供了可能。此外，它還擁有使用壽命長的優(yōu)點，減少了維護成本和停機時間。其響應速度快，能夠迅速根據(jù)指令進行動作調(diào)整，提高了機器人的控制精度和靈活性。峰值轉(zhuǎn)矩高，為人形機器人在執(zhí)行復雜動作時提供強大的動力支持。散熱性好，確保電機在長時間運行過程中不會因過熱而損壞，保證了機器人的穩(wěn)定運行。
空心杯電機作為人形機器人靈巧手的核心部件，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。以特斯拉人形機器人為例，單臺機器人裝配 12 個空心杯電機（左右手各 6 個）。在不同企業(yè)的產(chǎn)品中，空心杯電機也展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能表現(xiàn)。鳴志電器的空心杯電機性能可與海外競爭對手對標，價格至少低于海外產(chǎn)品 1000 元，具有較高的性價比。鼎智科技（江蘇雷利子公司）已實現(xiàn)空心杯電機繞組的自動化生產(chǎn)，最小直徑可達 8mm，最大轉(zhuǎn)速可達 8 萬轉(zhuǎn) / 分鐘，為機器人的靈巧手提供了高性能的動力源。拓邦股份作為國內(nèi)較早突破空心杯電機技術(shù)門檻的企業(yè)之一，其產(chǎn)品在能效、控制精度等方面具有一定優(yōu)勢，為人形機器人的運動控制提供了有力保障。
浙江機器人公司云深處發(fā)布的超高扭矩關(guān)節(jié)，為人形機器人提供了核心動力。在這個關(guān)節(jié)中，電機、減速器、編碼器、控制器四大關(guān)鍵零部件協(xié)同工作。電機能讓關(guān)節(jié)動起來，同時借助減速器控制轉(zhuǎn)速；編碼器用來記錄運動的位置，確保關(guān)節(jié)的精準定位；控制器則讓關(guān)節(jié)精準發(fā)力，實現(xiàn)對人形機器人動作的精確控制。
該關(guān)節(jié)具有諸多優(yōu)勢。首先，擁有強勁的動力輸出，J100 - 116P 峰值輸出扭矩達到 315N?m，峰值扭矩密度可達 107.5N?m/kg，能勝任大型足式機器人的動力需求。其次，做到了 IP67 防護等級，無懼風雨，可在戶外全天候環(huán)境下使用。它采用高可靠無電池的多圈絕對式編碼器，具備高精準性、可靠性、耐用性。整體關(guān)節(jié)調(diào)教具備優(yōu)異的控制性能，還采取驅(qū)控分離設(shè)計，為機器人設(shè)計，特別是足式機器人設(shè)計提供更多自由空間，以便多關(guān)節(jié)集成設(shè)計與散熱，兼容市面各類主流驅(qū)動器，客戶可根據(jù)需要自行搭配驅(qū)動器進行集成開發(fā)。
該關(guān)節(jié)已批量應用于云深處 X20 和 X30 四足機器人，X 系列四足機器人已在國內(nèi) 26 個省份和全球 10 多個國家服務眾多客戶，在電站、工廠、管廊巡檢、以及應急救援、消防偵查、未來科研等多領(lǐng)域廣泛應用。同時，該關(guān)節(jié)也將為人形機器人為代表的足式機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供核心動力。
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