前不久，波士頓動力發(fā)布一則“再見，液壓Atlas”視頻，宣告其著名的液壓驅動雙足人形機器人Atlas正式退役。這則視頻引起全球所有Atlas粉絲的高度關注。然而緊接著，波士頓動力便又推出了全部由電機驅動的新一代Atlas機器人，成為公司開發(fā)事業(yè)的接續(xù)力量。

這一系列舉動既讓人吃驚又不令人意外。液壓Atlas最大特點在于其優(yōu)秀的運動能力，能夠做出類似跑酷的動作，但是液壓系統(tǒng)能量效率不高、系統(tǒng)零件數(shù)量多、制造過程復雜、響應速度相對慢、價格高等缺點一直限制著液壓Atlas的商業(yè)化進程。波士頓動力放棄經(jīng)典的液壓方案，改為采用電驅方案，這既是其將加快商業(yè)化開拓的一個信號，也再一次證明了電機驅動在人形機器人商業(yè)化進程中的優(yōu)勢。下面就讓我們談一下人形機器人的動力核心——電機與電機驅動芯片。

關注空心杯電機與無框力矩電機

電機已經(jīng)遍布當今社會人們生活的方方面面，不僅應用范圍越來越廣，更新?lián)Q代的速度也日益加快。按照工作電源分類，可以將它劃分為直流電機和交流電機兩大類型。直流電機中，按照線圈類型分類，又可以分為有鐵芯的電機、空心杯電機。如果按照用途劃分，可以分為驅動用電機和控制用電機兩大類。驅動用電機包括無換向器電機和換向器直流電動機，控制用電機包括步進電機和伺服電機。

人形機器人的靈巧雙手使用的就是空心杯電機。特斯拉人形機器人Optimus 采用的是經(jīng)典的6電機驅動方案，由空心杯電機+驅動器+減速器+編碼器組成，拇指采用雙電機驅動彎曲和側擺，其余四指各用一個電機帶動。

空心杯電機是一種微型伺服電動機，通常應用于便攜式空氣采樣泵、仿生手、手持電動工具等場景。它與手關節(jié)高度適配，可以利用永磁鐵產(chǎn)生磁場，從而實現(xiàn)直流供電。與傳統(tǒng)電機的不同之處在于，空心杯電機結構為轉子無鐵芯，損耗低、摩擦少，具有良好的散熱性能，是電池供電型設備的理想選擇。

人形機器人其他關節(jié)使用的是無框力矩電機。特斯拉人形機器人全身共有28個執(zhí)行器，執(zhí)行器分布在肩部（6個）、肘部（2個）、腕部（6個）、軀干（2個）、髖部（6個）、膝部（2個）、踝部（4個），其中旋轉執(zhí)行器和線性執(zhí)行器各14個。旋轉執(zhí)行器主要由無框力矩電機+諧波減速器+扭矩傳感器+位置傳感器+軸承+編碼器組成。

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，具有體積小、質量輕、慣量低、結構緊湊、功率高、 適配性強等特點，在機器人關節(jié)、傳感器萬向軸、無人機推進系統(tǒng)應用廣泛。不同于傳統(tǒng)的永磁電機，無框力矩電機沒有機殼，只有轉子和定子兩部件，這讓機器結構設計不再受制于電機殼體的束縛，可以利用機器的自身軸承支撐轉子，將電機無縫內置于機器當中。國產(chǎn)人形機器人如宇樹H1、小米 Cyber one、優(yōu)必選X1、傅里葉GR-1，關節(jié)部分也都使用了無框力矩電機。根據(jù) technavio 預測，2027 年全球力矩電機銷售規(guī)模達9.03億美元。2022-2027年復合增長率達到8%。如果這些年人形機器人市場放量，該增速有望進一步提升。

多核架構與集成化趨勢日趨明顯

電機驅動芯片是一種用于電機控制的芯片，通過對驅動器進行控制，可實現(xiàn)對電機的轉動方向、速度和運動方式等進行多種模式控制，比如步進電機驅動芯片，可以通過設置不同的控制參數(shù)實現(xiàn)高精度的轉角和位置控制。電機驅動芯片已經(jīng)應用和發(fā)展數(shù)十年，起初電機多采用分立元件搭建驅動電路，在集成電路技術與電力電子技術不斷發(fā)展下，電機驅動芯片逐步實現(xiàn)了集成化、小型化和智能化。當前，SiC、GaN等寬禁帶半導體材料在功率器件得到快速應用，也為電機驅動芯片帶來更多創(chuàng)新活力。

人形機器人的關節(jié)特別是手部一個重要特點是自由度特別多。根據(jù)市場上公開的信息，人形機器人總的DOF不低于30個，這就是近30個關節(jié)，每一個關節(jié)都有電機。如此多的電機在運行，如何對這些電機實現(xiàn)高效、精準地控制，需要電機驅動芯片發(fā)揮關鍵性作用。

一般而言，人形機器人首先需要電機驅動芯片具有更高的性能與更強的穩(wěn)定性。人形機器人的工作環(huán)境復雜，特別是當其被應用于工廠生產(chǎn)活動中，有可能在高電壓、大電流的環(huán)境下工作，這對芯片本體的穩(wěn)定性將有更高要求。另外，人形機器人的關節(jié)要完成高轉速、頻繁的正反轉，實現(xiàn)高自由度，對于電機與驅動芯片的性能也有更高要求，如此可以更加快速準確地完成轉矩的控制。

其次，在人形機器人的運動控制中會應用到大量電子器件，如多種類型的傳感器、MCU、功率器件等，更高集成度的控制驅動芯片將是一個重要的發(fā)展方向。第三是更低的功耗。低功耗可以延長電機的工作時間和減少系統(tǒng)發(fā)熱，這對關節(jié)空間有限且依靠電池供電的人形機器人來說特別重要。此外，還有更小尺寸，高性價比，以及安全性、可編程性等，都是人形機器人電驅芯片的發(fā)展方向。

多核架構與集成化已經(jīng)成為當前人形機器人電機驅動芯片發(fā)展的重點之一。目前電機控制要求越來越復雜、功能越來越多、性能越來越強，用傳統(tǒng)的芯片工藝已經(jīng)越來越困難。多核架構可讓電機芯片以較低的工藝成本實現(xiàn)更高的控制性能。另外，傳統(tǒng)的智能功率模塊是把驅動和功率器件集成在一起?，F(xiàn)在有些方案已經(jīng)把MCU和傳感器也集成進來，形成和傳統(tǒng)IPM結構有更大差別的IPM。隨著人形機器人對空間和成本形成更高的要求，驅動芯片的多核化與集成化趨勢也將更加明顯。