认识人形机器人的关节电机

随着人形机器人加速商业化，其中关节电机也随之火爆行业，关节电机作为人形机器人和先进设备的关键部件，正发挥着越来越重要的作用。

那么，关节电机到底包括哪些电机呢？今天咱们就一起来揭开它的神秘面纱。

关节电机是机器人实现灵活运动的核心部件，集成了电机、减速器、编码器等模块，根据驱动原理和结构设计的不同，主要分为以下几类：

一，无框力矩电机

核心特点：结构紧促，很适合机器人多体积的苛刻要求。无外壳设计，可直接集成到关节结构中，节省空间，适用于人形机器人髋、膝、踝等关节。

高精度和高扭矩，采用闭环控制（搭配高精度编码器），控制精度可达0.1°以下，支持“零背隙”传动和柔性力控，输出扭矩大且运行平稳。这样就能使人形机器人实现高精度的抓取，以及能根据不同的负载，实行平稳的控制。

无框力矩电机摒弃传统电机的外壳、轴、轴承等部件，仅由定子和转子两大核心模块构成，通过直接集成到机械结构中实现高扭矩密度与空间利用率。

1. 定子：电磁驱动核心

• 核心构成
• • 定子套：刚性支撑结构（通常为铝合金或高强度钢），内壁环绕安装铁芯单体骨架，外部与机械关节壳体固定。
  • 铁芯单体骨架：采用硅钢片叠压成型，呈放射状分布，每个骨架设有独立绕线槽。线圈可灵活绕制于单个骨架多个相邻骨架，实现低匝数调节以减少电阻和铜损，提升填充效率（传统结构绕组方式单一，填充效率低）。
  • 三相绕组：采用集中式或分布式绕制，铜线材质为高导电率漆包线，通过星型或三角形连接，配合驱动器输出旋转磁场。
• 设计特点
• • 无外壳设计减少机械损耗，定子直接与设备壳体接触，提升散热效率（散热系数较传统电机提高30%以上）。
  • 铁芯单体骨架模块化设计，支持定制化绕组配置，适配不同扭矩需求（如人形机器人髋关节需高扭矩，手指关节需高精度）。

2. 转子：永磁驱动单元

• 核心构成
• • 永磁体：采用稀土永磁材料（如钕铁硼N52），以表面贴装（SPM）内置式（IPM）排列于转子套外周，形成多极磁场（常见极对数8-20极，视功率需求调整）。
  • 转子套：高强度合金钢或碳纤维复合材料，用于固定永磁体并传递扭矩，直接与机械轴刚性连接（无中间传动部件，消除背隙）。
• 设计特点
• • 低惯量结构：转子直径小、长度短，转动惯量比传统伺服电机低50%以上，支持毫秒级响应速度（如特斯拉Optimus关节响应时间＜10ms）。
  • 中空设计：部分型号采用空心轴结构，便于走线（如编码器信号线）或集成制动单元，适配机器人关节紧凑空间需求。

二，空心杯电机

核心特点：

高功率密度与低惯量：空心结构减少转子重量，响应速度快（速度响应时间约28毫秒），适合高频次、高精度动作。

低噪音与低发热：无铁芯设计降低电磁干扰和能量损耗，运行静音，适用于贴近人群的服务场景。

微型化设计：体积小巧，可集成于机械手指、灵巧手等精细执行部件。

应用场景：机器人灵巧手、医疗微创手术器械、无人机机械爪等。

1. 核心结构组件

• 定子（磁场部分）
• • 永磁体（通常为高磁能积钕铁硼N45-N52）构成，呈环形或多极分布，提供稳定磁场。根据设计可分为内定子（永磁体固定，线圈在外旋转）或外定子（线圈在内，永磁体旋转），主流为内定子结构（更利于微型化）。
  • 部分型号集成导磁轭（软磁材料），优化磁场分布，提升磁通量利用率。
• 转子（电枢部分）
• • 空心杯形线圈：采用漆包铜线（如聚酰亚胺漆包线，耐温≥200℃）绕制成杯状空心结构，无铁芯或铁芯骨架，直接作为转子输出扭矩。
  • 换向器/电刷（有刷型）：小型化换向器与贵金属电刷（如金合金）接触，实现电流换向；无刷型则通过霍尔传感器或编码器配合电子换向电路。
  • 转轴与轴承：采用高精度微型轴承（如陶瓷轴承），配合空心轴设计，减少转动惯量，提升转速稳定性（最高转速可达10万rpm）

2. 工作原理：无铁芯驱动的高效电磁转换

空心杯电机本质为永磁直流电机（有刷或无刷），其工作原理基于“左手定则”的电磁力驱动，核心差异在于无铁芯转子的磁场交互方式。

驱动机制

• 磁场与电流作用：定子永磁体产生固定磁场，转子空心线圈通入直流电后，载流导体在磁场中受电磁力（F=BIL），形成力矩驱动转子旋转。
• 换向逻辑有刷型：通过换向器与电刷的机械接触，周期性改变线圈电流方向，确保转子持续旋转（换向频率随转速升高，最高可达10kHz）。无刷型：霍尔传感器检测转子位置，电子控制器（MCU）驱动逆变器切换定子绕组电流，实现无接触换向，寿命更长（可达1万小时以上）。

• 均匀磁场交互：无铁芯避免了传统电机铁芯的“齿槽效应”（磁场畸变导致的扭矩波动），电磁力分布更均匀，运行平稳性提升（扭矩波动＜1%额定值）。
• 低涡流损耗：无铁芯消除了交变磁场在铁芯中产生的涡流损耗（传统电机铁损占总损耗的30%-50%），效率可达85%-95%。

3.典型应用场景：精准驱动的“微观执行者”

空心杯电机凭借结构创新，在功率密度、动态响应、环境适应性等方面展现出显著优势，尤其适合高端精密驱动场景。

1. 医疗健康领域

• 微创手术器械：如腹腔镜手术机器人的“腕部关节”（直径5-8mm），需在狭小体内空间实现±0.1mm级动作精度，空心杯电机的微型化与低振动特性可避免组织损伤（如达芬奇手术机器人的EndoWrist部件）。
• 植入式设备：人工心脏辅助泵的驱动单元（Φ20mm以下），需低发热（＜37℃人体温度）、高可靠性（连续运行＞1年），空心杯电机的无铁芯设计可降低血栓风险。

• 灵巧手与多指抓取：机器人手指关节（如Shadow Dexterous Hand）需高频次开合（＞10次/秒）与力反馈控制，空心杯电机的低惯量（＜1g·cm²）支持快速启停，配合扭矩传感器实现“鸡蛋抓取不破”的精细操作。
• 仿生假肢：假肢手指/踝关节驱动，需轻量化（单关节重量＜10g）与仿生步态匹配，空心杯电机的功率密度（＞300W/kg）可模拟人体肌肉的爆发力。

3. 消费电子与精密仪器

• 摄像头防抖（OIS）：手机/单反相机的光学防抖模块，需驱动镜头做微米级位移补偿（±50μm），空心杯电机的纳米级控制精度（通过PID闭环控制实现＜1μm定位误差）可消除手抖模糊。
• 微型机械臂：半导体晶圆搬运机械臂（Φ5mm关节），需在真空环境（10⁻⁶Pa）下实现无颗粒污染驱动，空心杯电机的全密封设计（IP68防护）与低挥发材料（符合ISO 10993生物相容性）满足洁净需求。

• 卫星姿态调整：微小卫星（重量＜10kg）的反作用飞轮驱动，需在微重力环境下实现毫弧度量级指向精度（＜0.1°/h漂移），空心杯电机的低磁干扰（磁场泄露＜1μT）避免干扰卫星传感器。
• 微型无人机：仿生扑翼无人机的翅膀驱动（翼展＜15cm），需高频拍打（20Hz）与能量回收（下行冲程发电），空心杯电机的高效率（＞90%）可延长续航时间（较传统电机提升30%）。