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1. 半直驱驱动器：高动态响应的新兴执行器技术
1.1 半直驱驱动器：新兴执行器技术，适应足式机器人要求
半直驱驱动器（Quasi Direct Drive）简称 QDD，最早通过 MIT Cheetah 四足机器 人进入大众的视线。半直驱驱动器是新兴的驱动器技术，依靠驱动器电机开环力控，不依 赖于附加力或力矩传感器，就可以本体感知机器人脚部和外界的交互力，故 MIT 的科研人 员称其为本体驱动器（Proprioceptive Actuator）。为了解决腿足式机器人领域对大力 矩输出密度和动态物理交互能力的要求，采用大力矩输出密度电机+低传动比减速机的方案， 具有高带宽力控和良好的抗冲击能力，且具有较高的精度和效率。
关节执行器是足式机器人实现运动的核心部件，类似于人类的“四肢关节”，是机器 人硬件研究的重点。根据论文《国内外双足人形机器人驱动器研究综述》，双足人形机器 人的驱动器研究经历了从刚性驱动器到弹性驱动器、再到半直驱驱动器的演进过程。 1) 1983 年，早稻田大学研究的 WL-10R 机器人使用刚性驱动器 TSA （traditional stiffness actuator）。自此双足人形机器人开始广泛应用刚性驱动器为关节动力源。 2) 1995 年，MIT 的 Pratt 等提出了弹性驱动器 SEA（series elastic actuator）的概 念，拉开了弹性驱动器研究的序幕。美国宇航局的机器人 Valkyrie 和意大利技术研究院的 机器人 Walk-Man 都使用了弹性驱动器。 3) 2016 年，MIT 提出了半直驱驱动器的概念，并将其应用于四足机器人 Cheetah 和 双足机器人 Hermes，半直驱驱动器成为最近几年研究的热点，近期 UCLA 研发的 Artemis 机器人搭载半直驱驱动器实现了优秀的运动能力。
三种执行器原理相似，但在结构和部件上略有区别，因此在精度、响应速度等指标上 呈现不同效果： （1）TSA（刚性驱动器）：常规高速电机+高传动比减速机+高刚度力矩传感器，减 速机通常使用谐波减速机，因其减速比高、重量轻、紧凑高效，力矩传感器放置于关节末 端进行感知控制。 （2）SEA（弹性驱动器）：常规电机+高传动比减速机+基于编码器的弹性体，在刚 性驱动器的基础上，在输出端串联或并联弹性体实现抗冲击性。 （3）QDD（半直驱驱动器）：高扭矩密度电机＋低传动比减速机，常采用低转速大 扭矩的扁平化的力矩电机和低传动比且结构紧凑的行星齿轮减速机，输出端的惯量较小， 同时，电流可以作为力矩的测量方式，因而不需要配置力矩传感器。
1.2 核心部件：驱动器、无框电机、行星减速器等
半直驱驱动器作为旋转执行器的类型之一，主要由驱动器、无框电机、行星减速器等 部件构成。参考论文《A Low Cost Modular Actuator for Dynamic Robots》中 MIT 猎 豹四足机器人 QDD 的组成结构，半直驱驱动器的组成部分包括：控制器（包括直流电源、 CAN 总线等）、无框力矩电机（转子、定子）、行星减速器（包括太阳轮、行星架、行星 轮、行星滚针轴承、输出引脚）、轴承和前后盖等。
1）控制器
控制器是负责完整电机控制的电子电路或电子设备，例如扭矩控制、速度控制、方向 控制、反馈控制。控制器通常由输入端、输出端、中间控制单元和供电部分四部分组成。 输入端接收来自传感器等测量设备的信号，经过处理后交给中间控制单元；中间控制单元 负责控制输出端的输出信号，实现对电机的速度、转向等参数控制；输出端将最终经过处 理的电力信号输出到电机，控制电机运转；供电部分则负责向整个电路提供电能。 控制器具有以下功能：①从不同的输入设备和外围设备获取多个输入，以获取控制电 机的指令，产生控制信号来控制电机；②控制器负责精确控制电机的扭矩、速度和方向； ③控制器可以获取电机的反馈信号，查看电机的运行状态，并对这些反馈信号进行处理， 以进行进一步的控制；④控制器执行所有控制电机的软件程序。
2）无框力矩电机：转子、定子
电机为用电器或各种机械提供驱动力，基本原理为电磁感应定律——电能在线圈上产 生旋转磁场，并推动转子转动，基本构造包括：定子（铁芯、绕组和基座）、转子（铁芯、 绕组）。QDD 通常采用无框力矩电机。无框力矩电机是人形机器人的典型电机类型，没有 机壳，只有转子和定子作为核心部件。转子是电机中旋转的部分，定子是固定的部分。转子通常是内部部件，由带永磁体的旋转钢圆环组件构成，安装在机器轴上，定子是外部部 件，环绕钢片和铜绕组，以产生电磁力，整个结构呈中空，方便内部走线。转子和定子大 约占驱动器总质量的一半。定子的大通孔允许整个行星齿轮箱嵌入定子的中心，使驱动器 结构紧凑。因为无框力矩电机的转矩密度大，占用空间小，重量轻，机器响应快，符合机 器人对结构紧凑、高扭矩密度、高动态的要求。
3）行星减速机
一级行星减速器的减速比一般低于 10，精度较低，技术壁垒较低，在各种场景中使用 最为普遍。行星减速机主要由电机侧（输入侧）轴承、电机侧法兰、输入轴、行星齿轮组、 输出轴、输出侧（负载侧）法兰和负载侧轴承几个部分组成。 行星齿轮组由行星齿轮、太阳齿轮、内齿圈组成，布局类似于太阳系中行星围绕太阳 公转。其减速原理较为简单：当太阳轮在伺服电机的驱动下旋转时，与行星轮的咬合作用 促使行星轮产生自转，同时，由于行星轮与另外一侧的内齿圈咬合，在自转驱动力的作下， 行星轮将沿着与太阳轮旋转相同的方向在环形内齿圈上滚动。行星轮围绕太阳轮公转的速 度比太阳轮的转速低，实现减速效果。MIT 本体驱动器的减速机采用的是减速比 6：1 的行 星齿轮减速方案。
4）编码器
编码器是将信号或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备， 是一种用于测量转速、转角或线性运动的传感器。QDD 使用的编码器是位置传感器。位置 传感器的作用是检测主转子在运动过程中的位置，将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信 号，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，以控制它们的导通与截止，使电动机电枢绕组 中的电流随着转子位置的变化按次序换向，形成气隙中步进式的旋转磁场，驱动永磁转子 连续不断地旋转，电机控制器通过接受位置传感器信号来让逆变器换相与转子同步来驱动 电机持续运转。位置传感器能降低电机运行的噪音、提高电机的寿命与性能，同时达到降 低耗能的效果。
5）轴承
轴承是机械设备中一种重要零部件。它的主要功能是支撑机械旋转体，降低其运动过 程中的摩擦系数，并保证其回转精度。QDD 中连接行星轮的轴承通常采用滚针轴承。滚针 轴承是带圆柱滚子的滚子轴承，相对其直径，滚子既细又长（滚子直径 D≤5mm，L/D≥2.5， L 为滚子长度），故称为滚针，径向结构紧凑，其内径尺寸和载荷能力与其它类型轴承相同 时，外径最小，特别适用于径向安装尺寸受限制的支承结构。尽管具有较小的截面，轴承 仍具有较高的负荷承受能力，因此根据使用场合不同，可选用无内圈的轴承或滚针和保持 架组件，此时与轴承相配的轴颈表面和外壳孔表面直接作为轴承的内、外滚动表面，为保 证载荷能力和运转性能与有套圈轴承相同，轴或外壳孔滚道表面的硬度，加工精度和表面 质量应与轴承套圈的滚道相仿。此种轴承仅能承受径向载荷。
6）热管理：液冷
QDD 的散热高于其他执行器，热管理重要性提升。使用本体驱动器的一个显著缺点是， 由于减速比低，与其他的方案相比会产生更多的焦耳热，驱动器无法长时间承受峰值负载。 为了解决这个问题，机器人需要大量的冷却系统才能不间断运行。执行器外壳上的内置冷 却剂通道允许使用集中冷却系统对其进行液体冷却。液冷技术的原理是利用液体的高热容和高热传导性能，将电子设备产生的热量传递到液体中，然后通过液体的流动将热量带走。 相比传统的空气冷却技术，液体冷却具有更效率的散热，并且可以提高驱动器的扭矩输出， 进而允许使用重量更轻的驱动器。 Westwood Robotics 研发的半直驱执行器 Panda BEAR，采用了一个专门为机器人 液冷设计的微型涡轮泵，结构紧凑，重量只有 60g，在大功率工作期间，可以自动平衡流 量和压力，提供足够的冷却确保机器人驱动器的稳定和高效输出。
1.3 特性：电流环力反馈能力、动态响应能力表现优异
作为人形机器人的核心部件之一，驱动器占据了机器人的大部分重量，其性能不仅直 接影响机器人关节的输出能力，也决定了机器人系统的动态性能上限。当前机器人的应用 场景特征对驱动器的性能要求，简要总结可包括如下五点：1）高频动态响应能力；2）精 确力反馈能力；3）低成本实现能力；4）一定的负载能力；5）紧凑的轴向空间实现能力。
目前主流的三种驱动器方案在不同的性能指标上的表现各有优劣： 1）刚性驱动器的优势在于：传动比大，转速低，扭矩密度高，力量控制精准。但由于 运动惯量大，解决不了机器人受外部冲击时零部件强度问题，只能适用于缓慢且相对静态 的运动，为了解决这一问题，弹性驱动器方案应运而生。 2）弹性驱动器在刚性驱动器的基础上，设置弹性零件实现防冲击保护，使关节表现出 柔顺安全、高能量效率、强抗冲击性的特性。但是较低的刚度会影响带宽，进而降低响应 速度并增加控制难度。 3）半直驱驱动器在动态机器人上的表现优异，具备一定的扭矩输出能力+可靠精确的 电流环力反馈能力+高动态力控响应能力。半直驱驱动器具有高功率密度，大力控带宽，并 且由于具有反驱特性，抗冲击能力强，安全性高。弹性驱动器机械性能上的抗冲击和储能 在本体驱动器方案的电机控制层面都能实现，且半直驱驱动器更为高效并具有更强的爆发 力。此外，QDD 因其所用的低传动比减速机价格低于刚性高传动比减速机，且不需要额外 传感器进行力矩控制，在价格上具有优势。
半直驱驱动器的特点如下：
1）减速比低
低减速比的减速器有利于满足高频动态响应能力，精确力反馈能力，低成本实现能力 等足式机器人的要求。提高执行器扭矩密度的一个有效方法是使用更高的齿轮减速比，但 随着越来越复杂的控制算法的实施，力和扭矩的可控性对执行器变得至关重要。实现力控 制最理想的方案是电机直接驱动，用电流来估计执行器的扭矩输出，但受限于电机工艺和 技术，电机直驱驱动器的扭矩密度不能满足机器人应用的需求，因此采用电机+小减速比减 速机的方案，利用减速机放大扭矩密度。之所以不用大减速比减速机，是由于齿轮箱的摩 擦损失或其他非线性因素，导致基于电流的扭矩控制无法与高减速比执行器一起工作。小 减速比的减速机能使转动惯量尽可能地小，力和扭矩的可控性更好，驱动器可以承受更高 的冲击并允许高度动态的行为。 对于运动能力要求高的机器人，做摔倒后站起的动作，需要高爆发力。具有高减速比 驱动器的机器人只能实现非常缓慢且相对静止的运动。例如使用行星减速机，可以将扭矩 瞬间增加到 100N·m、瞬间降低到 50N·m。而谐波减速器由于结构上的限制，非常脆弱并 且极易受到冲击，不能一瞬间加大和降低。单级的行星减速机形状更为扁平，更适合轴向 空间小的半直驱执行器。从成本上来看，行星减速机结构、原理简单，相较于谐波减速机 价格更低。
2）电流环力反馈
电流环力反馈测量是通过电机的电流闭环做力闭环反馈控制。适用于直驱电机或者带 小减速比减速机的应用场景，诸如小型阻抗控制的人机交互的机械臂和小型四足机器人， 如 MIT Cheetah。 使用半直驱驱动器的一大优点是，不需要额外的机械结构和昂贵的传感器就能做到力 控。这是因为小减速箱的非线性误差可以忽略不计，因此直接使用电机的电流环和相应的 减速比，就能得到驱动器端的输出扭矩。根据 MIT 的研究，其半直驱驱动器电机的扭矩/ 电流特性，基本成较好的线性关系，在最大电流时有大致 12%的误差。如果采用减速比超 过 30 的两级行星或谐波减速方案，难以建模的静摩擦力给精确测量力带来很大的负面影响， 将导致很高的力反馈测量误差。
半直驱驱动器采用电流环进行力矩测量，有效地节省了成本。因为不需要额外传感器 进行力矩控制，整个关节的结构更加简单。以 MIT Mini Cheetah 为例，该机器人的整体驱动器设计的指导思路就是要在最低价格上做到最高性能，MIT 最终把单个驱动器的成本 控制在了 300 美元左右。
3）电机扭矩大，直径大，轴向长度低
为了实现一定的负载能力，执行器扭矩应足够高。当前半直驱驱动器在四足机器人上 能够实现较好的应用，虽然四足机器人相对于双足人形的尺寸和重量都较小，但对相应的 负载能力，即对驱动器的输出扭矩也有一定的要求。对于 12kg 级别小尺寸的 Cheetah Mini 机器人，髋关节 pitch 方向的驱动器峰值扭矩要达到 18N·M 左右，而 45kg 级别大尺寸的 Cheetah 3，髋关节 pitch 方向的驱动器峰值扭矩要达到 230N·M 左右，才能体现出较强 的运动爆发能力。 由于减速比较低，因此电机选型最好选取输出扭矩更大、转速较低的无框力矩电机。 无框力矩电机显著的特征是：较大的径长比和较多数目的磁极，这两点确保了其良好的大 扭矩输出性能，但同时也呈现较低转速的特性。从无框力矩电机的扭矩输出原理来看，电 机的输出扭矩与转子半径（在电机设计中使用气隙半径的概念）的平方以及轴向长度呈正 比，在相同体积的前提下，提高气隙半径能够更有效地提高扭矩密度。为了保证力矩电机 呈现较好的性能，需要选取较大的转子半径，较小的截面厚度与较小的轴向长度。当前的 无框力矩电机产品直径通常都在 120mm 以下，但是半直驱驱动器的电机需要达到 150-180mm，目前市面上没有成熟产品，大多需要定制开发。
4）外转子+内嵌式减速机
为了设计最大化峰值扭矩产生的本体感受器，气隙半径应设置得尽可能大。凭借这种 设计理念，气隙半径为 90 毫米的电机已被设计用于臀部俯仰和膝部俯仰驱动。永磁体可作 为内转子（Cheetah 初代版本），也可作为外转子（Cheetah Mini 版本），采用外转子设计可最大限度地提高气隙半径。从驱动器结构示意图可以看到，将减速机内嵌在电机内部， 可以将轴向空间充分利用，形成一个紧凑度扁平结构。
2. 应用端：从四足机器人，延伸至人形机器人
2.1 四足机器人：侧重高功率密度、高扭矩密度
四足机器人当前阶段的要求有较强的运动能力，高频动态响应能力，精确力反馈能力 和低成本实现能力，弹性驱动器由于刚度较低，会导致力控带宽也较低，进而增加控制难 度并降低响应速度，动态物理交互能力弱，半直驱驱动器最满足要求，最适合四足机器人。
2.1.1 MIT Cheetah
MIT 的 Cheetah 四足机器人具备步行、跑步和跳跃能力，从第一代开始最高奔跑速度 就可达到 48 公里每小时。此类行为涉及反复的高冲击力和短暂的地面接触时间，为了在如 此短的时间内控制地面反作用力，系统必须具有高带宽力控，并能承受频繁的高冲击力。 因此四足机器人采用半直驱执行器——大半径的无框力矩电机（关节预留 125mm 的直径 空间），纯电机扭矩密度达 27Nm/kg；减速器选用减速比为 5.8：1 的单级行星齿轮减速 器，低减速比提高动态运动能力；另外，机器人髋部和膝部的执行器同轴位于髋部，其中 一个执行器直接驱动臀部，而另一个则通过平行连杆驱动膝盖，旨在最大限度地减少质量 和腿部惯性，从而最大限度地提高冲击缓解系数。 MIT Cheetah 第三代机器人，质量 41kg，采用 MIT 定制的高扭矩高性能的半直驱 驱动器，最大关节力矩高达 230N·m。通过使用高扭矩密度电机和可反向驱动的单级行星 齿轮减速器（减速比 5.8），以及低惯性腿，机器人可以通过本体感知控制地面反作用力， 而无需使用任何力传感器、扭矩传感器或关节或脚的串联合规性，运动范围超过±45◦, 且新的髋关节和膝关节设计允许机器人进行相同的向前、向后和翻转操作，并可能使用其腿 完成简单的操作任务和移动。
2019 年，MIT 的研究人员在 Cheetah 基础上进行开发迷你猎豹机器人（Mini Cheetah）。迷你猎豹重量只有 20 磅（约 9kg），是第一个能做后空翻的四足机器人，通 过弯曲和摆动双腿，其能够实现两侧朝上或倒置行走，还可以在不平坦的地形上小跑，速 度大约是普通人步行速度的两倍。Mini Cheetah 可以改变地面力量的速度非常快。当它 奔跑时，它的脚一次只在地面上停留 150 毫秒，在此期间，计算机告诉它增加脚上的力， 然后将其更改为平衡，然后快速减小力以抬起。所以它可以做真正动态的事情，比如每走 一步都在空中跳跃，或者一次用两只脚在地上奔跑。大多数机器人没有能力做到这一点， 所以移动得慢得多。 为实现低成本的目的，Mini Cheetah 的每一条腿都由三个相同的低成本电机提供动 力。该设计使其具有三个自由度和巨大的运动范围，能够执行快速、动态的机动，并在不 破坏变速箱或四肢的情况下对地面进行高力冲击，整体结构简单，每个电机都可以轻松更 换为新电机。MIT 自己做的电机性能极强，轻质、高扭矩、低惯性，能量输出密度是 Kollmorgen 电机的 4.2 倍，是大扭矩输出电机 Emoteq 的 3.2 倍。
2.1.2 宇树科技
宇树科技专注于消费级、行业级高性能四足机器人的研发、生产及销售，是世界机器 人圈知名初创公司，也是全球首家公开零售高性能四足机器人公司。 宇树科技提出了一种新的半直驱驱动器结构。在电机基座和内齿圈间增加了离合结构， 当外界负载冲击力即将超过减速器零件极限时，离合结构发生作用，外界冲击能量转换成 摩擦热量损耗掉，保护减速器不损伤。另外，在驱动器的电机端和输出端都 设置了位置编码器，电机轴采用中空结构。 G1 四足机器人具有强劲可靠的动力系统。G1 机器人采用宇树科技全新专利设计的超 轻量级低噪音长寿命动力关节，机身/大腿关节的峰值扭矩达 23.70N·m，膝关节峰值扭矩 可达 35.55N·m，关节最大转速 21rad/s，采用工业级交叉滚子轴承，寿命长、抗轴向冲击 能力强。4 个足端压力传感器可准确获取脚部支撑信息，更可靠、高效、便捷，控制器读取 所有传感器数据，给每个电机分别发送位置、速度和扭矩命令，在遇到撞击、跌落等紧急 状况均可迅速找回平衡。并且膝关节电机附近内置专利热管辅助散热系统。G1 机器人最大 持续奔跑速度 3.3m/s（11.88km/h），是国内速度最快、最稳定的中小型四足机器人。
2.2 人形机器人：要求高效率、高动态、高功率密度
人形机器人电机有三个关键点：高效率、高动态和高功率密度。①高效率：低能耗和 低摩擦损失很重要，因为机器人通常由电池供电，能经受得起苛刻的运行条件，可进行十 分频繁的正反向和加减速运行，并能在短时间内承受过载。②高动态：整个驱动器（电机、 机构、接线、传感器和控制器）的惯性应尽可能低，电动机从获得指令信号到完成指令所 要求的工作状态的时间应短。③高功率密度：机器人应用需要高速、高扭矩电机，这些电 机还需要紧凑，轻巧。
人形机器人的任务通常涉及重物搬运、高速作业等，并且强调人机协作的安全性，因 此，不断降低体积重量、提高输出能力、改善动态性能成为近年来协作型仿人机器人领域 的研究重点和难点。人形机器人下半身设计一般要求：1）减少总重；2）提高结构刚度；3） 尽量提高质心（尤其是小腿和大腿）；4）尽量减少腿部惯量。取决于目标功能和应用场合， 机器人运动能力要求也不同，对驱动器的性能要求也不同。
2.2.1 UCLA ARTEMIS
根据加州大学洛杉矶分校（UCLA）的 Zhu, Taoyuanming 近期发布的博士生毕业论 文 Design of a Highly Dynamic Humanoid Robot，人形机器人 ARTEMIS 身高 1.42 米， 体重 37kg，全身 20 个自由度：腿部 5 个自由度×2，手臂 4 个自由度×2；颈部 2 个自由 度。该机器人经过测试，实现了稳健的无绳行走，行走速度超过 2m/s，展现出较强的运动 能力。
腿部结构：其中髋关节 3 个自由度（偏航、滚动、俯仰）、膝关节 1 个自由度（俯仰）、 脚踝关节 1 个自由度（俯仰），省略了脚踝转动自由度以最小化腿的远端重量和惯性（同 时导致机器人无法单腿保持平衡）。髋关节的偏航和滚动自由度采用谐波减速器+无框力矩 电机的旋转执行器，隐藏于机器人骨盆当中；髋关节的俯仰自由度和膝关节俯仰自由度同 轴，膝盖执行器上移，通过连杆、皮带或链条将执行器传递至关节；脚踝执行器上移至接 近膝盖位置。这种设计的有点在于将腿部的重量集中在臀部附近，占整条腿重量的 60%以 上，使得机器人具有更高的加速度和坚固性。
Artemis 的执行器为 BEAR 系列驱动器，由 UCLA RoMeLa 实验室与 Westwood Robotics（西木科技）联合开发，本质上即为半直驱驱动器，根据关节部位不同，使用的 驱动器规格不同，髋关节和膝盖 pitch 方向承担的负载最大。机器人髋部/膝部 P 轴执行器 采用宽大气隙电机（重量 0.89kg，直径 180mm，峰值扭矩 45Nm）+行星齿轮减速器（减 速比为 5.9）方案，执行器总重量 3kg，连续扭矩 80Nm（峰值 250Nm），扭矩密度 27Nm/kg （峰值 83Nm/kg）。机器人腿部低反射惯性和高传输透明度（力控和末端反馈）可以使得 机器人能够本体感知力控，并在跑步和跳跃中降低冲击力，并且运行效率更高，噪音更小 也更加环保，同时也能避免液体泄漏引发的性能下降问题。
2.2.2 Westwood BRUCE
BRUCE 全称 Bipedal Robot Unit with Compliance Enhanced，由西木科技与 UCLA 的 RoMeLa 实验室联合开发，是一台用于科研和教育的小型人形机器人开放平台。 仅重 4.8kg，身高 70cm，腿部 5 个自由度×2，手臂 3 个自由度×2，全身共 16 个自由度， 腿部驱动器每个仅重 250g，爆发力矩达 8Nm。Bruce 体型很小，负载低，所以关节驱动 器所需的扭矩较低，BRUCE所采用的 Koala BEAR执行器质量为250g，峰值扭矩10.5N·m， 虽然规格较小，但仍具备半直驱驱动器的强大爆发力和动态性能。
BRUCE 机器人得益于 Koala BEAR 驱动器提供的强大爆发力和动态性能，是目前世 界上为数不多的能够跳跃的人形机器人之一。Koala BEAR 驱动器特点：1）液态冷却技术， 为稳定的动态输出提供坚实保障；2）深度的仿生设计和拓扑优化，使得 BRUCE 具有灵活 的动态能力；3）同时具备轻量化、高强度；4）超低转动惯量、驱动透明度，现实系统和 仿真模型更加统一，同时让 BRUCE 对足端的控制收放自如；5）具有鲁棒性，全身共 16 个自由度全部采用了高度模块化的设计，维修更方便。
3. 技术壁垒较高，尚未大规模产业化
3.1 壁垒：难点在于高扭矩密度、轻量化的权衡
目前国际上能够实现电机高性能并应用到机器人上的产品很少，主要在于电机输出扭 矩与尺寸难以协调。在关节式机器人爆发运动能力方面，尺寸越大的机器人对驱动器的输 出扭矩要求越高，技术实现也越困难。通常情况下，成人版人形机器人在动态运动中臀部 或者膝关节 pitch 方向的峰值扭矩输出至少要在 200N·M 以上，例如 UCLA 的 ARTEMIS 髋部 pitch 方向的驱动器峰值扭矩达到了 250N·M，但掌握该技术的厂商极少。目前的电 机输出密度到达了一个瓶颈，瓶颈主要来自铁芯几乎都磁饱和，即单位体积下没法通过更 多的磁力线，也就没法产生更多的磁吸力，也就是扭矩。当前大多数的半直驱驱动器能提 供的峰值扭矩较低，可实现 100Nm 左右，大扭矩电机输出密度依然不足。
较大的外形尺寸在面向多自由度、小体积仿人机器人应用时会导致关节庞大笨重，严 重影响机器人的运动性能。根据论文《高扭矩密度仿人机器人驱动单元研究》，YU 等设计 了一种用于便携式外骨骼机器人的准直驱驱动单元，扭矩密度为 20.7N·m/kg，外形尺寸为 110mm×51mm。SINGH 等设计的准直驱驱动单元最大扭矩密度高达 29.2Nm/kg·，外形 尺寸 为 126mm× 68mm。 苏 州 脉塔 智 能的 RMD-X8S2 驱 动 单元 扭 矩密 度 高达 33.33N·m/kg，外形尺寸为 98mm×58mm。WestwoodRobotics 的 Panda Bear 型驱动 单元扭矩密度为 24.53N·m/kg，外形尺寸为 113mm×49.7mm。
较小的扭矩密度将导致仿人机器人无法胜任负载需求较高的任务，严重限制了机器人 的应用场景。KATI 设计的小尺寸驱动单元，外形尺寸为 96mm×40mm，但扭矩密度仅为 15.68N·m/kg。T-motor 的 AK80-9 驱动单元同样具有较小尺寸，外形尺寸为 98mm× 38.5mm，但扭矩密度仅为 18.6N·m/kg。杭州宇树科技的 A1 驱动单元外形尺寸为 98mm ×45mm，但扭矩密度仅为 10.41N·m/kg。 综上所述，目前已有的半直驱驱动单元都没能很好地兼顾小体积和高扭矩密度，高扭 矩密度的驱动单元体积庞大，而体积较小的驱动单元扭矩密度不足。
3.2 机器人主机厂定制为主，未来电机厂更具量产优势
由于目前产业中对大扭矩密度半直驱电机的应用场景较少，第三方电机和执行器企业 很少有现成的产品，四足机器人或人形机器人公司多采用自制或定制的方式制造，因此目 前市场主要由机器人公司进行主导。但随着行业逐渐成熟，传统优势的电机厂在大规模生 产、稳定性、可靠性上更具优势。
1）西木科技： 西木科技的 BEAR 系列驱动器主要有三种产品，按照尺寸从小到大的顺序，分别为 Koala BEAR, Panda BEAR 和 Kodiak BEAR。① Koala BEAR 尺寸为 63.5×62×37mm， 质量 250g，使用减速比为 9 的减速机，额定扭矩 4.2N·M，峰值扭矩可达 10.5N·M，具备 极高的透明度和极低的惯性；② Panda BEAR 尺寸为 113×113×49.7mm，质量 685g， 使用减速比为 6 的减速机，额定扭矩 16.8N·M，峰值扭矩可达 33.5N·M，内置液体冷却系 统、双编码器，具备更优异的扭矩输出和控制能力，Panda BEAR 的 Plus 型号尺寸不变， 质量 925g，额定扭矩达 33N·M，峰值扭矩达 67N·M；③ Kodiak BEAR 尺寸为 200×200 ×50mm，更加扁平化，质量 1.5kg，额定扭矩可达 50N·M，具备大扭矩输出能力的同时 保证敏捷的扭矩传感和控制能力。
2）宇树科技： A1 电机：稳定高效，维护方便；机身超薄设计；极限优化的行星减速器；多功能，小 机身，重量仅为 605g。A1 电机适配足式机器人等多种大载重机械设备，输出最大扭矩达 33.5N·m，关节最大转速 21rad/s，可轻易实现强大的瞬间爆发力。该电机采用超大工业 级交叉滚子轴承，抗轴向冲击能力强，具有高精度长寿命。 GO-M8010-6 永磁同步电机：专为高性能机器人而设计，高集成度提供强劲动力。尺 寸为 96.5×92.5×42.3mm，质量约 530g，使用减速比为 6.33 的减速机，最大扭矩可达 23.7NM、最大速度 30rad/s（24℃下测得）。电机与减速器完美匹配，内置 FOC 控制算 法，内置温度、绝对值式编码器。可广泛应用于各类机器人关节、动力部件。
3）TQ 电机
TQ 的 ILM-E 系列无框电机具有市场领先的扭矩密度和最大的设计自由度，用于结构 集成驱动工程。无框结构，空心轴，设计灵活性高，轻巧紧凑，低电压 12V - 48V，低热 损失，具备卓越的动态控制能力和精度，适用于各种应用。其中 ILM-E85×30 规格最大， 质量为 822g，额定扭矩为 3.3N.m，峰值扭矩可达 10.64N.m。
4）科尔摩根
科尔摩根的 TBM2G 系列电机，具备高承载能力、高能效、更快的动作、更平滑的运 动，可以提供协作机器人和手术机器人中使用的七种最流行的框架尺寸，并且每个尺寸都 有三种绕组堆栈选项，共 21 个选项。最小尺寸直径 50mm，最大直径 115mm，最大持续 扭矩可达到 4N·m。
5）T-MOTOR
T-MOTOR 的 AK 系列动力模组可广泛应用于四足机器狗、外骨骼等。其中 AK80-9 动力模组是较为知名的产品，采用轻量化设计，质量仅重 485g，电机配套的减速箱采用减 速比为 9 的行星齿轮组，额定扭矩 9N·M，峰值扭矩可达 18N·M，集效率与动力为一身； AK10-9 V2.0 动力模组质量 960g，电机配套的减速箱采用减速比为 9 的行星齿轮组，额 定扭矩 18N·M，峰值扭矩可达 48N·M，内置双编码器，可实现输出轴单圈绝对定位。
6）小米
2023 年 8 月 14 日，小米发布第二代仿生四足机器人 CyberDog2。该机器人搭载小 米最新自研的 CyberGear 微电机，每条腿上有 3个自由度，共 12 个自由度。CyberGear 微电机属于半直驱驱动器，重量 317g±3g，外径 80.5mm，高 36.55mm，使用减速比为 7.75 的行星减速机，持续扭矩 4N·m，峰值扭矩 12N·m，扭矩密度可达 37.85N.m/kg， 功率密度可达 511.04W/kg。CyberGear 采用集成减速器、电机、驱动器为一体的设计思 路，优化减速器和电磁设计自研散热系统，提升散热速度，进一步强化扭矩密度；优化电 机控制算法，提高电机力矩控制精度，配合 FOC 控制，使电机 0-90%峰值扭矩响应时间降 低至 20ms。
4. 产业链相关公司梳理
4.1 无框电机：驱动力来源，QDD 核心部件
步科股份：无框力矩电机销售额处于百万量级，第三代产品对标全球领先产品
步科股份主要产品包括人机界面、可编程逻辑控制器、伺服系统、步进系统、低压变 频器等工业自动化设备控制核心部件。在人形机器人大关节的使用上，无框力矩电机产品 可以满足其功能需求。根据公司投关活动记录，目前无框力矩电机在公司的整体销售额占 比比较小，处于百万量级，但公司发现有很多场景在落地，市场发展方向已经比较明晰， 正在和一些客户进行相关产品的共创。公司的第三代无框力矩电机产品可以对标国际领先 产品，部分型号具备一定优势。此外，随着公司产品规模扩大和工艺的创新，产品会存在 一定降本空间，使公司无框力矩电机产品的售价更具竞争优势。
江苏雷利：年电机出货量超 2 亿台，产品系列齐全
江苏雷利是一家具有广泛影响力的微电机产品研发设计、生产制造型上市企业，年电 机出货量超 2 亿台，主要产品包括微型步进电机、同步电机、直流有刷电机、直流无刷电 机、微型水泵等多种电机产品。目前公司的产品在家用电器行业已经具有较高的影响力， 并将持续推进在汽车零部件、工业、运动健康、机器人等多领域的协调发展。根据公司年 报信息，公司在工控领域正在大力研发的有：编码器+控制器+空心杯电机+精密齿轮箱。 根据公司投关活动记录，人形机器人行业处于发展早期阶段，尚无可量产的成熟解决方案， 公司正积极布局该领域微电机、减速装置及线性传动组件产品，与产业链多家企业合作探 索行业机遇。
汇川技术：国内工业自动化控制标杆，产品系列齐全，研发实力强劲
汇川技术是国内工业自动化控制标杆企业，五大业务为通用自动化、智慧电梯、新能 源汽车、工业机器人和轨道交通。在通用自动化领域产品包括：变频器、伺服系统、控制 系统、传感器、高性能电机、高精密丝杠等，产品线齐全。根据公司年报，2022 年公司通 用伺服系统在中国市场份额约 21.5%，位居第一名，市场竞争力强劲；小型 PLC 产品在中 国市场的份额约 11.9%，位居第二名（内资第一名）。根据公司投关活动记录，公司目前 对人型机器人处于洞察阶段，会做好对技术路径、应用场景、产品要求、成本等方面的评 估。汇川全资子公司上海莱恩主营滚珠丝杠，未来同样有可能应用到人形机器人领域。
禾川科技：伺服系统在国产品牌中优势明显，未来将在机器人方向大力投入
禾川科技专注于工业自动化行业，主要产品为伺服系统和 PLC。公司的核心产品伺服 系统，搭载自主研发的编码器，在定位精度、速度控制、额定转矩等核心性能指标上均具 有较强竞争力，在国内品牌厂商中保持优势地位。2022 年，公司伺服系统销售收入 7.58 亿元，同比增长 15%；PLC 销售收入 1.21 亿元，同比增长 204%。根据睿工业数据，2020 年公司通用伺服系统的市场占有率约为 3%，在国产品牌中位列第二。公司近期募投项目显 示将发展滚珠丝杠副和导轨业务，滚珠丝杠更多的需要工艺方面的积累，目前还在研发阶 段。根据公司投关活动记录，公司认为未来在机器人行业，精密传动核心部件以及和机电 结合的组件上应用广泛，因此公司会在机器人方向上加大投入。
卧龙电驱：全球主要的电机与驱动专业制造商，研发实力强劲
卧龙电驱是新能源车电机行业、综合型电机与驱动专业制造商，主要生产各类电机、 发电机、控制驱动及工业自动化等产品。公司在家用类电机及控制技术，大功率驱动控制 技术，高效电机，永磁电机等领域的研究开发方面达到了国内领先水平，部分产品达到国 际领先水平。根据公司年报信息，在大型工业电机驱动领域，公司引领行业，特别是亚太 市场公司份额超过 50%。控制驱动领域，电机电控是新能源车稳定输出的传动装置，作用 主要体现在功率扭矩，加速性能方面，在技术层面与机器人关节驱动器相似，凭借长期研 究的技术和产品基础，公司在研发方面具备先行优势。
伟创电气：成立机器人事业部，开发系列机器人用电机产品
伟创电气深耕电气传动和工业控制领域，主要产品为变频器、伺服系统、控制系统等。 根据公司官网和公告，2022 年成立机器人行业部，切入机器人产业链，产品涵盖移动机器 人动力单元，通用低压伺服、低压伺服一体轮，机器人关节模组、空心杯电机、无框力矩 电机等核心部件。其中，公司的空心杯电机直径 13mm，空载转速 85000rpm，最大输出 功率 58W，最大额定扭矩 7mNm，适用于人形机器人灵巧手关节。
雷赛智能：发布高密度无框电机及伺服系统，赋能人形机器人行业
雷赛技能深耕运控行业二十余年，提供运动控制器、伺服系统、步进电机等系列产品 及运动控制解决方案。2023 年 11 月份，公司正式对外发布 FM1 系列高密度无框电机和 微型伺服驱动器，无框电机具备转矩密度高、功率密度高、体积小、重量轻、转子内径大、 发热小、转矩波动小等优点，针对协作和人形机器人等行业的应用场景和用户痛点进行研 发设计、提供 25/38/50/60/70/85/115mm 等七个标准的框架尺寸，还可以根据客户需求 进行电机尺寸和电气参数的优化定制。同时，公司推出 LD3mini 微型伺服驱动器以匹配 FM1 无框电机，功率涵盖 50W/200W/400W/750W，具有 E 总线接口、最快 125 微秒总 线周期、三环矢量控制、高中低频振动抑制等先进功能。FM1 无框电机和微型驱动器正在进入试产试销阶段：预计 23 年 12 月份陆续为目标客户提供样机进行测试选型，24 年 1 月份进入小批量生产，3 月份进入大批量生产销售。
4.2 减速机：机械传动部件，执行器技术创新突破点
双环传动：高精密齿轮制造商，汽车延伸至机器人，RV 减速器达 10 万产能
双环传动以齿轮制造起家，四十余年深耕中高端齿轮制造领域，主要产品为乘用车齿 轮、商用车齿轮、工程机械齿轮、摩托车齿轮和电动工具齿轮等，并延伸至工业机器人 RV 减速器领域。根据官网介绍，公司从 2013 年开始布局机器人减速器，2020 年国产 RV 减 速器中市占率达到第一名，2022 年 5 月突破 10 万台减速器产能。公司具备数十年的齿轮 加工经验，拥有优质的客户渠道资源和对机器人行业的深刻理解，相比其他汽车齿轮公司 而言，双环更加懂得机器人需要一款什么样的减速器，更能为主机厂客户提供更适合的产 品，反向赋能主机厂，在机器人减速器领域具有更大的潜力。
中大力德：综合减速器厂商，减速器产品覆盖电机、行星、谐波、RV 减速器
中大力德是国内综合性工业自动化零部件厂商，产品覆盖减速电机、精密减速器、驱 动器和智能执行单元三大类，其中精密减速器产品包括行星减速器、RV 减速器与谐波减速 器，产品线齐全，应用于工业机器人、智能物流、新能源设备、工业母机、纺织机械等工 业自动化领域。根据公司年报，2021年公司减速器（包括 RV 减速器，谐波减速器和行星 减速器，其中精密行星减速器为主）收入 2.54 亿元，占营业总收入 27%，在下游需求的拉 动下出货量有望快速提升。
4.3 热管理：散热并提高扭矩输出，在 QDD 中重要性提升
三花智控：热管理技术全球领先，机器人业务聚焦机电执行器
三花智控为全球领先的热管理企业，主要产品包括电子膨胀阀、四通阀、电磁阀等空 调与汽车热管理零部件。根据公司投关活动记录，公司积极布局机器人产业，重点聚焦仿生机器人机电执行器业务，包括直线执行器和旋转执行器两种，公司通过持续投入和联合 研发，已与多个客户建立合作具备先发优势。公司从热管理延伸至机器人，具有多重优势： ①电机是机电执行器动力源，三花在电机方面技术积累丰富，2005 年就已经开始大量研发 电机产品，电子膨胀阀、水泵、Omega 泵、排水泵等都是电机类产品；②人形机器人中将 使用高功率密度的电池和电机，对热管理需求较高，公司在这一领域有明显优势；③公司 与现有客户已有多年合作基础，在多领域协同配合，并有较强的综合能力。
银轮股份：国内领先的热管理制造商，机器人配套零件潜在供应商
银轮股份是一家专业研发、制造和销售各种热管理和尾气后处理产品的民营股份制上市公司，热交换器产销量连续十几年居国内行业前列。根据公司投关活动记录，公司已经 成功研发并配套北美大客户 FSD（自动驾驶系统）液冷产品，随着电动车智能化信息化功 能进一步提升，预期为 FSD 配套液冷将成为主流。凭借在热管理领域多年的研发成果，公 司在机器人关节驱动器液冷热处理领域具有先发优势，公司现有技术储备可适用于智能化 人形机器人方向的应用，是未来机器人配套零件的潜在厂商。
（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）
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