電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/吳子鵬）當(dāng)前，在人形機(jī)器人的發(fā)布會(huì)現(xiàn)場(chǎng)，機(jī)器人手部展示已經(jīng)成為重點(diǎn)，尤其是手部的準(zhǔn)確性和自由度展示。近日，特斯拉CEO埃隆·馬斯克在透露下一代人形機(jī)器人Optimus（擎天柱）細(xì)節(jié)時(shí)也特別談到了靈巧手。他表示，下一代Optimus的手部將有22個(gè)自由度，前一代版本擁有11個(gè)自由度，“它看起來非常像人類的手，可以彈鋼琴，甚至可以彈吉他?！?/p>

從10+自由度到20+自由度，是機(jī)器人靈巧手下一步升級(jí)的主流趨勢(shì)，可以讓機(jī)械臂和機(jī)器人在科研、通用泛化、工業(yè)和服務(wù)場(chǎng)景有更加廣泛的應(yīng)用，也能夠進(jìn)一步替代傳統(tǒng)人類的工作。

作為靈巧手的核心零部件，電機(jī)驅(qū)動(dòng)在機(jī)器人這一波升級(jí)中將迎來巨大的市場(chǎng)機(jī)遇，因?yàn)槭植孔杂啥鹊脑黾右簿鸵馕吨姍C(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)量的增加，因此靈巧手對(duì)于電機(jī)用量的帶動(dòng)是非常明顯的，將會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)電機(jī)技術(shù)發(fā)展。

第二代Optimus靈巧手放棄空心杯電機(jī)？

在Optimus官方賬號(hào)發(fā)布第二代Optimus展示視頻不久，有分析師表示，特斯拉Optimus第二代人形機(jī)器人相比第一代，靈巧手的電機(jī)數(shù)量翻倍，腱繩長(zhǎng)度增長(zhǎng)10倍，但第二代靈巧手用空心杯電機(jī)的必要性下降，空心杯電機(jī)雖體積小、啟動(dòng)速度快、轉(zhuǎn)速高，但力量不夠大，而特斯拉要做力量更大的高負(fù)載靈巧手，普通帶鐵芯的直流無刷電機(jī)（BLDC）也可滿足需求。

目前，靈巧手動(dòng)力源可分為電機(jī)驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)（氣動(dòng)）、液壓驅(qū)動(dòng)與形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)。其中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)是驅(qū)動(dòng)力大、控制精度高、響應(yīng)速度快、模塊化設(shè)計(jì)、易于更換和維護(hù)，此外電機(jī)驅(qū)動(dòng)有利于控制芯片實(shí)現(xiàn)模塊化控制，因此目前電機(jī)驅(qū)動(dòng)是靈巧手設(shè)計(jì)的主流方式。

在上一波靈巧手設(shè)計(jì)上，空心杯電機(jī)是廠商的主流選擇。空心杯電機(jī)是一種采用無鐵芯轉(zhuǎn)子的直流永磁伺服控制電動(dòng)機(jī)，其電樞繞組為空心杯線圈，形狀類似水杯，因此被稱為“空心杯電機(jī)”。

作為微特電機(jī)的一種，空心杯電機(jī)重量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大幅降低，從而減少定/轉(zhuǎn)子自身的機(jī)械能損耗。由于定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)變化而使電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)特性得到極大改善，節(jié)能表現(xiàn)也更加突出，還具備鐵芯電機(jī)所無法達(dá)到的控制和拖動(dòng)特性。此外，由于體積大幅縮小，空心杯電機(jī)的能量密度比其他電機(jī)大得多，與同等功率的鐵芯電機(jī)相比，重量可減輕一半。得益于這些優(yōu)勢(shì)，空心杯電機(jī)被認(rèn)為是目前市場(chǎng)上性能最為卓越的電機(jī)解決方案之一，成為人形機(jī)器人靈巧手的理想選擇。

在上一代Optimus人形機(jī)器人上，空心杯關(guān)節(jié)由空心杯電機(jī)+多級(jí)行星減速器+蝸輪蝸桿+位置傳感器（雙編）+驅(qū)動(dòng)器+金屬腱繩構(gòu)成。其中，空心杯電機(jī)是其靈巧手中的核心零部件，Optimus單只靈巧手主要有6個(gè)空心杯關(guān)節(jié)（空心杯驅(qū)動(dòng)器/執(zhí)行器）驅(qū)動(dòng)，大拇指三個(gè)自由度，相比其余手指多了一個(gè)內(nèi)收外展的自由度，由兩個(gè)執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)，其余手指均為兩個(gè)自由度，分別由一個(gè)執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)。

從供應(yīng)來看，目前空心杯電機(jī)的供應(yīng)主要還是依賴國(guó)際廠商，市場(chǎng)的主要份額也基本集中在MAXOON和Faulhaber等國(guó)際頭部空心杯廠商。天風(fēng)證券此前在研報(bào)中指出，無刷空心杯電機(jī)海外以MAXON做得較好，國(guó)內(nèi)鳴志電器、鼎智科技、恒帥股份可做，預(yù)計(jì)特斯拉量產(chǎn)后，單個(gè)人形機(jī)器人空心杯電機(jī)價(jià)值量=600元*12個(gè)手部關(guān)節(jié)算=0.7萬元。

綜上所述，得益于體積小、轉(zhuǎn)速高、響應(yīng)快、精度高等優(yōu)勢(shì)，空心杯電機(jī)在人形機(jī)器人靈巧手方面的應(yīng)用依然前景大好。

BLDC會(huì)成為靈巧手的新寵？

雖然空心杯電機(jī)的優(yōu)勢(shì)非常多，不過在特斯拉看來空心杯電機(jī)的力量不夠大，因此BLDC是更好的選擇。

雖然有鐵芯，不過BLDC仍然具有很多突出的優(yōu)勢(shì)。比如，BLDC電機(jī)具有高效率的優(yōu)勢(shì)，其采用了?電子控制器，可以更精確地控制電流和轉(zhuǎn)矩，從而提高電機(jī)的效率；具有高可靠性的優(yōu)勢(shì)，由于沒有刷子，BLDC電機(jī)的維護(hù)要求較低，壽命更長(zhǎng)；具有高速度范圍的優(yōu)勢(shì)，BLDC電機(jī)可以在廣泛的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運(yùn)行；具有??動(dòng)態(tài)響應(yīng)高的優(yōu)勢(shì)，由于定子中的低慣性和承載繞組，BLDC電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)更高；具有體積小的優(yōu)勢(shì)，且重量也很輕。

在人形機(jī)器人領(lǐng)域，無框型BLDC應(yīng)用廣泛，無框電機(jī)去除了多余的組件，工程師可直接將外殼、軸承、軸、聯(lián)軸器及其他組件集成到極為緊湊的應(yīng)用設(shè)計(jì)中。因此，理論上無框電機(jī)也可以用于靈巧手設(shè)計(jì)，比如科爾摩根指出，在緊湊型執(zhí)行器的應(yīng)用中，無框電機(jī)支持緊湊強(qiáng)大的執(zhí)行器設(shè)計(jì)，無論是直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載還是通過緊湊的諧波、行星或擺線減速機(jī)，都能實(shí)現(xiàn)充分緊密的運(yùn)動(dòng)控制集成。

不過，就像上面談到的，空心杯電機(jī)對(duì)于有鐵芯電機(jī)的優(yōu)勢(shì)是非常明顯的，即便是無框型BLDC，想要達(dá)到空心杯電機(jī)的設(shè)計(jì)效果，還需要很多方面的優(yōu)化。同時(shí)，為了得到更好的控制效果，基于通用MCU的BLDC控制恐怕難以滿足靈巧手的需求，專用控制芯片預(yù)計(jì)將是更好的方案。在專用控制芯片里，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)應(yīng)用，靈活集成PWM控制器、電流感應(yīng)、位置傳感接口和保護(hù)電路等外圍器件。

因此，BLDC是否會(huì)成為靈巧手的新寵，還要看新一代Optimus人形機(jī)器人在靈巧手方面的表現(xiàn)。

結(jié)語

空心杯電機(jī)具有體積小、轉(zhuǎn)速高、響應(yīng)快、精度高等優(yōu)勢(shì)，因此在上一代人形機(jī)器人的靈巧手打造上，空心杯電機(jī)是主流方案，并得到了行業(yè)的一致好評(píng)。不過，現(xiàn)在特斯拉認(rèn)為空心杯電機(jī)力量不足，因此想要將BLDC作為靈巧手的主要電機(jī)，成效如何，我們拭目以待。