之前的文章，我们介绍过电力驱动是机器人的主要驱动方式，今天我们继续来看适合机器人关节的几类电机。

机器人关节所采用的关节驱动电机主要有步进电机、无刷直流电机、伺服电机。由于应用需求场景不同，将人形机器人关节与工业机器人、协作机器人关节进行对比优劣没有可比性。工业机器人对精度、寿命要求高，更适合采用伺服电机；人形机器人对控本、提效、力矩和运转稳定的诉求更强，更适合采用力矩无框电机，尤其是直流无框力矩电机。

人形机器人电机有三个关键需求：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，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，这些电机还需要小巧，紧凑，轻巧。

1、直流电机VS交流电机

直流电动机相较于交流电机拥有准确快速的控制能力，恒定扭矩以实现更高负载，不需要额外的启动设备以减少成本等优势，从而更能够满足人形机器人对于高负载、低成本的需求。直流电机与交流电机的区别：

①控制能力不同：交流电机通过改变输入频率来控制交流电机。而直流电机则直接通过改变电枢电流和电压来控制电机。这从而导致直流电机能够提供准确且快速的控制，更适用于人形机器人。

②力矩性能不同：力矩越大电机的加速性越好。而提高交流电机的速度会导致其力矩降低，直流电机在速度范围内提供恒定的力矩。直流电机加速性好于交流电机，从而能够负载更高的重量，使人形机器人得以从事高负载的劳动。

③启动方式不同：所有直流电机都是自启动的，这意味着它们不需要任何额外的设备即可启动。而交流电机则需要额外的电子设备来启动。因此直流电机可以减少人形机器人部件的数量，从而降低其成本和体积。

2、有刷电机VS无刷电机

无刷电机避免了有刷电机故障率高、寿命短的缺点，更能够满足人形机器人的需求，目前无刷电机成本更高，大规模应用之后成本有望下降。有刷电机由于存在碳刷，有两个缺点：

①碳刷和换向片之间存在摩擦，导致有刷电机容易产生火花、发热、噪音、对外界环境有电磁干扰。这会导致人形机器人的使用场景受限，无法在一些易燃易爆危险的场景代替人类进行工作。

②碳刷属于损耗品，从而使有刷电机使用寿命短，故障率高，每过一段时间都需要更换和维护，过于频繁的维护需求不利于人形机器人的商业推广与长期使用。

无刷电机由于没有碳刷，从而避免了有刷电机的上述缺点，具有抗干扰能力强、运行声音小、效能高且使用寿命长等优点。

3、力矩电机VS步进电机

不存在低速时低频振动现象，且能提供恒定的力矩，从而使得力矩电机能够负载更高的重量，更能够满足人形机器人高负载劳动的需求，效率更高更节能。

①步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空负载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，需要采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器。这会增加人形机器人的成本及体积。而力矩电机则不存在这个缺陷。

②步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降。而力矩电机在速度范围内能提供恒定的力矩，这使得力矩电机加速性好于步进电机，从而使得力矩电机能够负载更高的重量，使形机器人得以从事高负载的劳动，提升其效率并且更加节能。

4、力矩电机VS伺服电机

力矩电机相对于伺服电机能提供更加稳定的力矩和运转速度，且由于不需要使用齿轮减速箱，能够有效降低其成本和体积，减少误差及提升效率，更能够满足人形机器人的需求。

①提供稳定的力矩和运转速度。力矩电机可以在电动机低速甚至堵转（即转子无法转动）时仍能持续运转，不会造成电动机的损坏且可以提供稳定的力矩给负载。力矩电机极高的稳定性利于人形机器人的大范围推广及长期使用。

②不需要使用齿轮减速箱。从而可以减少人形机器人部件的数量，从而最大限度降低其成本和体积。

③维护更加简单，可靠性更高。转子是整个力矩电机系统中唯一的运动部件，其他任何机械组件都可以直接固定在转子上。这使得力矩电机不仅能够减少部件的维护次数，还能够消除其他组件引入的间隙、共振和定位误差。这从而导致力矩电机能够提供准确的控制，更适用于人形机器人。

④效率更高，更节能。机械系统中每增加一个传动部件都将会产生效率的损失。因此减少系统中传动部件，会提高整个系统的效率，从而能够变相的节能，力矩电机有利于提高人形机器人的续航时间及劳动负载。

5、伺服电机VS力矩电机

伺服电机对精度、寿命、散热等各方面性能均有较高要求。

①常规伺服电机转速通常额定为3000转，最大6000转，人形机器人关节电机输出转速通常不超过300转。

②不结合关节负载大小考虑，在人形机器人上采用无框力矩电机搭配谐波减速器或者行星减速器、在机器狗上采用航模电机搭配一级行星减速器，是能够综合重量、转速、扭矩与成本的较佳方案；工业机械臂中伺服电机搭配谐波减速器的方案不便于小型化，而且成本较高。

③伺服电机的形状通常为细长型，人形机器人关节要求驱动器形状轴向尺寸需要尽可能降低，设计为扁平状，常规伺服电机在人形机器人/机器狗的空间结构上不方便进行排布。

④伺服电机本体对寿命、散热等方面有较高要求，而人形机器人通常不会以工业设备的标准连续长时间工作。

⑤伺服电机常被用于精密设备的控制中，人形机器人关节的精度要求相比数控机床、工业机械臂等应用实际上并不高。

⑥制造成本角度，伺服电机的生产成本高，关节电机量产后降本空间大：过去人形机器人关节电机的价格更多是由于产量低无法均摊研发成本造成的，而不是量产后的真实成本高。

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