集微網報道 前不久，波士頓動力釋出一則「再見，液壓Atlas」視訊，宣告其著名的液壓驅動雙足人形機器人Atlas正式退休。這則視訊引起全球所有Atlas粉絲的高度關註。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，成為公司開發事業的接續力量。
這一系列舉動既讓人吃驚又不令人意外。液壓Atlas最大特點在於其優秀的運動能力，能夠做出類似跑酷的動作，但是液壓系統能量效率不高、系統零件數量多、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的商業化行程。波士頓動力放棄經典的液壓方案，改為采用電驅方案，這既是其將加快商業化開拓的一個訊號，也再一次證明了電機驅動在人形機器人商業化行程中的優勢。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。
關註空心杯電機與無框力矩電機
電機已經遍布當今社會人們生活的方方面面，不僅套用範圍越來越廣，更新換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型別。直流電機中，按照線圈型別分類，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馬達，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馬達，通常套用於人員攜行式空氣采樣泵、仿生手、手持電動工具等場景。它與手關節高度適配，可以利用永磁鐵產生磁場，從而實作直流供電。與傳統電機的不同之處在於，空心杯電機結構為轉子無鐵芯，損耗低、摩擦少，具有良好的散熱效能，是電池供電型裝置的理想選擇。
人形機器人其他關節使用的是無框力矩電機。特斯拉人形機器人全身共有28個執行器，執行器分布在肩部（6個）、肘部（2個）、腕部（6個）、軀幹（2個）、髖部（6個）、膝部（2個）、踝部（4個），其中旋轉執行器和線性執行器各14個。旋轉執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、品質輕、慣量低、結構緊湊、功率高、 適配性強等特點，在機器人關節、傳感器萬向軸、無人機推進系統套用廣泛。不同於傳統的永磁電機，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於電機殼體的束縛，可以利用機器的自身軸承支撐轉子，將電機無縫內建於機器當中。國產人形機器人如宇樹p、小米 Cyber one、優必選X1、傅立葉GR-1，關節部份也都使用了無框力矩電機。根據 technavio 預測，2027 年全球力矩電機銷售規模達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。
多核架構與整合化趨勢日趨明顯
電機驅動芯片是一種用於電機控制的芯片，透過對驅動器進行控制，可實作對電機的轉動方向、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，可以透過設定不同的控制參數實作高精度的轉角和位置控制。電機驅動芯片已經套用和發展數十年，起初電機多采用分立元件搭建驅動電路，在積體電路技術與電力電子技術不斷發展下，電機驅動芯片逐步實作了整合化、小型化和智慧化。當前，SiC、GaN等寬禁帶半導體材料在功率器件得到快速套用，也為電機驅動芯片帶來更多創新活力。
人形機器人的關節特別是手部一個重要特點是自由度特別多。根據市場上公開的資訊，人形機器人總的DOF不低於30個，這就是近30個關節，每一個關節都有電機。如此多的電機在執行，如何對這些電機實作高效、精準地控制，需要電機驅動芯片發揮關鍵性作用。
一般而言，人形機器人首先需要電機驅動芯片具有更高的效能與更強的穩定性。人形機器人的工作環境復雜，特別是當其被套用於工廠生產活動中，有可能在高電壓、大電流的環境下工作，這對芯片本體的穩定性將有更高要求。另外，人形機器人的關節要完成高轉速、頻繁的正反轉，實作高自由度，對於電機與驅動芯片的效能也有更高要求，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套用到大量電子器件，如多種型別的傳感器、MCU、功率器件等，更高整合度的控制驅動芯片將是一個重要的發展方向。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發熱，這對關節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，高價效比，以及安全性、可編程性等，都是人形機器人電驅芯片的發展方向。
多核架構與整合化已經成為當前人形機器人電機驅動芯片發展的重點之一。目前電機控制要求越來越復雜、功能越來越多、效能越來越強，用傳統的芯片工藝已經越來越困難。多核架構可讓電機芯片以較低的工藝成本實作更高的控制效能。另外，傳統的智慧功率模組是把驅動和功率器件整合在一起。現在有些方案已經把MCU和傳感器也整合進來，形成和傳統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整合化趨勢也將更加明顯。
