执行器是关节运动核心
执行器是驱动机器人关节运动的核心部件，按驱动形式可分为旋转驱动和直线驱 动（其驱动源本质仍为旋转电机）。由于传动部件（如减速器、弹簧等）与驱动 电机在功能和结构上紧密耦合，电机设计必须综合考虑传动特性与机械架构。根 据传动部件类型及其与电机的组合方式，机器人执行器可分为三类： 1) 柔性执行器(Flexible Actuator，FA)，由电机结合高减速比减速器组成，其 核心特征体现在三个方面：①高转矩密度：通过高减速比减速器设计显著提 升输出转矩，实现较高的转矩密度。②具有机械谐振：由于谐波减速器中柔 轮、齿隙及摩擦等弹性连接因素，系统存在多阶振动频率的机械谐振现象。 ③低力透明度和弱反驱性能：高减速比结构会增大反射惯量和反射摩擦等机 械阻抗，从而导致力透明度降低和反驱性能减弱。 2) 弹性执行器(Elastic Actuator，EA)在柔性执行器基础上集成弹性元件，主 要包括串联弹性、可变刚度和可变阻抗等类执行器型，主要特征表现为：① 强抗冲击性能：弹性元件作为缓冲介质有效隔离冲击载荷，显著增强抗冲击 能力。②高效率、高峰值转矩：通过被动储能机制实现高效率能量转换和高 峰值转矩输出。③低力控制带宽：由于弹性元件刚度通常小于 10000Nm/rad， 系统呈现较低输出阻抗，力控制带宽相对受限。 3) 准直驱执行器(Quasi Direct Drive，QDD)采用高转矩密度电机配合低减速比 减速器的结构配置，其典型特征包括：①高力透明度和强反驱性能：通过降 低减速比有效减小非线性误差和静摩擦力，从而获得优异的力透明度和反驱性能。②强抗冲击性能：减速器减速比的降低同时减少了机械阻抗，使系统 具备良好的抗冲击能力。③低转矩密度：由于减速比对转矩的放大作用较弱， 导致整体转矩密度提升幅度有限。 不同传动部件使关节执行器呈现差异化特性，导致对关节电机的需求也产生差异。 柔性执行器虽降低了对电机的转矩需求，但需解决机械谐振问题；弹性执行器减 小了峰值转矩要求，却需要提升力控制的动态响应能力；准直驱执行器仅通过电 流环就能实现高精度转矩控制，但面临着提高转矩密度的挑战。
电机是是执行器核心部件
机器人通过与外界场景进行交互来完成各项任务，而外界场景具有动态性和非结 构性，交互具有频繁性，这对机器人执行器提出了严格要求。从机器人的需求角度分析，电机具有如下特征：（1）模块化设计：通过电机与传动部件集成，实 现低速大转矩输出，以应对重载交互需求；（2）强过载能力：在动态场景中快 速响应时效性任务，需支持短时高力矩爆发输出；（3）优异动态响应：适应频 繁加减速及往复运动，确保复杂动作执行的精准性；（4）高可靠性能：抵御频 繁交互带来的冲击扰动，保障系统运行可靠性；（5）高功率/转矩密度：在有限 关节空间内实现高转矩/功率密度，可满足机器人轻量化需求。 相较于传统工业应用中的伺服电机，机器人电机更需加强短时输出的爆发性、提 高未知环境中的可靠性，并适应机器人自身结构所带来的限制。
常见电机分类与应用
目前，常见的机器人电机按拓扑分类包括内转子径向磁通永磁电机、外转子径向磁通永磁电机和轴向磁通永磁电机。此外，空心杯电机作为一种特殊的永磁电机 也常用于机器人灵巧手的微小型关节。
内转子径向磁通永磁电机是主流永磁电机，根据永磁体安装方式可分为表贴式和 内嵌式两种。由于表贴式结构结构简单、成本低廉，加之关节电机转速要求不高， 使得表贴式结构成为机器人关节的首选方案。随着机器人负载能力和动态性能的 持续提升，对关节电机的转矩输出要求也相应提高，内转子逐渐被其他电机类型 替代。 外转子电机凭借其结构优势，在特定应用场景中逐步替代内转子电机。该类型电 机在同等外径条件下能提供更大输出转矩，兼具扁平内转子电机的特性优势，同 时实现了更高的峰值转矩密度和速比性能。另外，外转子电机增大的气隙直径有 利于采用更多极对数设计，有效抑制转矩脉动，这种特性使其在低减速比关节执 行器中更为适配。基于上述优势，外转子电机主要应用于直接驱动机器人，或构 成 QDD 用于准直驱机器人。 轴向磁通电机与传统径向磁通电机相比，具有轴向尺寸紧凑、转矩/功率密度高、空间利用率高的优点。其结构特点使其能够在相同外径条件下，具有更大永磁体 空间和更多磁极数量，从而更易实现低速大转矩输出。然而该类型电机在实际应 用中仍面临两大技术瓶颈：第一，该电机在持续高扭矩工况下会出现严重发热； 第二，该电机工艺复杂性和材料利用率偏低，不利于批量化生产。
空心杯电机作为一种特殊永磁伺服电机，采用无铁芯圆筒形绕组转子结构，具有 转子惯量小、无铁耗和齿槽转矩的特点。该设计使其具备转矩波动小、运行平稳、 效率高和动态响应快的优势，适合应用于对体积、精度和灵活性要求高的机器人 灵巧手领域。但由于空心杯电机输出转矩有限，实际应用中需要配合高减速比减 速器及滚珠丝杠、蜗轮蜗杆或腱绳等传动机构组成级联式柔性执行器系统。
通过分析机器人电机的峰值转矩密度与尺寸参数关系，可建立典型应用型谱：空 心杯电机适用于 8-20mm 直径的低径长比微型关节，主要应用于灵巧手等精密部 件；内转子电机主导 30-80mm 直径的中径长比关节，主要应用于机械臂等上肢系 统；外转子电机则适配 100-180mm 直径的高径长比关节，适合腿足式机器人等高动态下肢需求。轴向磁通电机具有高转矩密度特性，但由于其存在散热问题，当 前实际应用有限。
大扭矩+紧凑散热+中空走线，商业化成熟
无框力矩电机是一种无框架结构的无刷永磁同步电机。其摒弃了传统伺服电机的 壳体，仅由定子和转子两大核心部件构成。其中，转子作为内部旋转部件，由带 永磁体的钢制圆环组件构成，可直接安装在设备转轴上；定子作为外部固定部件， 通常由环绕齿槽的叠压钢片及铜绕组组成，负责产生电磁力，并直接固定在机器 壳体内。 无框力矩电机作为一种动力源，与普通伺服电机用途相似，但在以下方面具备突 出优势： （1）性能提升：采用直接耦合方式（无背隙）、实现更高系统带宽，可直接集 成至机械结构中，降低空载与摩擦损耗，从而提升整机运行效率； （2）结构紧凑：节省安装空间，具有更高的单位体积扭矩密度；（3）刚性增强：可作为直驱动力源，无需借助皮带轮、丝杠或齿轮箱等传动机 构，直接驱动负载，系统刚度更高； （4）运行静音：由于直接集成在机械结构内部，传动方式简化，显著降低了运 行噪音； （5）维护简便：机械部件数量减少，不含易磨损或需定期维护的组件，降低了 长期维护需求。 综合来看，无框力矩电机的核心优势是输出力矩大、结构紧凑且散热性好，通常 采用此类电机的效率更高、重量更轻。同时，无框力矩电机的中空结构便于走线， 因此适用于集成度较高的人形机器人。
以特斯拉人形机器人 Optimus 为例，其执行器可分为旋转执行器和线性执行器 2 大类型 6 种规格。目前 Optimus 全身关节总共有 28 个执行器，均搭载无框力矩 电机，其中 14 个旋转性执行器包括无框力矩电机+谐波减速器，从而实现类似人体关节的旋转运动；14 个线性执行器包含无框力矩电机+行星滚柱丝杠，用来实 现类似人体的肌肉拉伸运动。
人形机器人产业的发展推动了无框力矩电机的市场。根据海外市场研究公司 Technavio 的统计数据，2023 年全球无框力矩电机市场规模增长了 6.95%，为 6.57 亿美元。随着人形机器人逐渐实现商业化，将进一步带动无框力矩电机行业市场 规模增长。若以 2030 年人形机器人出货量达 100 万台，同时无框力矩电机产品 单价下降一半到 500 元/台来估算，预计人形机器人领域无框力矩电机市场空间 将达到 23.97 亿美元。叠加传统领域市场空间的平稳增长，总市场规模将达到 33 亿美元。 国际厂商在该领域具有先发优势，主要企业均已推出面向机器人关节的系列化产 品。相比之下，国内产业起步相对较晚，在关键制造工艺如充磁、灌封和绕线技术，以及过载能力和轻量化设计等方面仍存在提升空间。
技术壁垒较高，国内市场呈集中趋势
在国内市场，无框力矩电机领域目前仍存在较高的技术壁垒，仅有少数厂商具备 相关产品供应能力，市场呈现头部集中格局。整体而言，国产产品在性能和质量 上仍落后于海外高端品牌，该细分市场对进口产品依赖度较高。
目前，国内布局无框电机的主要企业包括步科股份、大族电机、富兴机电、伟创 电气、昊志机电、杭州三相、易尔泰、常州运控、合泰电机、三瑞智能等。与此 同时，来福谐波、绿的谐波、同川精密等减速器厂商也已开始自主研发无框电机， 旨在推出集成化的关节模组产品，进一步拓展市场。
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