一文看透：人形機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動產(chǎn)業(yè)鏈（附 60 款芯片方案）

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文 / 吳子鵬）根據(jù)國家市場監(jiān)管總局?jǐn)?shù)據(jù)，2024 年全國新注冊智能機(jī)器人相關(guān)企業(yè) 124,839 家，連續(xù)兩年超過 10 萬家。截至 2024 年年底，全國共有 45.17 萬家相關(guān)企業(yè)。自 2024 年下半年起，國內(nèi)人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)熱潮開啟，越來越多機(jī)器人公司將業(yè)務(wù)聚焦于人形機(jī)器人領(lǐng)域。數(shù)據(jù)顯示，截至 2024 年 11 月底，全國人形機(jī)器人相關(guān)企業(yè)數(shù)量達(dá) 6.7 萬家，其中整機(jī)企業(yè)超 80 家。較具代表性的企業(yè)有優(yōu)必選、宇樹科技（Unitree）、智元機(jī)器人、傅利葉智能和眾擎機(jī)器人等，這幾家代表公司的情況如下表所示。

從時(shí)間線來看，國內(nèi)人形機(jī)器人起步相對較晚，部分標(biāo)志性成果的實(shí)現(xiàn)也晚于美國波士頓動力和特斯拉等公司。不過，從近期發(fā)展速度來看，國產(chǎn)人形機(jī)器人大有迎頭趕上之勢，這離不開背后產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)的支持。具體而言，人形機(jī)器人產(chǎn)品鏈主要涵蓋以下幾部分：上游的基礎(chǔ)組件和軟件，中游的整機(jī)制造，以及下游的應(yīng)用。

目前，人形機(jī)器人已有眾多成熟應(yīng)用案例。例如，優(yōu)必選 Walker 系列人形機(jī)器人已在眾多工廠 “實(shí)習(xí)”，包括代工廠和汽車制造廠。另外，優(yōu)必選 Walker X 機(jī)器人能夠陪伴老人，輔助老人上廁所、協(xié)助吃飯，還可打掃房間、做飯等；樂聚 “夸父” 機(jī)器人能根據(jù)衣物種類材質(zhì)選擇洗滌程序、自動投放洗衣液柔順劑來洗衣，能智能感應(yīng)植物需求進(jìn)行澆花插花，并且能自動識別衣物類型大小完成晾衣任務(wù)。

整機(jī)和應(yīng)用成果不斷涌現(xiàn)，離不開上游硬件和軟件的持續(xù)進(jìn)步。人形機(jī)器人上游的硬件可進(jìn)一步細(xì)化為：精密減速器、伺服電機(jī)、絲杠、傳感器、電池、電子元器件，具體如下圖所示。
能夠看出，絲杠（19%）、伺服電機(jī)（16%）、減速器（13%）、傳感器（11%）是人形機(jī)器人中價(jià)值量占比較高的環(huán)節(jié)，合計(jì)占比近 60%。此前我們在文章中梳理了人形機(jī)器人的 IMU 芯片供應(yīng)，此次我們重點(diǎn)關(guān)注電機(jī)驅(qū)動環(huán)節(jié)。

人形機(jī)器人里的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)

伺服電機(jī)是運(yùn)動控制的核心部件，能將電信號轉(zhuǎn)化為精確的機(jī)械運(yùn)動，為人形機(jī)器人的關(guān)節(jié)提供動力，使其實(shí)現(xiàn)各種靈活動作，具有高精度、高速度、高扭矩等特點(diǎn)。從電機(jī)類型來看，人形機(jī)器人所用到的電機(jī)包括傳統(tǒng)伺服電機(jī)（如直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)），以及特種伺服電機(jī)（如無框力矩電機(jī)和空心杯電機(jī)）。

其中，傳統(tǒng)直流伺服電機(jī)包括永磁直流伺服電機(jī)、換流式伺服電機(jī)、永磁無刷直流伺服電機(jī)等，以精準(zhǔn)控制和高響應(yīng)速度見長，適用于機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動；交流伺服電機(jī)分為永磁型（高轉(zhuǎn)矩、高響應(yīng)）和感應(yīng)型（高負(fù)載能力），支持高速、高精度控制，適配人形機(jī)器人四肢及軀干驅(qū)動，滿足機(jī)器人復(fù)雜運(yùn)動需求；無框力矩電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度高，適合用于人形機(jī)器人的關(guān)節(jié)部位，可直接集成到關(guān)節(jié)模塊中，減少空間占用，提高機(jī)器人的靈活性；空心杯電機(jī)具有體積小、重量輕、響應(yīng)速度快、效率高等優(yōu)點(diǎn)，常用于對空間和重量要求較高的小型人形機(jī)器人或機(jī)器人的小型關(guān)節(jié)。

如下圖所示，人形機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的基本構(gòu)成大致分為三部分，包括電機(jī)本體、驅(qū)動系統(tǒng)和編碼器。其中，驅(qū)動系統(tǒng)主要包括控制芯片、電源模塊、信號采集模塊、功率放大器、過熱保護(hù)電路和控制面板等。

人形機(jī)器人的電機(jī)控制

作為控制系統(tǒng)核心，控制芯片負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、信號處理及指令下發(fā)，，用于協(xié)調(diào)多關(guān)節(jié)協(xié)同運(yùn)動。目前，專用于人形機(jī)器人電機(jī)控制的芯片并不多，大部分還是采用通用的 MCU 作為驅(qū)動芯片的主控芯片，區(qū)別在于集成度的高低。據(jù)統(tǒng)計(jì)，單臺機(jī)器人需 30 - 40 顆高端 32 位 MCU。在此，我們不再匯總通用 MCU，而是關(guān)注實(shí)時(shí)控制 MCU 以及人形機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動專用芯片。

國際廠商的實(shí)時(shí)控制 MCU 主要有以下幾款，分別是 TI C2000、ST STM32G4、瑞薩 RA8系列和英飛凌 PSOC 系列，它們的具體情況如下：

能夠看到，TI 公司的 C2000 系列和 ST 公司的 ST STM32G4 系列都直接面向伺服驅(qū)動和電機(jī)控制。

在這方面，國內(nèi)公司也取得了一些具體進(jìn)展。例如，極海的 G32R501 系列 MCU，基于 Arm? Cortex? - M52 雙核架構(gòu)，集成 Helium 技術(shù)，具備高實(shí)時(shí)算力與靈活控制外設(shè)，支持復(fù)雜算法的高速運(yùn)算，適用于人形機(jī)器人關(guān)節(jié)控制器與靈巧手控制。

先楫半導(dǎo)體的HPM6E00系列?、HPM6E8Y系列?等，其中HPM6E8Y系列是該公司在2025年CES展會上發(fā)布的?最新一代機(jī)器人專用MCU?，專為關(guān)節(jié)控制與伺服電機(jī)優(yōu)化。HPM6E8Y系列內(nèi)置 RISC-V 雙核，主頻高達(dá) 600MHz，性能達(dá)到 3390CoreMark?的基準(zhǔn)測試分?jǐn)?shù)，具備 1710DMIPS 的處理能力。同時(shí)，HPM6E8Y系列集成 2 個(gè)以太網(wǎng) PHY 收發(fā)器，支持 EtherCAT 從控制器，集成3個(gè)TSN千兆以太網(wǎng)端口和32通道高分辨率PWM輸出，支持毫秒級實(shí)時(shí)通信與精準(zhǔn)運(yùn)動控制，適用于緊湊型伺服驅(qū)動系統(tǒng)。?

兆易創(chuàng)新 GD32F4 系列 MCU 和 GD32E5 系列 MCU，前者采用 Cortex - M4 內(nèi)核，主頻達(dá) 240MHz，集成硬件 DSP 指令集和浮點(diǎn)運(yùn)算單元（FPU），支持高精度電機(jī)控制算法（如 PID、FOC），適配工業(yè)機(jī)器人伺服電機(jī)驅(qū)動；后者搭載 Cortex - M33 內(nèi)核（180MHz），配備硬件三角函數(shù)加速器和高精度定時(shí)器，優(yōu)化電機(jī)控制閉環(huán)運(yùn)算效率，有助于降低系統(tǒng)延遲。

除了這三家，納芯微的 NS800RT 系列實(shí)時(shí)控制 MCU 也值得關(guān)注，包括 NS800RT5039、NS800RT5049 和 NS800RT3025，分別采用單顆主頻為 260MHz 和 200MHz 的 Arm Cortex - M7 內(nèi)核，支持分支預(yù)測、DSP 指令集和 FPU。該系列產(chǎn)品可用于光伏 / 儲能逆變器、不間斷電源、工業(yè)自動化、協(xié)作機(jī)器人、新能源汽車大 / 小三電、空調(diào)壓縮機(jī)等系統(tǒng)，納芯微工作人員此前也透露，人形機(jī)器人是該公司實(shí)時(shí)控制 MCU 重要的目標(biāo)市場。

當(dāng)然，也有公司專門推出針對人形機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動的芯片，比如芯朋微。該公司針對驅(qū)動無刷直流電機(jī)（BLDC）和微步進(jìn)電機(jī)都推出了相關(guān)的專用芯片。其中，用于 BLDC 的專用芯片，能實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的高效控制，具有高集成度、低功耗等特點(diǎn)，可精確控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和扭矩；用于微步進(jìn)的專用芯片能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的微步細(xì)分控制，提高電機(jī)的定位精度和運(yùn)行平穩(wěn)性。

人形機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動里的功率器件

在電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)里，功率器件也至關(guān)重要。例如，相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在人形機(jī)器人中，每個(gè)機(jī)電執(zhí)行器一般需 1 - 2 顆 IGBT 芯片來驅(qū)動，能快速開關(guān)，控制電機(jī)的功率輸出，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高效驅(qū)動。

當(dāng)然，由于人形機(jī)器人最終用途的差異，廠商在選擇 IGBT 芯片時(shí)可能會在品質(zhì)上有所區(qū)分，比如工規(guī)級或者消費(fèi)級，下面我們來看一些代表性的產(chǎn)品。

除了 IGBT，MOSFET 在人形機(jī)器人中的應(yīng)用范圍更為廣泛。MOSFET 高頻特性好、驅(qū)動功率小、導(dǎo)通電阻低，在小型關(guān)節(jié)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)控制中有關(guān)鍵作用。例如，在小型關(guān)節(jié)電機(jī)里，MOSFET 可以組成 H 橋電路或半橋電路，通過控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)這些小型關(guān)節(jié)的精細(xì)動作，如抓取物體、進(jìn)行精細(xì)操作等。比較有代表性的產(chǎn)品包括：

人形機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動里的編碼器

最后看一下編碼器，在人形機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動中，編碼器能夠?yàn)殡姍C(jī)控制提供關(guān)鍵的反饋信息，從而實(shí)現(xiàn)精確的運(yùn)動控制。具體而言，編碼器主要實(shí)現(xiàn)三大類功能：

其一是位置反饋，編碼器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測電機(jī)軸的位置，將位置信息反饋給電機(jī)控制器?？刂破鞲鶕?jù)反饋的位置信息，調(diào)整電機(jī)的驅(qū)動信號，使電機(jī)準(zhǔn)確地運(yùn)行到目標(biāo)位置，從而實(shí)現(xiàn)人形機(jī)器人各關(guān)節(jié)的精確定位和運(yùn)動控制。

其二是速度反饋，通過測量編碼器輸出脈沖的頻率，可以計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，電機(jī)控制器根據(jù)速度反饋信息，調(diào)節(jié)電機(jī)的驅(qū)動電流，使電機(jī)保持穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速，確保人形機(jī)器人的運(yùn)動平穩(wěn)、流暢。

其三是閉環(huán)控制，編碼器為人形機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)提供了閉環(huán)控制所需的反饋信息，使系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整控制策略，補(bǔ)償外界干擾和系統(tǒng)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性。

目前，人形機(jī)器人領(lǐng)域一些常用的編碼器如下圖所示：

人形機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)后續(xù)的發(fā)展趨勢

目前，人形機(jī)器人市場還處于發(fā)展早期，電機(jī)驅(qū)動的用量也無法與傳統(tǒng)汽車、工業(yè)市場相比。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2024 年中國人形機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動市場規(guī)模 0.54 億元，其中無框力矩電機(jī)規(guī)模 0.28 億元，空心杯電機(jī)規(guī)模 0.26 億元；預(yù)計(jì) 2025 年中國人形機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動市場規(guī)模 1.18 億元，其中無框力矩電機(jī)規(guī)模 0.61 億元，空心杯電機(jī)規(guī)模 0.56 億元。

不過，后續(xù)隨著人形機(jī)器人量產(chǎn)數(shù)量指數(shù)級提升，電機(jī)驅(qū)動產(chǎn)品也將從中受益。那么，后續(xù)應(yīng)用于人形機(jī)器人的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)會有哪些發(fā)展趨勢呢？我們總結(jié)了以下幾點(diǎn)。

首先是更高的精度和響應(yīng)速度，隨著應(yīng)用場景對人形機(jī)器人動作精度要求的提高，電機(jī)控制需要達(dá)到更高的精度。如在一些需要精細(xì)操作的任務(wù)中，如抓取易碎物品、進(jìn)行微創(chuàng)手術(shù)輔助等，要求電機(jī)能精確控制扭矩和位置。同時(shí)，為了使機(jī)器人能夠更自然流暢地運(yùn)動，快速躲避障礙物或?qū)ν獠看碳ぷ龀隹焖俜磻?yīng)，電機(jī)的響應(yīng)速度也將不斷提升，比如從接收到指令到開始動作的時(shí)間將縮短至毫秒級甚至更短。

其次是集成化與小型化，為了滿足人形機(jī)器人對空間和重量的嚴(yán)格要求，電機(jī)控制硬件將越來越集成化和小型化。將電機(jī)、驅(qū)動器、傳感器和控制器等集成在一起，形成高度集成的關(guān)節(jié)模塊，減少布線和連接部件，提高系統(tǒng)的可靠性和緊湊性。

第三是與 AI 深度融合，將人工智能算法，如深度學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等融入電機(jī)控制中，使機(jī)器人能夠根據(jù)環(huán)境和任務(wù)的變化自主學(xué)習(xí)和優(yōu)化運(yùn)動控制策略。例如，機(jī)器人在不同的地形行走或執(zhí)行不同的任務(wù)時(shí)，能通過學(xué)習(xí)不斷調(diào)整電機(jī)的控制參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)最佳的運(yùn)動效果。

最后是多模態(tài)感知融合控制，結(jié)合視覺、力覺、觸覺等多種傳感器的信息，實(shí)現(xiàn)多模態(tài)感知融合控制。比如機(jī)器人在抓取物體時(shí)，不僅依靠視覺確定物體的位置和形狀，還通過力覺反饋精確控制電機(jī)施加的力，避免用力過度或不足。

下期我們將系統(tǒng)性地為大家盤點(diǎn)一些人形機(jī)器人在傳感器方面的應(yīng)用、產(chǎn)品和廠商情況。