民生证券2025年3月发布的灵巧手行业深度报告指出,灵巧手是人形机器人实现精细交互的核心执行器,驱动系统是其动力来源。电机驱动方案具备高控制精度和集成性,是灵巧手主流驱动方式。空心杯电机因无铁芯设计,效率高(>80%)、响应快、转速高(最高16000rpm),是现有灵巧手驱动电机的主流选择;无刷有齿槽电机扭矩密度高、成本低,适用于抓取重物场景。Tesla Optimus Gen3自由度从11翻倍至22,拉动驱动系统部件需求增长。2025年人形机器人量产元年开启,灵巧手驱动系统市场空间广阔。
驱动方式选择:欠驱动实用性更强,电机驱动综合优势突出
从自由度与驱动源匹配数量看,灵巧手驱动方式可分为全驱动和欠驱动。全驱动方案(DoA=DoF)可满足高精度控制,每个自由度均配置执行器,可实现人类手指全部功能,但系统集成性差、体积庞大、成本高、抗冲击柔性弱。兆威机电2024年11月发布的全驱高可靠灵巧手配备17个主动执行单元,可准确模拟人手精细动作。欠驱动方案(DoA
空心杯电机:无铁芯设计成就高能效快响应
空心杯电机核心变化在于转子无铁芯设计,只有绕组(空心杯状线圈),无传统铁芯叠片,消除磁滞损耗和涡流损耗。其优势体现在四方面:一是能效高,大多数空心杯电机最高效率超80%(普通有刷直流电机约50%);二是转速高,最高可达16000rpm(普通有刷直流电机一般低于5000rpm);三是响应快,机械时间常数仅十几毫秒(普通有刷直流电机100毫秒以上);四是运行平稳,无齿槽效应,换向片数量多。缺点是输出扭矩较小、制造成本较高。在Optimus灵巧手等轻负载、高精度场景中,空心杯电机优势突出。鸣志电器是国内空心杯电机龙头企业,已布局灵巧手整体解决方案,可提供空心杯电机、无刷电机、直线电机模组等产品。
无刷有齿槽电机:高扭矩低成本,齿槽效应逐步优化
无刷有齿槽电机定子由叠片硅钢片构成,带齿槽结构,线圈嵌入槽内集中磁场。相比空心杯电机,优势在于:扭矩密度大幅提升,适合抓取重物;铁芯结构提供机械保护,防护等级可达IP54,抗冲击耐用;设计更简单、成本更低。德国SCHUNK的EGP40灵巧手采用无刷有齿槽电机,单指抓取力达30N。主要缺点是齿槽效应导致“抖动”问题,影响力控精度。通过定子斜槽或转子斜极等结构优化设计、先进控制算法(如ODrive开源的抗齿槽算法)及材料升级可降低齿槽效应影响。随人形机器人降本需求和工艺优化,无刷有齿槽电机在灵巧手上的应用优势逐步凸显。
| 电机类型 | 能效 | 最高转速 | 扭矩密度 | 成本 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|---|
| 空心杯电机 | >80% | 16000rpm | 低 | 较高 | 轻负载高精度 |
| 无刷有齿槽电机 | 70-85% | 较低 | 高 | 较低 | 抓取重物 |
Optimus自由度翻倍驱动驱动系统需求增长
特斯拉Optimus代际更迭中灵巧手自由度不断提升。Gen2具备11个自由度(单手6个:大拇指2个+其余四指各1个),采用欠驱动方案;Gen3官宣具备22个自由度,较上一代翻倍。若驱动方案无较大变化,驱动电机数量有望同步大幅提升。马斯克透露Gen3有望将驱动器外置于手臂环节,降低对驱动电机体积的要求,成本或成为更重要的考量要素。2025年生产数千台,2026年预计5-10万台,2027年达到50万台。人形机器人量产将显著拉动驱动系统(空心杯电机、无刷有齿槽电机等)需求。建议关注驱动系统相关标的:鸣志电器(空心杯电机龙头)、伟创电气、汇川技术、兆威机电、信捷电气、雷赛智能。
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