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產業脈動|高效能馬達於足型機器人的應用

作者 黃仲宏

刊登日期:2025/07/01

摘要

機器人驅動方式可分為液壓驅動、氣體驅動和馬達驅動三種,其中馬達驅動是目前應用最廣泛的方式,具有高精度、即時響應等優勢,被評估適合今日AI機器人的發展。馬達種類眾多,根據不同方式可以劃分為不同種類。空心杯馬達產生的轉矩均勻分布,在低速運轉下保持平穩運行,在高速運轉下有著較少的震動和噪音,加上具有突出的節能特性、靈敏方便的控制特性和穩定的運轉特性,技術優勢十分明顯。無框力矩馬達具備體積小、功率高、低轉速輸出大扭矩等特性,這2種高效能馬達已成為人型機器人關節驅動的主流馬達。馬達作為機器人核心零組件,是機器人能靈活行走的重點技術之一。未來仿生足型機器人實現量產,將進一步驅動這些高效能馬達的需求。隨著仿生足式機器人量產,相關產業應有更多的發展機會。目前歐美日馬達公司的技術水準、產品能力仍領先全球,不過國內的法人單位和企業正不斷深化自主研製的能力,提升產品水準,為未來機器人的應用建立堅實基礎。

Abstract

Robot driving methods can be divided into three types: hydraulic drive, gas drive and motor drive. Among them, motor drive is currently the most widely used method. It has the advantages of high precision and instant response, and is assessed to be suitable for the development of today's AI robots. There are many types of motors, which can be divided into different categories according to different methods. The torque generated by the hollow cup motor is evenly distributed, maintaining smooth operation at low speeds and having less vibration and noise at high speeds. In addition, it has outstanding energy-saving characteristics, sensitive and convenient control characteristics, and stable operation characteristics, and its technical advantages are very obvious. Frameless torque motors have the characteristics of small size, high power, and high torque output at low speed. These two types of high-efficiency motors have become the mainstream motors for driving humanoid robot joints. As the core component of the robot, the motor is one of the key technologies that enables the robot to move flexibly. The mass production of bionic foot-like robots in the future will further drive the demand for these high-efficiency motors. With the mass production of bionic legged robots, related industries should have more development opportunities. At present, the technical level and product capabilities of European, American and Japanese motor companies are still leading the world, but domestic legal entities and enterprises are constantly deepening their independent research and development capabilities, improving product standards, and laying a solid foundation for the future application of robots.

馬達是驅動機器人的主要零組件

廣義上,馬達可分為旋轉馬達和靜止馬達,旋轉馬達又有多種分類方法。旋轉馬達是根據電磁感應原理實現電能與機械能之間轉換的一種能量轉換裝置;靜止馬達是根據電磁感應定律和磁平衡原理實現電壓變化的一種電磁裝置。旋轉馬達按照用途可分為驅動馬達和控制馬達,按照電源類型可分為直流馬達與交流馬達。
按照用途分:有驅動馬達和控制馬達。控制馬達又可分為步進馬達、伺服馬達以及力矩馬達。隨著現代科學技術的發展,馬達在實際應用中的重點已經從過去簡單的傳動邁向複雜的控制移轉,特別是對馬達速度、位置、轉矩的精密控制。
按照電源分:有直流馬達與交流馬達。直流馬達按照電刷的有無可分為有刷馬達與無刷馬達。交流馬達按照電源類型又可分為單相交流馬達與三相交流馬達;按照轉子轉速與定子旋轉磁場的轉速是否相同,又可分為同步馬達與非同步馬達。其他的分類方法主要還有按照轉子結構可分為籠型非同步電動機和繞線轉子感應馬達;按照工作速度可分為高速、低速、恆速、調速馬達等。
驅動系統是使機器人發出動作的機構,是機器人運作的關鍵,按照動力來源可分為液壓驅動、氣體驅動和馬達驅動三種方式,其中馬達驅動是應用最廣泛的方式,具有高精度、即時響應等優勢,適合今日機器人的發展。美國波士頓動力公司在其Atlas機器人中使用液壓驅動,因其驅動強勁、爆發力強,所以我們看到機器人用於彈跳、負重等活動,液壓驅動被用在著重運動能力的Atlas機器人。不過其他大部分的機器人公司則採用馬達驅動,例如特斯拉機器人Optimus,它採用高扭矩密度馬達伺服技術來達成智慧化的控制。馬達驅動在動作的精準度上更勝一籌其他的驅動方式,配合處理器編碼器可獲得即時運動狀態的反饋,適合如今注重智慧化、多功能的機器人發展趨勢。

伺服馬達是機器人的心臟

工業機器人是一種工業領域的多關節機械手臂或多自由度機器人,在工業生產加工過程中透過自動控制來代替人類執行某些單調、頻繁和重複可預期性的長時間作業,主要包括焊接機器人、搬運機器人、上下料機器人、包裝機器人、噴塗機器人、切割機器人和潔淨室機器人。
工業機器人在機械結構上有類似人類的移動、扭腰、大臂、小臂、手腕、爪子等零組件,廣泛應用於電子、物流、化工等工業領域。按照機械機構分類,工業機器人可以分為線性傳動機器人(又稱直角坐標機器人)、多自由度機器人(又稱多關節機器人)、並聯機器人(Delta機器人)和水平多關節機器人(SCARA機器人)等。
工業機器人對精度要求高,一般使用伺服馬達,伺服系統成本在機器人中的占比約為25%。伺服系統作為工業機器人關鍵零組件,可以將控制層指令準確、及時、穩妥地傳送到執行層。受益於工業機器人的需求增加,伺服馬達市場近年大多維持穩定成長。受到下游工業機器人、電子製造設備等產業擴張的影響,伺服馬達市場規模多維持成長趨勢。與此同時,伺服馬達在新興產業應用規模也不斷成長,例如無人機、綠能產業等。
目前大中華地區是伺服馬達應用的主要市場,且伺服馬達的市場是由外商(日美德)者主導,外商品牌占比達65%。中國大陸品牌匯川在大陸市場的占比排名第一,市占率達15.9%。其他的像是日本安川、臺灣台達、日本松下及三菱,占比分別為11.9%、8.9%、8.8%及8.3%。
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