机器人电机选型：如何选择合适的机器人电机

选择合适的机器人电机，并不只是寻找扭矩最高或转速最快的电机，而是一个将电机与机器人的负载、运动、功率、机械结构、控制以及热性能需求相匹配的过程。

对于机器人系统而言，电机选型所影响的不仅仅是机器人能否运动，还会影响关节速度、负载能力、定位精度、能源效率、热稳定性、机械集成以及长期可靠性。

最可靠的方法，是从机器人的实际运行需求出发，逐步确定所需的电机规格，而不是先从产品目录中挑选一个电机，再反过来适配机器人。

本指南将逐步介绍如何选择机器人电机，从定义应用需求、计算扭矩，到确定速度、功率、减速比、电机架构、反馈系统、热性能以及控制接口。

在选择电机之前明确机器人的需求

选择机器人电机的第一步，是明确机器人需要驱动什么、需要以多快的速度运动，以及需要在什么运行条件下完成工作。

在比较电机之前，需要确定机器人的类型、负载、运动质量、关节或轮子的配置、所需运动范围、加速度、运行时间、可用安装空间、电源以及控制需求。

不同的机器人结构会产生完全不同的电机需求，因此第一步应该根据应用来确定，而不是先根据电机本身进行选择。

例如，轮式移动机器人可能更关注持续速度和效率，而四足机器人可能需要较高的峰值扭矩、快速响应以及精确的扭矩控制。人形机器人关节则可能更加重视扭矩密度、紧凑集成、热性能和可回驱性。

如需进一步了解不同机器人结构如何影响电机需求，可参考《腿式机器人 vs. 轮式机器人：设计、性能与电机需求对比》。

选择机器人电机时需要考虑的关键因素

计算负载和所需扭矩

机器人所需的电机扭矩取决于负载、力臂、加速度、摩擦以及机械损耗。

扭矩通常是需要计算的第一个主要参数，因为如果电机无法产生足够的扭矩，更高的速度或更好的控制能力也无法弥补扭矩不足。

对于简单的静态负载，可以使用以下公式估算扭矩：

T = F × r

其中：

T = 扭矩，单位为 N·m

F = 作用力，单位为 N

r = 从旋转轴到作用力方向的垂直距离，单位为 m

例如，如果一个关节承受 300 N 的负载，力臂为 0.2 m：

T = 300 × 0.2 = 60 N·m

这只是一个简化的起点，因为实际机器人关节还会承受额外的动态载荷和机械负载。

• 计算静态扭矩

静态扭矩是指机构处于静止状态或以恒定速度运动时，为支撑负载所需的扭矩。

对于垂直方向的关节而言，重力尤其重要，因为所需扭矩会随着关节角度以及机器人质心位置的变化而变化。

例如在人形机器人中，髋关节、膝关节和肩关节可能会受到较大的重力扭矩，其大小取决于机器人的姿态和负载。

• 计算动态扭矩

当机器人需要加速或减速自身运动部件以及外部负载时，还需要考虑动态扭矩。

动态扭矩可以近似表示为：

T = J × α

其中：

J = 转动惯量

α = 角加速度

• 考虑摩擦和机械损耗

最终的扭矩计算应考虑摩擦、传动损耗、轴承阻力以及其他机械损耗，而不能只使用理论负载进行计算。

一个简化的模型可以表示为：

T_total = T_static + T_dynamic + T_friction + T_loss

实际计算公式取决于机器人的机械结构和传动系统，但基本原则是一致的：电机需要提供的是整个机构所需的扭矩，而不仅仅是外部负载所产生的扭矩。

• 应用合适的安全系数

计算得到的扭矩应乘以适用于具体应用的安全系数，以考虑负载变化、模型误差、冲击以及瞬态运行条件。

例如：

T_required = T_calculated × Safety Factor

合适的安全系数取决于应用、负载不确定性、控制策略、机械设计以及预期冲击载荷，因此不应将某一个固定数值视为适用于所有应用的通用标准。

如需进一步了解机器人关节的持续扭矩和峰值扭矩要求，可参考《如何选择合适的机器人关节电机：扭矩、速度与集成详解》。该指南强调，持续扭矩和峰值扭矩代表不同的运行要求，在选型时都应进行评估。

确定所需输出速度

所需电机转速应根据机器人的实际输出运动来确定，而不是根据电机的最大空载转速来判断。

对于旋转关节而言，关键参数是关节、轮子或机构所需要的实际输出速度。

如果电机连接到减速器：

输出速度 = 电机转速 ÷ 减速比

例如，如果电机运行在 6,000 RPM，而关节所需速度为 120 RPM：

减速比 = 6,000 ÷ 120 = 50:1

这意味着在简化关系下，传动系统需要大约 50:1 的减速比。

电机转速与输出速度是不同的参数

高转速电机并不一定适合高速机器人，因为最终输出速度取决于传动比以及实际工作点。

电机可能具有较高的空载转速，但在产生较大扭矩时，其实际运行速度可能会降低。

因此，在选择电机时，应考虑电机实际的扭矩-转速工作区域，而不能仅比较最大 RPM。

• 考虑加速度和响应能力

机器人必须具备足够的电机和执行器响应能力，才能在所需的加速时间内达到目标速度。

对于动态机器人而言，这一点尤其重要，因为快速改变速度的能力会影响机器人平衡、步态控制、障碍物规避以及整体运动质量。

• 计算所需电机功率

电机功率同时取决于扭矩和旋转速度，因此在电机选型时必须结合评估扭矩和速度。

机械功率可以通过以下公式计算：

P = T × ω

其中：

P = 机械功率，单位为 W

T = 扭矩，单位为 N·m

ω = 角速度，单位为 rad/s

如果旋转速度以 RPM 表示：

ω = 2πn / 60

其中 n 为电机转速，单位为 RPM。

这一关系说明，电机即使能够在极低转速下产生很高的扭矩，也不一定具有很高的机械功率。

当机器人需要反复进行高速运动、爬升、快速加速或在负载下持续运行时，功率需求尤其重要。电池或电源所需要提供的电功率也会高于机械输出功率，因为电机、驱动器、减速器以及其他部件都会产生效率损耗。

选择合适的减速比

合适的减速比需要在输出扭矩、输出速度、效率、惯量和可回驱性之间取得平衡，而不能单纯追求更大的扭矩。

基本关系为：

减速比 = 电机转速 ÷ 所需输出速度

提高减速比通常可以增加可用输出扭矩，但同时会降低输出速度。

然而，实际输出扭矩还取决于传动效率：

T_output ≈ T_motor × Gear Ratio × η

其中 η 表示传动效率。

• 较高的减速比

当应用需要由相对高速的电机获得更高的输出扭矩时，较高的减速比非常有用。这种配置通常适用于对高扭矩的需求高于对高输出速度需求的应用。

不过，根据传动结构的不同，较高的减速比也可能增加传动损耗、折算惯量以及回驱阻力。

• 较低的减速比

较低的减速比可以提供更高的输出速度，并且根据传动结构的不同，可能有助于提高响应速度和可回驱性。

对于需要关节快速响应外部作用力并持续调整运动状态的动态机器人而言，这一点尤其重要。

选择合适的电机架构

确定扭矩、速度、功率以及传动需求之后，下一步是选择最符合机器人机械结构和控制需求的电机架构。

这一阶段的目标并不是选择规格最高的电机，而是确定哪种架构能够在性能、集成、控制和系统复杂度之间实现合适的平衡。

• BLDC 电机

BLDC 电机广泛应用于机器人领域，因为它具有高效率、高转速、长使用寿命，并且适合电子换相和闭环控制。

其应用范围包括移动机器人、机械臂、云台、执行器以及其他运动系统。

如需了解其工作原理和基本特性，可参考《什么是 BLDC 电机？》。

• QDD 电机

QDD 电机通过将高扭矩电机与低减速比传动机构结合，在实现较高扭矩密度的同时提供较高的可回驱性。

这种架构尤其适用于动态人形机器人和四足机器人，因为这些应用通常对扭矩控制、响应能力和机械柔顺性有较高要求。

如需了解具体选型标准，可参考《如何选择 QDD 执行器？关键指标与应用考量》。

• 无框力矩电机

当电机需要直接集成到紧凑型定制关节中，而不是作为传统封装电机安装时，无框力矩电机是一种有价值的选择。

无框电机通常只提供电磁组件，而不包含传统的外壳、轴或轴承系统，因此工程师可以围绕电机自行设计外围机械结构。

当机器人对空间利用率、扭矩密度、中空轴集成或定制关节结构有较高要求时，这种架构具有明显优势。

如需进一步了解选型方法，可参考《2026 无框力矩电机机器人选型指南》。

• 集成式机器人执行器

集成式执行器将多个运动系统组件集成到一个单元中，以降低集成复杂度并简化机器人开发。

根据具体设计，集成式执行器可以将电机、减速器、编码器、驱动器以及其他控制电子元件集成在一起。

这种方案可以减少布线、机械集成工作和开发复杂度，但相应的代价是工程师在独立优化每一个组件方面的自由度可能降低。

如需进一步了解，可参考《集成式机器人执行器 vs. 传统电机：运动系统的未来》。

检查电机尺寸、重量和扭矩密度

所选电机必须在满足性能要求的同时，符合机器人的尺寸和重量预算。即使某个电机满足扭矩和速度要求，如果尺寸过大或重量过高，也可能不适合最终机器人。

这一点对于人形机器人、四足机器人、无人机、外骨骼以及其他执行器质量会直接影响整体系统动力学的机器人系统尤其重要。

• 评估扭矩密度

扭矩密度表示执行器相对于自身质量或体积能够提供多少扭矩，是轻量化机器人系统最重要的指标之一。

一种简单的质量扭矩密度计算方式为：

扭矩密度 = 扭矩 ÷ 电机质量

更高的扭矩密度有助于在保持所需关节能力的同时降低执行器质量。但是，扭矩密度不能单独评估，因为热性能、效率、耐久性和控制质量同样会影响实际使用效果。

• 检查机械集成

电机直径、长度、安装孔位、轴结构、线缆走向、减速器尺寸以及散热路径都必须符合机器人的机械架构。

即使某个电机的电气规格非常有吸引力，如果无法正确安装或无法在关节内部有效散热，也应该将其排除。

选择编码器和反馈系统

编码器应根据机器人所需的位置精度、速度反馈、扭矩控制以及整体控制架构进行选择。编码器为闭环运动控制提供必要的反馈，使控制器能够确定电机或关节的位置，并据此调整输出。

所需的编码器性能取决于具体应用。

一个简单的位置控制系统可能不需要与执行动态扭矩控制的人形机器人关节相同的反馈能力。

• 位置反馈

位置反馈决定了控制系统能够多精确地测量电机或关节位置。

更高的分辨率可以提高系统检测微小位置变化的能力，但更高的分辨率并不意味着系统一定具有更高的整体精度，因为机械回差、柔顺性、传感器安装方式、控制带宽和信号质量同样会影响系统精度。

• 单编码器与双编码器架构

编码器架构应根据控制系统需要电机侧反馈、输出侧反馈还是两者同时反馈来选择。

电机侧传感器可以提供电机位置信息，而输出侧传感器则可以帮助控制系统考虑电机与最终关节输出之间的传动特性。

评估可回驱性

当机器人需要自然响应外部作用力，或者需要实现柔顺运动和力敏感运动时，可回驱性尤其重要。

高可回驱性的关节允许施加在输出端的外力更容易驱动电机运动，这对于人形机器人、四足机器人、外骨骼、协作机器人以及力控制系统都可能非常有用。

然而，更高的可回驱性并不一定更好。

具有高可回驱性的传动系统可以改善力交互能力，但在受到外部负载时，也可能使系统更难仅依靠机械传动保持位置，需要主动控制来实现位置保持。

因此，可回驱性应结合以下因素进行评估：

• 减速比

• 传动效率

• 摩擦

• 惯量

• 扭矩控制能力

• 应用需求

真正需要追求的并不是最大的可回驱性，而是与具体应用相匹配的机械响应能力。

检查热性能和工作周期

电机必须能够持续承受机器人的实际运行负载，同时不能超过其热限制。机器人电机选型中最常见的错误之一，就是只根据最大扭矩或峰值扭矩选择电机。

一个电机可能能够在短时间内产生很高的峰值扭矩，但并不意味着它能够持续输出这一扭矩。

• 额定扭矩 vs. 峰值扭矩

额定扭矩代表可持续的运行能力，而峰值扭矩代表短时间内能够提供的输出能力。

额定扭矩对于需要长时间维持的负载非常重要，而峰值扭矩则对于加速、跳跃、冲击恢复、爬升以及其他动态事件更加重要。

因此，两者应该分别进行评估，而不能将峰值扭矩视为正常持续运行能力。

• 考虑工作周期

电机选型应考虑电机在不同扭矩水平下分别运行多长时间，而不能只评估最大负载。

一个持续以中等扭矩运行的电机，产生的热应力可能高于一个仅在很短时间内产生更高扭矩的电机。

重要的热性能因素包括：

• 持续扭矩

• 持续电流

• 峰值电流

• 运行时间

• 休息时间

• 环境温度

• 冷却方式

• 安装环境

• 减速器效率

因此，热性能验证应该是最终电机选型的重要组成部分，而不是在电机已经选定之后才进行的可选检查。

检查电机、驱动器和控制器兼容性

在判断电机是否适合之前，电机、驱动器、编码器、电源以及控制器必须在电气和逻辑层面相互兼容。

重要参数包括：

• 电源电压

• 持续电流

• 峰值电流

• 电机相数配置

• 编码器接口

• 通信接口

• 控制模式

• 反馈协议

• 驱动器功率等级

• 控制器兼容性

即使电机具备足够的机械性能，如果驱动器无法提供所需电流，或者通信接口与机器人控制器不匹配，整个系统仍然可能无法正常工作。

驱动器也是运动系统的重要组成部分，因为它决定了电能如何转换为受控的电机运动。

如需进一步了解电机、驱动器、控制器和电源之间的关系，可参考《机器人动力系统：它是如何工作的？》。

将电机与完整机器人系统进行验证

最终的电机应作为一个完整系统，从扭矩、速度、功率、尺寸、重量、热性能、反馈、控制和机械集成等多个方面进行验证。

在这一阶段，工程师应建立候选电机清单，并在相同的运行条件下比较其规格。

一个有用的比较应包括：

实际案例：为人形机器人肩部关节选择电机

人形机器人肩关节的电机选择，应从机械臂的总质量、负载、力臂、关节速度以及动态运动需求出发，反向确定所需的执行器扭矩和速度。

在一个简化的人形机器人上肢系统中，肩部主俯仰关节（Joint 1）需要驱动整个下游机械臂，包括其他关节执行器、结构连杆以及末端负载。因此，当机械臂完全伸展时，Joint 1 通常承受较大的重力扭矩。

假设该系统的主要参数如下：

• 下游机械臂总质量：2.8 kg

• 机械臂质心到 Joint 1 轴线的距离：0.32 m

• 末端负载：2.0 kg

• 末端负载到 Joint 1 轴线的距离：0.65 m

• 所需关节速度：120 RPM

• 系统电压：48 V DC

• 安全系数：1.35

步骤 1：计算静态重力扭矩

当机械臂完全水平伸展时，Joint 1 承受的重力扭矩最大。

机械臂自身产生的重力扭矩为：

T_arm = m_arm × g × r_arm = 2.8 × 9.81 × 0.32 ≈ 8.79 N·m

末端负载产生的重力扭矩为：

T_load = m_load × g × r_load = 2.0 × 9.81 × 0.65 ≈ 12.75 N·m

因此，Joint 1 所需要承受的简化静态扭矩为：

T_static = 8.79 + 12.75 = 21.54 N·m

也就是说，在不考虑动态加速度和机械损耗的情况下，肩部关节至少需要提供约 21.5 N·m 的静态扭矩，才能在机械臂完全伸展时保持姿态。

步骤 2：考虑动态运动需求

实际的人形机器人并不会始终保持静止。肩部关节需要频繁进行加速、减速和方向变化，因此实际所需扭矩会高于单纯的重力扭矩。

动态扭矩可以根据机械臂的转动惯量和角加速度进行计算：

T_dynamic = J × α

其中 J 为机械臂及负载相对于 Joint 1 的转动惯量，α 为关节角加速度。

在实际工程设计中，还应进一步考虑机械传动效率、轴承摩擦、齿轮损耗以及运动过程中的瞬态载荷。

因此，21.54 N·m 应视为静态重力工况下的基础需求，而不是最终的电机选型值。

步骤 3：应用安全系数

为了考虑动态加速度、负载变化以及其他瞬态工况，可以在简化静态扭矩的基础上应用安全系数。

假设安全系数为 1.35：

T_required = T_static × SF = 21.54 × 1.35 ≈ 29.08 N·m

由此得到约 29.1 N·m 的设计扭矩。

需要注意的是，这个数值主要用于简化选型示例。在实际机器人设计中，安全系数不能代替动态扭矩计算。如果机械臂需要快速加速，仍然需要根据实际转动惯量和角加速度计算峰值扭矩。

同时，选型时不能只检查电机的峰值扭矩是否达到 29.1 N·m，还需要确认其持续扭矩是否能够满足长期保持姿态的要求。

步骤 4：确定所需输出速度和减速比

假设 Joint 1 的目标输出速度为 120 RPM。

如果使用约 1,080 RPM 的电机，则理论减速比为：

减速比 = 电机转速 ÷ 输出转速 = 1,080 ÷ 120 = 9:1

对于 QDD（准直接驱动）执行器而言，较低的减速比可以在提高输出扭矩的同时保留较好的响应速度和可回驱性。

实际减速比还需要综合考虑电机转速、输出扭矩、传动效率、转动惯量、机械回差以及可回驱性。

步骤 5：比较候选执行器

根据前面的计算，Joint 1 至少需要满足约 21.5 N·m 的静态保持扭矩，并具备高于 29.1 N·m 的动态扭矩储备。

对于这种人形机器人肩部应用，可以进一步比较不同执行器的额定扭矩、峰值扭矩、输出速度、减速比、重量、尺寸、编码器以及控制方式。

例如，CubeMars AK10-9 V3.0 采用 9:1 减速比的 QDD 架构，峰值扭矩可达到 53 N·m，能够覆盖上述简化案例中的约 29.1 N·m 峰值设计需求。

不过，该执行器的额定扭矩为 18 N·m，低于前面计算出的 21.54 N·m 静态保持需求。因此，在实际选型中不能仅因为其峰值扭矩满足要求就直接确定型号，还需要进一步评估持续工作周期、热性能、实际姿态、动态扭矩曲线和散热条件。

这也说明了机器人电机选型中的一个重要原则：峰值扭矩用于判断短时间动态能力，而额定或持续扭矩用于判断长期负载能力，两者必须分别验证。

步骤 6：检查尺寸、重量和反馈系统

对于人形机器人肩部关节，电机不仅需要满足扭矩和速度要求，还需要考虑安装空间以及对整机重量的影响。

执行器重量增加后，会进一步增加肩部以及上游关节需要承受的负载，从而形成一定的“重量循环”。

因此，应同时比较：

• 扭矩密度

• 执行器重量

• 整体尺寸

• 输出轴结构

• 减速比

• 编码器配置

• 可回驱性

• 热性能

• 通信接口

• 驱动器兼容性

尤其对于人形机器人，较高的扭矩密度能够在满足关节性能的同时减少执行器重量，从而降低整个机械臂的惯性负担。

总结

最好的机器人电机并不是扭矩最高、速度最快或功率最大的电机，而是能够针对整个机器人系统，在性能、集成、效率、控制和可靠性之间实现合适平衡的电机。

可靠的电机选型流程应该从实际应用需求出发，而不是从产品目录开始。

核心选型流程可以概括为：

机器人需求 → 负载 → 扭矩 → 速度 → 功率 → 减速比 → 电机架构 → 尺寸与重量 → 反馈系统 → 可回驱性 → 热性能 → 驱动器兼容性 → 系统验证

按照这一流程进行选型，可以帮助工程师避免电机规格过度设计、忽略热限制、选择不合适的传动比，或者在开发后期才发现机械集成问题。

对于正在比较高性能机器人执行器的工程师，下一步可以根据具体机器人需求，对比无框电机、QDD 执行器、集成式执行器以及其他电机架构之间的性能取舍。

因此，机器人电机不应被视为一个孤立的零部件，而应作为完整机器人运动系统的一部分进行选择。