人形机器人系列专题（二）：执行系统之旋转关节：扭矩跃升，动力内核

证券研究报告 人形机器人系列专题（二） 执行系统之旋转关节：扭矩跃升，动力内核 电子行业强于大市（维持） 证券分析师 徐碧云投资咨询资格编号：S1060523070002 2025年3月17日 请务必阅读正文后免责条款 投资要点 执行器：驱动关节活动，电驱动已成主导。执行器即一体化关节，其本质是将电机的旋转运动转化为驱动连杆机构的运动。执行器当前占人形机器 人整体成本约55，性能和成本主要取决于核心零部件。根据动力来源，执行器可分为液压、气动和电驱动三类，电驱动凭借成本低、控制精度高和密闭性优等特点，成为主流方案。人形机器人躯干的执行器分为旋转执行器与线性执行器两类，不同之处在于传动机构：旋转执行器采用减速器，而线性执行器采用行星滚柱丝杠，国内大部分本体厂以旋转执行器方案为主。从趋势上看，高性能、智能化、微型化的一体化关节模组是降低人形机器人制造成本的关键。 电机：产生驱动转矩，无框力矩电机应用广泛。电机是将电能转换为机械能的动力源，是人形机器人中最常用的驱动器件之一。机器人自由度越高， 所需的电机数量越多。电机的种类繁多，不同类型的电机在结构和性能上各有特点，适用于不同的应用场景。无框力矩电机以高转矩密度、紧凑结构和散热优势在人形机器人关节单元方案中广泛应用。GGII数据显示，2023年中国无框力矩电机市场规模180亿元，同比增长1973，其中协作机器人市场需求占比约为70。美国科尔摩根等海外厂商是行业的头部玩家，步科股份等国内领军企业与国际领先企业产品仍存在一定技术差距。 减速器：增加扭矩，谐波和精密行星最适配人形。减速器在原动机和工作机或执行机构之间起降低转速和增加扭矩的作用，主要应用在机械传动领 域。根据原理不同，精密减速器主要分为谐波减速器、RV减速器、摆线针轮减速器、行星减速器等，由于传动原理和结构等技术特点差异，各类减速器在下游产品及应用领域方面各有侧重。本体厂基于不同减速器的特征、成本等因素的考量，采用不同的减速器方案。鉴于人形机器人对减速器小型化和轻量化要求高，谐波和精密行星减速器最适配。 投资建议：国内大部分人形机器人厂商的执行器方案以旋转执行器为主，其旋转关节模组对扭矩密度、动态响应等指标要求更高，需强化定制化开 发能力，降低本体企业研发成本，并可提升产品易用性及灵活性。未来随着技术的升级、产业链降本以及新型应用场景的不断拓展，人型机器人也有望早日商业化落地，国内上游执行器、电机、减速器等核心零部件相关公司也在积极布局，建议关注三花智控、震裕科技、绿的谐波、中大力德 、步科股份、卧龙电驱、双环传动、雷赛智能、禾川科技、伟创电气等。 1 风险提示：1）人工智能技术发展不及预期。2）行业竞争加剧风险。3）技术迭代不及预期。 目录CONTENTS 执行器：驱动关节活动，电驱动已成主导 电机：产生驱动转矩，无框力矩电机应用广泛 减速器：增加扭矩，谐波和精密行星最适配人形 投资建议及风险提示 资料来源：觅途咨询、宇树科技公众号I，平安证券研究所 3 2022年9月，特斯拉在AIDay上发布OptimusGen1；2023年12月，Tesla发布了OptimusGen2。OptimusGen1主体共28个自由度，包括14个旋转自由度、14个线性自由度；OptimusGen2在脖颈处增加2个自由度，全身具备30个自由度。2025年1月CES展上，马斯克表示特斯拉在2025年将生产数千台人形机器人，并在工厂初步测试，如果一切进展顺利，2026年产量将增加10倍，目标生产5万到10万台，后年再增加10倍。 2025年春节联欢晚会上，宇树科技的16个人形机器人H1亮相，身着秧歌服、手持红手帕登上舞台表演扭秧歌，流畅的动作引起观众广泛关注和热议。 宇树科技机器人H1 特斯拉Optimus配置结构升级示意图 人形机器人产业链主要由上游零部件、中游人形机器人本体及下游终端应用等环节组成。从当下看，价值占比高、增量空间大的主要是传感器、减速器、电机、丝杠等核心零部件。 关节执行器（简称执行器）即一体化关节，又称为驱动器关节模组，是人形机器人硬件系统的关键部件。执行器是驱动机器人执行机构（手臂、腿部等）运动的组件，其本质是将电机的旋转运动转化为驱动连杆机构的运动。根据集邦咨询的数据，执行器是人形机器人成本最高的部分，占机器人整体成本约55。执行器的性能和成本主要取决于核心零部件，包括电机（驱动装置）、减速器（传动装置）、编码器（传感 装置）、伺服驱动和控制软件（控制装置）等。 人形机器人产业链人形机器人关键零部件及潜在供应商 资料来源：觅途咨询、集邦咨询，平安证券研究所4 根据动力来源，执行器可分为液压、气动和电驱动三大类：1）液压驱动适合重载场景，但结构复杂、平稳性差；2）气动驱动响应快，但噪音大、负载能力有限；3）电驱动凭借成本低、控制精度高和密闭性优等特点，成为主流方案。早期液压马达功率密度远超电机（20世纪90年代约100倍），但随着钕铁硼等永磁体技术的发展，电机性能大幅提升，功率密度差距已缩小至10倍以内，且整个系统占用的空间要小得多。 波士顿动力早期大型机器人（BigDog、Petman）采用液压驱动，2013年Atlas、Handle升级为电液混合，2016年Spotmini转向全电驱动，2024年新版Atlas彻底采用电驱动方案，标志着行业全面向电机技术迭代。 电力和液压驱动系统配置示例 波士顿动力驱动方式的变化 资料来源：hardwarefyi、河马机器人实验室，平安证券研究所 5 分类人形机器人执行器分为旋转执行器和线性执行器两大类 按照运动类型，人形机器人躯干的执行器分为旋转执行器与线性执行器两类，旋转执行器输出旋转运动，而线性执行器则是将旋转运动转换为直线运动输出。从各家人形机器人厂商的执行器方案来看，大部分厂商以旋转执行器为主，不少机器人本体采用全旋转执行器方案，少数如特斯拉会采用线性执行器。它们动力来源均为无框力矩电机，不同之处在于传动机构，如特斯拉Optimus的旋转执行器是“电机精密减速器”结构，线性执行器为“电机滚柱丝杠”结构。 旋转执行器和线性执行器对比 人形机器人各分系统示意图 人形机器人各分系统占比 资料来源：中国传动网、GGII、前瞻产业研究院，平安证券研究所 6 资料来源：芝能科技、特斯拉，平安证券研究所 7 Optimus旋转执行器配置为：无框力矩电机谐波减速器双编码器 旋转执行器是让机器人的关节进行旋转运动的装置，其将电机输出由高速低扭转化为低速高扭的旋转运动，主要用于肩部、髋部、腕部等需要大角度旋转的关节。目前主要存在高减速比和准直驱两大技术路线，高减速比方案优点是输出扭矩大、精度高，适合下肢需要高扭矩的部位；而准直驱方案具有更高的响应速度和效率，更适合肩部、肘部、腕部等小负载场景。 特斯拉Optimus全身共部署14个旋转执行器，分布于肩部（6个）、腕部（2个）、髋部（4个）、躯干（2个），配置为：无框力矩电机谐波减 速器力矩传感器编码器驱动器交叉滚子轴承角接触球轴承。 Optimus采用的旋转关节执行器示意图 资料来源：GGII、《国内外双足人形机器人驱动器研究综述》（丁宏钰等），平安证券研究所 8 执行器技术历经变革：1983年刚性执行器（TSA）实现高精度但结构复杂；1995年弹性执行器（SEA）引入柔性缓冲，牺牲响应速度；2016年准直驱执行器（QDDPA）融合二者优势，以直驱电机低减速比传动实现轻量化、低成本及毫秒级响应。从代表厂商的执行器方案可知，主要采用刚性驱动器（TSA）方案和准直驱驱动器（PAQDD）方案。鉴于成本、技术性能以及软硬件耦合等多方面因素，各家人形机器人厂商在驱动器部件选用上有所不同。准直驱适配消费级高动态场景（智元A1），TSA仍用于工业级高精度任务（特斯拉Optimus关节）。 当下，准直驱执行器凭借结构简单、成本低廉、响应速度快等特性，在人形机器人领域应用潜力巨大，宇树科技、智元机器人等产品均有涉及。 公司 型号 核心零部件方案 执行器类型 灵巧手关节方案 电机 伺服驱动 编码器 力矩传感器 减速方案 旋转直线 TSASEAPA 优必选 WalkerX 无框力矩电机 有 2个 有 谐波 旋转 TSA 智元 远征AI 矢量控制驱动器 2个 行星 PA 达闼 小紫XR4双足 无框力矩电机 2个 选配 行星 旋转 PA 空心杯电机齿轮传动 宇树 UnitreeH1 无框力矩电机 有 2个 行星 旋转 PA 小米 Cyberone铁大 无框力矩电机 有 1个 无 行星 旋转 PA 傅利叶 FourierGR1 有 有 无 旋转 小鹏 PX5 有 有 谐波行星 TSA、PA 空心杯电机连杆 开普勒 先行者K1 有 有 谐波行星行星滚柱丝杠 旋转直线 特斯拉 Optimus 无框力矩电机 有 旋转关节2个直线关节1个 有 谐波行星滚柱丝杠 旋转直线 TSA 空心杯电机行星精密齿轮箱位置传感器全属腱绳 1xTechnologies EVE 直驱电机 PA AgilityRobotics Digit 有刷无刷直流电机 人形机器人驱动器（执行器）类型和发展历史主要人形机器人厂商执行器方案 准直驱关节模组执行器摒弃传统力力矩传感器，采用电流环开环力控技术，基于电机输出力矩与电流成正比的物理特性，通过监测电机绕组电流变化，解算电机扭矩，进而感知机器人与外界的交互力。 该技术优势在于：1）结构上，无需额外传感器，使得执行器结构紧凑，降低整体成本，减少系统复杂度与故障点，提升可靠性与维护便利性。2）性能方面，调整电流即可实现对力的精准控制，能快速响应外部指令；低传动比减速器的运用，带来低惯性，使执行器对外力响应更直接，保障机器人动态性能与安全性。 准直驱执行器结构 刚性执行器结构 不同执行器方案比较 资料来源：GGII、《国内外双足人形机器人驱动器研究综述》（丁宏钰等），平安证券研究所 9 类型 刚性驱动器（TSA） 弹性驱动器（SEA） 准直驱驱动器（PAQDD） 结构配置 无刷电机高传动比减速器（谐波）高刚性力矩传感器 无刷电机高传动比减速器（谐波弹性体 高扭矩密度电机（无框力矩电机）低传动比减速器（行星） 传感器方案 双位置传感器（编码器） 三个位置传感器（编码器） 一个位置传感器（编码器） 力矩测量方式 应变片原理或电流 编码器或应变片原理 电流环 控制特点 简单、精度高 复杂、精度低，机器人整机的运动控制比较难实现 简单、精度一般 功率特点 无功率调制 功率调制好 无功率调制 扭矩密度 高 高 较低 外部冲击减缓性 差 好 好 能量效率 效率低 功率一般 效率高 技术成熟度 相对完善成熟 主流研究中 发展崛起中 性能优势 力测量精度高，双通道可解扭矩和弯矩的耦合；本体刚度高测量力通频带宽；高频响应，技术成熟，输出能力强 力测量精度较高，无温漂、零漂等问题，无需频繁标定；生产效率高柔性抗外界冲击性能强且能够储能输出能力强 关节结构简洁，硬件可靠性高；本体刚度高，测量力通频带宽；实现成本低，能耗低；高频响应，可做到高精度控制，抗冲击能力强 性能缺陷 存在温漂、零漂，实际使用中需频繁标定，动态物理交互性能差；关节结构复杂，硬件可靠性低（如谐波减速器易受冲击损坏），生产工艺复杂；实现成本高 在本体高刚度、测量高精度和实现低成本这三个维度很难取得平衡。一般刚度较小，高频力矩响应性能较弱，通频带较窄 力测量精度低，串联复杂减速箱传动环节，静摩擦力建模难，在高减速比关节中测量微小扭矩不灵敏；小减速比减速器，能量输出密度不足 机器人关节技术正向智能化、微型化、模块化方向发展，一体化关节模组通过集成驱动器、电机、减速器及传感器等核心部件，实现紧凑设计，显著提升安装便捷性与维护效率。其优势包括：1）性能提升：优化设计增强精度、速度、负载能力及安全性；2）成本优化：标准化生产降低单