人形机器人：核心结构全梳理（附头部玩家）

今年两会，政府工作报告中提到，将大力发展包括智能机器人等在内的新一代智能终端以及智能制造装备。中国科学院院士乔红为“中国构建了人形机器人大工厂这一核心技术底座”而自豪。

与此同时，深圳两会上走红的人形机器人记者“夸父”，也来到了全国两会的报道现场，引起大家热议，硅基记着已经上岗。人形机器人火爆不减，妥妥成了本年度新晋“网红”。

为了更清晰的掌握人形机器人，今天再次出发，全面梳理人形机器人核心零部件结构。

一、总概括&零部件结构

1、定义

人形机器人是具备人类外形特征和行动能力的智能机器人。以双腿行走的方式，通过手臂和身体的协调完成功能，基于通用型算法和生成式AI，具备语义理解、人机交互、自主决策等能力，并利用人机交互实现任务理解与反馈，需要强大的感知计算与运动控制能力。

2、结构模块

人形机器人具备大脑、小脑、机械臂、灵巧手、旋转关节、线性关节、躯干等关键部件实现对环境的感知交互、运动控制、任务执行。

我们以特斯拉擎天柱optimus为例，拆解其各关节核心零部件结构。

各种结构模块作用如下：

（1）大脑：增强环境感知、行为控制、人机交互能力；推动云端和边缘端智能协同部署；通用大模型训练的数据库的部署；多模态数据模型的部署与管理；数据的训练、学习、推理等。

（2）小脑： 搭建运动控制算法库，建立网络控制系统架构，面向特定应用场景，构建仿真系统和训练环境，加快技术迭代速度。

（3）三大执行器：线性执行器、旋转执行器、灵巧手 （占据主要零部件价值量70%）

线性执行器：将旋转运动转换为直线运动，用于腕、肘、膝、踝等关节及需直线运动的部件；

由无框力矩电机+滚柱丝杠+力矩传感器+编码器+轴承构成。

旋转执行器：使关节旋转，用于肩、髋等关节及需旋转的部件；

由无框力矩电机+减速器+力矩传感器+编码器+轴承构成。

灵巧手：作为末端执行器，模仿人手结构与功能，可以实现物体的灵活抓取、力矩控制、力觉反馈等，集成触觉传感器、力矩传感器、视觉传感器等实现与环境交互；

由空心杯电机+减速器+丝杠+腱绳+触觉传感器构成。

（4）控制器

控制器是执行器的“大脑”，负责管理和控制机器人的动作、运动、行为以及与环境的交互；目前有：PLC控制器、DSP控制器、PC控制器和ARM控制器等不同类型；

分为软件和硬件两大部分。硬件部分的核心在于芯片；而软件涵盖了操作系统和算法。

（5）驱动器

有电机驱动器、液压驱动器，气压驱动器。

电动驱动器：包括有刷直流电机、无刷直流电机、永磁同步电机、步进电机等。这些电机将电能转化为机械能，是机器人中最常用的驱动方式之一。

（6）“眼、耳、鼻、口”

摄像头、激光雷达等视觉传感器；触觉传感器等

（7）“柔性电子皮肤”

触觉传感器，模仿人类皮肤的感知功能

3、结构拆解

人形机器人核心零部件结构主要有电机、传感器、减速器、丝杠、轴承、编码器等占成本比较大，其硬件部分的成本结构如下：

核心壁垒上看：行星滚柱丝杠>六维力矩传感器/RV减速器>谐波减速器>空心杯电机>无框力矩电机

二、零部件结构拆解

01、丝杠&滚柱丝杠

（1）丝杠分类

丝杠是将旋转运动变成直线运动的传动附件。根据摩擦特性可分为滑动丝杠、滚动丝杠和静压丝杠三类，其中滚动丝杠又可以分为滚珠丝杠和行星滚柱丝杠两大类，先看下图分类：

其中，壁垒最高的是滚珠丝杠和滚柱丝杠；

滚珠丝杠：具有摩擦力小、传动效率高、精度高等特点，目前国产化率为60%以上；

滚柱丝杠 ：具有高承载、耐冲击、体积小、高速度可达6000RPS（滚珠丝杠为3000-5000rps）、噪音低、寿命长（寿命是滚珠丝杠的10倍以上）等特点。其中，行星滚柱丝杠对冲击载荷的鲁棒性使其非常适合机器人的腿部。

（2）滚柱丝杠

① 特点

行星滚柱丝杠：主要依靠滚柱与丝杠、螺母之间的螺纹啮合传动来传递动力，进而将伺服电机的旋转运动转化为直线运动，是人形机器人 线性执行器核心部件核心零部件，具有承载能力强、寿命长、体积小、传动效率高等优势。

② 壁垒

区别在于行星滚柱丝杠负载传递单元为螺纹滚柱，是典型的线接触；而滚珠丝杠负载传递单元为滚珠，是点接触。与滚珠丝杠相比，行星滚柱丝杠拥有更多接触点，因而能够承受更高静态负载和动态负载，静载为滚珠丝杠的3倍，寿命为滚珠丝杠的15倍；刚度和抗冲击能力更强，因而转速和加速度更大；螺距设计范围更广，导程可设计更小。

另外，从工艺上，相比于滚珠丝杠，滚柱丝杠核心工艺包括螺纹磨制和螺母内滚道磨制，反向式行星滚柱丝杠的工艺难度更大，对设备和精度要求极高。并且通过热处理、车削、磨削等10-20余道工序逐一完成，制造精度高达P1级。是机器人零部件壁垒最高，国内卡脖子最严重的部分；

③ 核心占比

如下图，Optimus 整体躯干采用 14 根 反向式行星滚柱丝杠，结合 灵巧手中微型丝杠用量增加，我们预计丝杠零部件价值量占比超 19% 。

（3）国内外玩家

欧美、日本企业主导全球70%滚珠丝杠市场，高端产品依赖进口；Rollvis、GSA、Ewellix、Rexroth四家公司在我国合计市占率约为78%；国内厂商：北特科技、贝斯特、南京工艺、济宁波特、优仕特、五洲新春、等在努力追赶，具体如下图：

02、电机&无框力矩电机

（1）电机分类

电机俗称“马达”，可以将电能转为动能的装置，主要用于产生驱动转矩，为机器人提供动力输出。转子切割定子磁场产生扭矩，决定电机转速和扭矩，影响电机性能。

根据不同场景应用，可分为：直流电机、伺服电机、步进电机，各具特点。具体分类如下：

同步电机：交流电机，其工作原理是基于电磁感应；转速与电源频率密切相关，其转速与电源频率成正比。

进步电机：即脉冲电机。通过精确控制脉冲信号的频率和数量来实现角度和位置的精确控制。

伺服电机：即绝对服从控制信号指挥的电机，在控制信号发出之前，转子不动；通过接收电信号，能够精确控制速度、位置、角度的发动机；具有控制精度高，响应速度快等优点。

力矩电机：一种极数较多的特种电机，可以在电动机低速甚至堵转（即转子无法转动）时仍能持续运转，不会造成电动机的损坏。而在这种工作模式下，电动机可以提供稳定的力矩给负载。

人形机器人用到的控制电机主要是伺服电机，一般安装在机器人关节处，提供精准的控制效果。人形机器人所用的伺服电机主要是无框力矩电机和空心杯电机两类（这里先解析无框力矩电机，空心杯放在灵巧手部分）。

（2）无框力矩电机 （用于线性和旋转关节）

① 定义和特点

电机结构紧凑，没有轴、轴承、外壳、反馈或端盖；仅由定子和转子组成，高径长比，多磁极设计，是一种特殊类型的永磁无刷同步电机。

具备质量轻、体积小、集成度高、响应快、能效高等优势，适合扭矩需求大的场景。

在中低速下能提供高扭矩，适合需要快速响应和高力矩的设备，如人形机器人，目前应用于人形机器人线性关节和旋转关节。

② 国内外龙头

无框力矩电机在磁路和工艺设计方面有一定技术壁垒，需要在低压供电的环境下输出更大功率；当前市场规模较小，国外技术较为领先。

国外厂商：科尔摩根、TQ Robodrive、Nidec、Parker等；

国内龙头：步科股份（第三代无框力矩电机产品对标国际领先）、吴志电机、伟创电气、禾川科技、合泰科技、大族电机等。

03、减速器

（1）定义&分类

减速器是连接动力源和执行装置的中间件，将转速降到各关节所需速度并增加扭矩，以满足对动力输出的要求，主要用于旋转关节和灵巧手。优质的减速器能够提供稳定的传动和高精度的定位，从而保证机器人的运动稳定性和精度。

人形机器人主要用到谐波减速器和RV减速器、行星减速器这三类减速器。

（2）三大减速器PK

①谐波减速器

主要由柔轮、波发生器、钢轮三个部件组成，其中，谐波发生器为主动轴，柔轮和钢轮通过啮合组成传动轴；

谐波特点是体积小、精密度高；主要用于小臂、腕部等等轻负载领域。

② RV减速器

由两级减速结构组合而成，包括渐开线行星齿轮传动和摆线针轮行星传动，一种精密的行星齿轮减速器，壁垒很高。

结构最复杂，体积大，高负载，适合重负载精密减速领域，主要用于基座、大臂等，价格最贵。

③行星减速器：

行星减速器，顾名思义，由中心轮、行星轮、行星架和机架组成。中心轮又称太阳轮，轴线固定，定轴转动。行星架轴线固定，一端定轴转动，另一端连接行星轮，是行星轮的轴线。行星轮的运动比较复杂，行星轮绕着自己的轴线“自转”，同时，它的轴线绕着中心轮的轴线“公转”。

优点是：结构简单，小体积、轻重量、高承载能力、最便宜、

传动效率最高（大于95%，谐波 为70%，RV为80%）

传动精度最高（小于180，RV 和谐波差不多，都是小于60）、

寿命最长（大于20000h，谐波为8000，RV为6000）、

平稳运动、低噪音、具有功率分流和多齿啮合独用的特性、较大输出扭矩，多用于直角坐标机器人以及传统工业自动化。

④三者对比图

⑤减速器国内外玩家

精密减速器技术壁垒相对较高，海外领先厂商具备先发优势

➢谐波减速器：市场相对集中，哈默纳科占主要地位，国产龙头为绿的谐波、来福谐波、福德机器人、同川精密、国茂股份等厂商加速布局谐波产能；

➢RV 减速器：日本纳博特斯克占据龙头地位，国内以双环传动、珠海飞马为主；

➢精密行星减速器：日本新宝、科峰智能占据领先地位；国内科峰智能、纽氏达特、中大力德等本土供应商竞争实力不断提升。

04、 传感器&力矩/编码器/视觉/触觉传感器

（1）构成和分类

传感器是机器人感知世界和与外界交互的媒介，将输入信号转为电信号。由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成。敏感元件感受被测量的状态，转换元件将相应的被测量转换成电参量；传感器的核心部分是转换元件。用于机器人头部、关节、躯干中等部位。

传感器种类比较多，常见的有：视觉传感器、触觉传感器、力矩传感器、气体传感器、、温度传感器、速度传感器、惯性传感器IMU等、压力传感器、MEMS 传感器、六维力矩传感

（2）力矩传感器（六维力矩传感器）

① 概念

力矩传感器是机械臂的关键部件之一，为其提供实时的力和力矩信息，实现机械臂对操作对象的力感知，从而协助机械臂完成精细和智能的操作任务，具有精度高、频响快、可靠性好、寿命长优点。

② 分类

力矩传感器可分为一至六维力矩传感器，其中一维传感器、三维传感器和六维传感器最为常见。

六维力传感器也被称为六轴力/力矩传感器、F/T传感器，用于精确测量X、Y、Z三个方向的力信息和Mx、My、Mz三个维度的力矩信息。

③ 应用领域

人形机器人，对柔顺控制要求高的手腕和脚踝或将使用六维力矩传感器，而身体的其他关节将使用关节扭矩传感器（单维）。

④六维力矩传感器壁垒

六维力矩传感器研发生产难度大，规模化后降本有望持续体现。要解决对所测力分量敏感的单调性、一致性问题，需应变片数量是单维力传感器的数倍，叠加生产难度大，六维力矩传感器单价为2万元，如柯力传感，直接材料成本达74%。

⑤ 国内外玩家

我国起步晚，早期以国防军工为主，如宇立仪器、坤维科技、鑫精诚、海伯森、蓝点触控、神源生智能、瑞尔特测控等，均已有产品进入产业化应用。国内供应商“试用-反馈-迭代-量产”的产业闭环有望逐步实现。具体如下图：

（3）编码器

① 定义

编码器是一种用于运动控制的传感器，可以把运动的角位移或直线位移转换成电信号的传感器，将速度和位置进行编制、转换为电信号的设备。

② 分类

编码器按照工作原理可分为光学式、磁式、电容式三种。

1）光电式编码器精度高、稳定性好、抗干扰能力强，适用于高精度和高速度的测量，但价格较高、易受环境影响；

2）磁性编码器使用磁性码盘替代带槽光电码盘，相比于光学编码器更耐用、抗振和抗冲击，适用于恶劣环境下测量，但分辨率和精度相对较低；

3）电容式编码器具有高可靠性、高精度、长寿命的特点，适合电池供电应用。

③ 应用领域

编码器广泛应用于工业自动化设备和过程控制等领域，编码器在特斯拉人形机器人的旋转关节（14*2）、直线关节（14*1）、手部关节（12*1）均有应用，合计单台价值量约8550元。

④ 国内外玩家

我国高端编码器以进口为主，据MIR数据，2022年多摩川、海德汉两家合计在我国市占率约42%；

我国本土领先供应商包括禹衡光学（奥普光电）、长春汇通（汇川技术）、宜科电子，其中禹衡光学在国内处于最领先地位、技术水平能够和外资竞争，其他还有鸣志电器、昊志机电、伟创电气等也在布局。

（4）视觉传感器

视觉感知系统是机器人的“智慧之眼”，赋予机器人观察世界、规划执行的能力，包括环境识别、物体追踪、表情观察、路径规划等，是人形机器人实现人机交互的关键。

现有的人形机器人视觉感知系统结合多模态感知能力和AI算法，实现环境理解、任务执行、安全和避障等功能，其中特斯拉Optimus采用纯视觉方案，小米、智元、宇树、优必选等大多采用3D视觉与激光雷达传感器组合的方案。

不同传感器在不同环境下的检测能力和可靠性受到限制，多传感器融合可以提高目标检测和识别的准确性。机器人融合传感过程中，主要采用的传感器包括毫米波雷达、激光雷达、摄像机、超声波、IMU等。

国内3D视觉感知行业经过数十年发展，比较成熟，技术也有领先性，如：奥比中光、海康威视、奥普特、凌云光等都是不错的视觉传感企业。

（5）触觉传感器 （电子皮肤）

① 定义

触觉传感器是机器人与外界环境交互的重要元件，使机器人拥有人类触觉。触觉是人类通过皮肤感知外界环境的一种形式；

主要感知机器人与外界环境接触时的温度、湿度、压力和振动等物理量，及目标物体材质的软硬程度、物体形状和结构大小等，从而实现对物体的精准定位以及执行各种操作任务。

具有高柔韧性、拓展性、高弹性等特点，因此又称柔性触觉传感器。

② 分类

触觉传感器按照原理主要分为电容式、压阻式、压电式、磁敏式、光纤式。压阻式和电容式较为常用，大阵列、柔性化是主要发展方向。

③ 壁垒

1）材料需要弯曲、挤压变形成复杂形状以适用于凹凸不平的表面；2）制造涉及聚合物加工、氧等离子体处理等复杂的工艺和技术；3）测量变量多、不同信号间存在干扰，信号处理较为复杂。

④ 国内外玩家

全球机器人触觉传感器市场集中度高，主要企业包括Tekscan、Pressure ProfileSystem、Sensor Products Inc.等；

国内龙头：包括汉威科技、奥迪威、申昊科技、帕西尼、墨现科技等，在努力追赶。如下图：

05、灵巧手 &空心杯电机

灵巧手需要柔韧灵活而小巧的精密电机来控制，目前主要采用空心杯电机或无刷有齿槽电机来驱动。

空心杯电机

① 核心工艺

无刷空心杯电机转子由环形磁钢、转轴及其固定件组成，定子由环形硅钢片和空心杯线圈粘结而成，核心工艺为线圈的设计和制造。

空心杯电机常用的线圈绕法分为直绕形、马鞍形、斜绕形三种，线圈绕制方式分为人工绕线、半自动化（卷绕式）和一次成型自动化绕制。

国外主要采用一次性绕制成型的生产技术，自动化程度较高，可加工0.08-0.2mm线径、功率400W以下电机所需线圈；而国内主要采用卷绕式生产，依赖人工、生产效率低且生产线径受限，一次成型绕线设备有待突破。

空心杯电机的三大核心壁垒为线圈设计、线圈绕制、自动化设备。

② 国内外玩家

空心杯电机主要应用在高精度、高速响应、紧凑高效场景；

全球主要的空心杯电机制造商包括Maxon、Faulhaber、Portescap、Allied Motion、Nidec等；

我国空心杯电机厂商呈现加速追赶态势，鸣志电器、兆威机电、伟创电气、鼎智科等有望逐步替代国外份额。

06、轴承

（1）功能和分类

轴承是机械运转的重要零部件，其主要功能在于减少摩擦、引导旋转以及承受载荷，目前主要分布于机器人的减速器和关节连接处。

根据运转时产生摩擦力性质的不同，可将轴承分为滑动轴承和滚动轴承，其中滚动轴承应用更为广泛，其中，滚珠轴承（滚动轴承的一种）市场规模占比最大，约50%。

（2）人形机器人轴承分布

1）位于关节连接处：一般两头会分别采用一个轴承，如线性关节两头分别使用深沟球轴承和四点接触轴承，旋转关节采用交叉滚子轴承。

2）位于减速器处：① 谐波：交叉滚子轴承+柔性轴承 ② 行星减速器：球轴承+满针滚针轴承 ③ RV 减速器：滚针轴承+圆锥轴承+角接触轴。

（3）国内外玩家

全球八大跨国轴承企业占据全球 70%的市场。世界八大轴承企业包括斯凯孚（SKF）、舍弗勒（Schaeffler）、恩斯克（NSK）、捷太格特（JTEKT）、恩梯恩（NTN）、铁姆肯（TIMKEN）、日本美蓓亚（NMB）和不二越（NACHI），其中斯凯孚为第一大轴承供应商，行业市场占有率为 7.6%。

国内轴承行业集中度低。中国前十大轴承企业平均产值约 60 亿，行业参与者众多，但头部企业体量偏小。仅人本集团和万向钱潮产值超过 100 亿。

07 控制系统：大脑&小脑

人形机器人控制系统的包括具身智能系统和运动控制系统，即大脑和小脑，包含硬件（AI芯片）和控制算法软件；其壁垒主要在于通信（伺服关节高速同步通信）、算力（自由度和不同环境）和软件控制。

机器人控制系统按照控制方式可分为集中控制、主从控制和分布式控制，目前控制器尚未形成通用方案，各家以自研为主。

（1）大脑

大脑--具身智能，可以识别障碍物、规划路径、做出决策等，以实现机器人的自主导航和避障；

是其控制系统的核心部分，是实现智能行为的关键，通过一系列算法和程序来指导机器人的行动。

（2）小脑

小脑--运动控制系统，更多地关注于机器人的运动控制和平衡调节；类似人的小脑，负责实现精确的动作控制和平衡维持，确保机器人动作的流畅性和稳定性。

运动控制系统一般包括控制器、驱动器+电机（执行器）和传感器三大部分组成。

（3）国内外玩家

➢主控芯片/中央处理器（CPU）芯片：负责数据的采集、处理和传输、智能决策、包括MCU，以及DSP、AI芯片、ASIC等

➢视觉芯片全球霸主：英伟达、高通、美国的安霸Ambarella、英特尔、Mobileye（智驾龙头）

国产主控芯片，现阶段性价比较高：地平线、全志科技、瑞芯微、星宸科技；神经网络算力龙头：寒武纪（AI芯片领先）、商汤科技、海光信息、云天励飞。

三、总结&冷静的思考

人形机器人最近是不是炒作过度了，是不是资本的游戏？最近一直在思考这个问题。这是一个经济学问题，也是一个社会问题，更是一个哲学问题。

回答这个问题之前，先想想人形机器人设计的初衷：比如替代人去做枯燥乏味，重复性的工作；去从事一些高危和碳基生物无法触达的工作；去解决人类的孤独陪伴问题，提供情绪价值等。

而目前我们看到是人形机器人的通用性，完美的集成了效率低、成本高、稳定性差的缺点：

首先，现在的机器人场景，为了迎合效率，工业场地有AMR移动机器人、机械臂、传送带等工具，效率比人形机器人不知高出多少倍，而且研发和维护成本比其低太多。让人形机器人去工厂打螺丝钉类似这样的简单重复工作，我认为是工业文明的退步，而不是进步。

其二，商业服务行业，比如酒店、餐饮，使用的也都是轮式机器人，效率高、成本低 ，本身就能满足绝大部分的功能价值。

其三、特种行业，比如军用太空运输设备，也是轮式或者四足机器人，更加灵活轻巧、机械性强、载重也比人形机器人大的多。

人形机器人，他所在的各个生态位上，都有更专业的特化机器人能够取代他。

那么，人形机器人唯一的可行性落地场景，还是体现在“人形”这一与人类能产生情感联系的交互。那么落地场景，大概就是家庭保姆、家教、陪读、老弱病残孕照护和陪伴、情绪的安抚了。。。

也许，随着AI的发展，这一天，人形机器人的市场很快就会来临，因为我们已经步入老龄化；

也许，这就是一场科技革命的泡沫。

但科技泡沫之下，我们更应该看到，泡沫埋下的是未来的种子！是新质生产力的迭代！

就如互联网泡沫之后诞生了谷歌和亚马逊；AI的低谷迎来了深度学习的爆发。而人形机器人的发展，也会让上游零部件的技术越来越成熟、成本越来越低，这些零部件同样可以适配其他工业等领域，普惠大众。

也许，我们也在寻觅，期待下一个爆发的万亿终端场景；我们已整装待发，人类和他发明的人形机器人探索的脚步，不曾也不会停止。。。

来源：Aiden的硬科技行研