近日，中国政府网发布视频《机器人群侠传》，全方位展示了我国在机器人领域的前沿成果。视频展示了包括“黑豹2.0”四足机器人、宇树科技UnitreeB2-W机器狗、凯尔达、星动纪元、众擎在内不同型号的人形机器人，视频末尾突出以科技创新引领新质生产力发展。当前国内人形机器人群雄并起，优必选、宇树科技、智元机器人、傅立叶智能、小鹏、小米等众多厂商百花齐放。
随着国内人形机器人产业进程全面提速以及特斯拉人形机器人量产节点临近，产业链各环节有望加速迎来国产化机遇。
本文重点对人形机器人核心零部件进行解析。
人形机器人零部件概览
以特斯拉人形机器人Optimus为例，其量产BOM成本中运动系统成本最高，约占70%以上。
运动系统包含线性执行器+旋转执行器+灵巧手。
灵巧手
人形机器人最重要的末端执行器非灵巧手莫属，其成本占比大概在32%。灵巧手主要用于模仿人类手部的结构与功能，是助力机器人与外界环境交互的关键部件，能让人形机器人灵活抓取物体，完成精细操作。在结构方面，驱动、传动和传感构成了灵巧手结构设计的三大核心要素。它一般涵盖手掌、手腕、手指、关节、驱动器以及传感器等部分。空心杯电机、微型丝杠、腱绳、力矩传感器、触觉传感器以及灵巧手总成，都是灵巧手的核心零部件。
线性/旋转执行器
线性执行器能够把旋转运动转变为直线运动，也可以直接输出直线运动。在线性执行器的应用中，人形机器人的腕、肘、膝、踝关节以及像手臂伸展、腿部移动这类需要直线运动的部件，都离不开它。
旋转执行器则是实现机器人关节旋转动作的装置。在人形机器人的肩、髋关节，以及手臂旋转、头部转动等需要旋转运动的部件上，旋转执行器发挥着重要作用。
线性执行器与旋转执行器存在一些共性，二者动力源均为无框力矩电机，且都配备编码器、力矩传感器这类传感器。不过，它们的传动机构有所区别，线性执行器采用行星滚柱丝杠，旋转执行器使用的则是减速器。
具体到结构上，旋转执行器是“电机 + 精密减速器”的组合，线性执行器为“电机 + 滚柱丝杠结构”。
无框力矩电机、滚柱丝杠、减速器、传感器、轴承等，均属于线性/旋转执行器的核心零部件。
人形机器人不同执行器零部件构成图示：
01 减速器
在电机与转动装置间扮演着关键“桥梁”角色，它能降低转速，同时增大扭矩。
在人形机器人领域，减速器的作用类似汽车变速箱，是核心精密零部件，且在整体价值构成中占比较高。
从应用场景角度划分，适用于人形机器人的减速器主要包含谐波减速器、精密行星减速器以及RV减速器这三大类别。
各类减速器凭借自身独特特性，适配人形机器人的不同部位。
在关节传动方面，像人形机器人的肘关节、腕关节这类关节处，减速器承担着精准传动与控制的重任。以谐波减速器为例，其具备体积小巧、重量轻盈、传动比大等优势，故而在这些对精细操作要求颇高的部位应用颇为广泛。在集成应用场景下，行星减速器等常被融入伺服电机、步进电机等执行机构之中，从而构建起更为紧凑、高效的传动系统。
而在负载支撑层面，针对腿部、腰部以及肘部等承受较大负载的关节部位，RV减速器凭借自身出色的承载能力与稳定性能，成为了应用首选。
特斯拉关节执行器分布：
谐波减速器
以特斯拉-Optimus Gen2为例，该人形机器人在旋转关节处全部选用谐波减速器，总计大概需要14个。谐波减速器因具备高精度、高扭矩以及小型化的特性，成为旋转执行器的核心部件。它主要由柔轮、刚轮、波发生器这三个关键零部件构成。柔轮作为谐波减速器的核心，其外齿持续与刚轮内齿循环往复地进行啮入、啮合、啮出和脱开动作。制造柔轮的材料通常为40Cr合金钢，比如40CrMoNiA、40CrA等，现阶段国内在柔轮材料方面对国外进口依赖度较高。不过，国内厂商已有所突破，翔楼新材料凭借在精密冷轧和热处理领域的核心技术，引领国产替代潮流，成为国内唯一一家通过绿的谐波产品检验并进入验厂环节的柔轮材料供应商；长盛轴承在其谐波减速器专利中，对柔轮结构进行创新，采用金属杯环与注塑壳组合的方式，将金属杯环固定在注塑壳内，并设置至少一个通孔，这一设计在保障柔轮强度和刚度的同时，有效降低了生产成本。刚轮多采用球墨铸铁制造，这种材料能赋予刚轮良好的韧性和耐磨性。波发生器由柔性轴承与椭圆形凸轮组成。当前，国内谐波减速器厂商正加快轴承国产化的步伐。以绿的谐波为例，其谐波减速器所使用的轴承大多为自产，仅特定型号的深沟球轴承需要外购。像五洲新春，拥有日本阪村与瑞士哈特贝尔的高速镦锻机，具备大批量生产深沟球轴承的能力。从行业壁垒角度分析，谐波减速器方案需要借助力矩传感器来实现力控，这使得其结构更为复杂，成本也更高。并且，谐波减速器在数理模型、齿形设计以及材料加工方面存在较高技术门槛。在国内，绿的谐波的核心团队自2003年便开始投身谐波减速器研究，成功打破国际品牌在国内机器人谐波减速器市场的垄断局面，构建起自身坚实的技术壁垒。如今，绿的谐波的业务已拓展至机电一体化等产品领域，并与埃斯顿、新时达、三花智控等众多厂商达成合作。公开资料显示，众多国内厂商都已布局谐波减速器领域，如汉宇集团的控股子公司同川科技、中大力德、斯菱股份、国茂股份、丰立智能、大族激光旗下子公司杉川谐波、昊志机电、瑞迪智驱、美的集团子公司极亚精机、中鼎股份、蓝黛科技、福达股份等。从行业发展趋势来看，减速器正朝着微型化、一体化方向发展。尤其是微型谐波减速器，若能有效降低成本，未来有望应用于灵巧手领域。全球谐波减速器龙头哈默纳科以及国内的绿的谐波等行业领先企业，都在加大对微型谐波减速器的研发投入 。精密行星减速器在人形机器人中，主要发挥为关节供应动力的关键作用。它的单级传动比通常在10以内，普通行星减速器一般具有1至3级传动，而微型行星减速器甚至能达到5级。在全球范围内，日本新宝、德国纽卡特、德国威腾斯坦等是主要的生产厂商。国内也涌现出一批优秀厂家，像科峰智能、纽氏达特等。值得一提的是，绿的谐波、中大力德、丰立智能等国内供应链企业，不仅同时具备行星减速器和谐波减速器的制造能力，还借助滚插路线实现大规模量产，有效降低了成本。此外，兆威机电、鼎智科技、精锻科技、豪能股份、江南奕帆等企业，也纷纷在精密行星减速器领域进行布局。RV减速器由于其结构复杂，制造工艺要求高，相比谐波减速器，无论是技术难度还是投资门槛都更高。从市场格局来看，RV减速器的市场集中度相对较高，两大行业龙头的市场份额总和超过一半。在国产替代进程中，RV减速器已取得初步成果。双环传动是行业内的重要代表，此外，珠海飞马、智同科技、中大力德、南通振康、秦川机床、六环传动、泰隆集团、斯微特等厂商同样实力强劲，这些企业均具备针对大负载机器人减速器的定制化生产能力。还有巨轮智能、苏轴股份、埃夫特、钱江机器人等厂商，也积极投身于RV减速器领域进行布局。
02 丝杠
在人形机器人中，丝杠是将旋转运动转换为直线运动的核心部件。特斯拉人形机器人迭代，最大的边际变化是丝杠用量增加，特斯拉Gen3灵巧手应采用“腱绳+丝杠”的传动方案，以及“电机+微型丝杠”的主动关节方案。在人形机器人的众多环节中，行星滚柱丝杠属于价值高且壁垒高的关键部分。与传统滚珠丝杠不同，行星滚柱丝杠采用多个带有螺纹的滚柱体，显著增强了承载能力。以特斯拉人形机器人Optimus为例，其行星滚柱丝杠在全球范围内仅有德国舍弗勒和新剑传动这两家供应商。当下，在国内近百家人形机器人企业里，采用丝杠方案的厂商数量稀少，不过该方案在行业内的渗透率未来极有可能大幅增长。在国内丝杠供应链领域，处于头部地位、有望实现国产替代的厂商有新剑传动、南京工艺等。2024年12月，新剑传动年产100万台人形机器人及汽车行星滚柱丝杠产业化项目正式开工，成为全球首家公开宣布将进行大规模量产的企业。而南京工艺在国产行星丝杠市场中，市场份额居于国产厂商首位，还拥有国内规格最为齐全的精密滚动功能部件产业化基地。据公开资料，国内诸多企业如五洲新春、双林股份、北特科技、恒立液压、震裕科技、贝斯特、鼎智科技（江苏雷利子公司）、博特精工、斯菱股份等，也纷纷加大力度，积极布局行星丝杠环节。
现阶段，丝杠加工工艺普遍采用车削与磨削相结合的方式。但从行业发展趋势来看，“以车代磨”的趋势愈发明显，不少丝杠企业为提升加工效率，已着手采用车削工艺。根据公开资料，浙海德曼等企业已具备与国外同行一较高下的实力，在丝杠加工方案方面取得了重大突破。秦川机床在数控磨床以及滚珠丝杠等领域均有布局，旗下汉江机床子公司通过募集资金投资滚柱丝杆项目，进一步扩大产能。日发精机研发的数控螺纹磨床，作为丝杠加工的核心设备，已与部分客户建立起战略合作关系。
03 腱绳
特斯拉人形机器人第三代灵巧手模型。采用“线性执行器模块+腱绳模块”，线性执行器从Gen 2的手掌转移到Gen 3的手臂，手掌体积更小。
灵巧手所使用的腱绳，其制作材料主要涵盖高分子材料与不锈钢材料。在这些材料中，高分子材料里的超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE）因综合性能较为突出，在实际应用中更为广泛，不过该材料成本相对偏高。行业内较为领先的供应商有荷兰的DSM、美国的Honeywell等。相比之下，不锈钢材料的性能稍显逊色，但随着技术工艺的不断进步，未来有希望在机器人领域得到更广泛的应用。据公开资料显示，国内的大业股份、南山智尚、同益中、恒辉安防等厂商，已在相关材料领域展开布局。
04 电机
电机作为人形机器人核心零部件，是重点突破的核心技术之一。电机将电能转化为机械能的设备，用于产生旋转运动或线性运动。空心杯电机作为灵巧手的关键部件，起着极为重要的作用，它使得灵巧手能够完成如弹钢琴、穿针引线这类精细动作。空心杯电机具有很高的技术含量，生产制造难度颇大，其中核心技术难点主要集中在线圈绕组部分。在全球市场上，瑞士的Maxon、德国的Faulhaber、瑞士的Portescap等企业处于行业顶尖位置，它们在空心杯电机相关专利技术方面，已进行了大量申请。而在国内，鸣志电器、鼎智科技（江苏雷利子公司）、雷赛智能、禾川科技、兆威机电、拓邦股份等厂商，是该领域的头部企业。由于空心杯电机技术门槛高，新进入这一行业的企业往往技术积累不足，很难满足人形机器人领域对电机高效率等方面的严格要求。以特斯拉人形机器人Optimus为例，其14个线性执行器与14个旋转执行器均配备无框力矩电机。无框力矩电机技术门槛较高，主要体现在磁路与工艺设计方面。因其需要一体化设计并集成至机器人关节内部，定制化需求强烈，这导致稳定量产难度较大。
从全球市场格局来看，呈现头部企业集中的态势。海外的科尔摩根、威腾斯坦、Maxon等厂商占据行业头部位置。反观国内市场，竞争格局较为分散，行业总体尚处于起步阶段，市场参与者数量有限。国内头部厂商有步科股份、雷赛智能等；伟创电气、汇川技术、拓斯达、昊志机电、禾川科技、震裕科技、卧龙电驱、德马科技、德昌股份、微光股份、科力尔等企业也积极布局。总体而言，无框力矩电机环节在国内有着广阔的国产替代空间。
05 传感器
传感器是人形机器人感知系统重要元器件，主要有力/力矩传感器、触觉传感器、视觉传感器、编码器、惯性传感器等几大方向。
由于人形机器人对灵巧手的性能和功能有着严苛的要求，触觉传感器作为提升灵巧手感知能力的关键部件，成为了一个重要的发展增量方向。目前，触觉传感器仍处于发展的初期阶段，在全球市场上，主要是Canatu、Sensel、Flexpoint等海外企业占据着主导地位。不过，国内也有不少企业积极布局柔性触觉传感器领域。根据公开资料显示，汉威科技、申昊科技、帕西尼感知、柯力传感、奥迪威、苏试试验、中科纳芯、墨现科技、康斯特、力感科技、钛深科技、福莱新材、日盈电子等企业已涉足该领域，为推动国内触觉传感器技术的发展和应用贡献力量。力矩传感器肩负着实时监测执行器运行状态的重任，它为控制系统提供关键信息，对保障机器人动作的高精度起着关键作用。六维力传感器作为力觉传感器中维度最高的类型，能够输出最高维度的力觉信息，所提供的力觉数据全面且精准。当前，这一环节面临着成本高和技术壁垒高的现状，能够实现批量化供应的企业并不多。从发展趋势看，未来整机厂或许会借助算法等手段来减少其使用数量，一旦实现成本降低，该领域有望开拓出更为广阔的市场空间。依据公开资料，国内的宇立仪器、坤维科技、鑫精诚、蓝点触控、昊志机电、柯力传感、东华测试、海伯森、瑞尔特、安培龙等厂商已在该领域进行了相关布局，积极探索发展机会。
机器视觉作为人工智能领域极为重要的前沿技术，有着独特且关键的地位。它的底层逻辑是赋予机器类似“人眼与大脑”的能力，从而让机器能够替代人工，对被检测物品进行精确的测量和准确的判断。在国内的机器视觉行业中，涌现出了一批优秀的本土厂商。像奥比中光、海康威视、大恒科技、天准科技、凌云光、奥普特等企业，它们积极进取，在核心零部件技术以及独立软件算法等关键方面投入了大量的资源和精力，不断推动着国内机器视觉技术的发展与进步，逐步缩小与国际先进水平的差距，为国内相关产业的智能化升级提供了有力的技术支持和保障。
惯性传感器是人形机器人实现运动控制与导航的基础元件。从所测量的物理量角度分类，它主要包含加速度传感器（也就是加速计）以及角速度传感器（即陀螺仪）。把加速度计和陀螺仪集成在一起，就构成了惯性测量单元（IMU）。IMU能够精确测量机器人的加速度和角速度数值，在跟踪机器人的姿势变化和实时运动状态方面发挥着关键作用。国内的华依科技等厂商，已在这一领域积极布局。
在全球MEMS惯性传感器市场，份额主要集中于霍尼韦尔、ADI等行业巨头手中。而在国内，芯动联科等企业所生产的高性能MEMS传感器，也占据了一定的市场份额。
06 轴承
轴承在旋转关节执行器的关节连接中应用广泛，常见的有角接触轴承、交叉滚子轴承等，这些轴承常与减速器、电机等协同工作。从全球市场格局来看，德国舍弗勒在滚针轴承及液压顶杆生产方面占据优势；日本不二越专注于中小型球轴承制造；NSK以小型低噪音轴承生产著称；TIMKEN则主要生产英制圆锥滚子轴承。在国内高端轴承市场，全球八大轴承企业长期处于垄断地位，但本土企业正奋力突围。比如，五洲新春成功研制出机器人谐波减速器柔性薄壁轴承；长盛轴承不仅为宇树科技供应关节轴承、滑动轴承等核心零部件，还联合开展丝杠项目；光洋股份自主研发了机器人减速器用交叉滚子轴承表面防腐镀黑铬技术；国机精工聚焦高中端产品，人本股份、龙溪股份、万达轴承等企业也在各自擅长的技术领域持续进步。在关节和灵巧手总成领域，三花智控、拓普集团、兆威机电等厂商在人形机器人市场展现出强大的竞争力。花旗银行在11月发布的最新预测显示，到2050年，全球人形机器人市场规模预计将飙升至7万亿美元，全球人形机器人数量将达6.48亿台。当前，我国机器人产业链上的相关零部件企业数量不断增加，技术与研发实力也在稳步提升。考虑到主机厂降低成本的诉求以及对合作响应速度的要求，国产替代趋势正逐渐显现。长远来看，特斯拉人形机器人即将实现量产，与此同时，国内厂商布局加速，有望为国产机器人产业链开拓更为广阔的市场空间。
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