人形机器人 “热”，核心零部件是关键

近年来，随着人工智能技术的飞速发展，人形机器人这一科技领域的前沿产物逐渐从科幻电影走进现实生活，成为全球科技竞争的新热点。无论是在工业制造、医疗护理，还是在家庭服务、教育娱乐等领域，人形机器人都展现出了巨大的应用潜力，市场规模也在持续快速增长。国际市场研究机构的数据显示，2024 年全球人形机器人市场规模约为 10.17 亿美元，而到 2030 年，这一数字预计将飙升至 150 亿美元，2024-2030 年期间的年复合增长率超过 56%。在中国市场，增长势头同样强劲，2024 年中国人形机器人市场规模达到 21.58 亿元人民币，预计到 2030 年将接近 380 亿元，2024-2030 年的复合年增长率超过 61% 。

在人形机器人的发展进程中，核心零部件扮演着至关重要的角色，堪称机器人的 “硬件根基”。它们不仅决定了机器人的性能表现，更是推动人形机器人技术突破和产业发展的关键所在。以精密减速器为例，它作为连接动力源和执行机构的中间装置，能够匹配转速并传递转矩，其性能直接关乎机器人的运动精度、稳定性和负载能力。像常用于机器人小臂、腕部、手部等关键部位的谐波减速器，具有单级传动比大、结构紧凑轻巧、运动精度高超等优势；而适用于承担重型任务，通常被用于机座、大臂、肩部等部位的 RV 减速器，则具备高扭矩、出色的负载能力和刚度 。伺服电机作为机器人关节运动的驱动元件，能够将电信号转化为角位移或角速度输出，使机器人实现多自由度的灵活运动。控制器，作为工业机器人的 “大脑”，对机器人的运动位置、姿态、轨迹、操作顺序及动作时间等进行精准控制，不同类型的机器人有着不同类型和设计方案的控制器 。传感器则是机器人感知外部环境的 “触角”，能够将各种物理量转换为电信号，助力机器人实现精确的控制和感知 。这些核心零部件相互协作，共同构建起人形机器人的硬件体系，是实现机器人高效、稳定和智能操作的基石。

核心零部件全景剖析

（一）电机：机器人的动力之源

电机作为人形机器人的动力输出单元，如同人类的肌肉，赋予机器人运动的能力。在人形机器人领域，无框力矩电机和空心杯电机是两种常用的关键电机类型。

无框力矩电机是一种无框架式的无刷永磁同步电机，具有体积小、功率密度高、扭矩大、低速性能好等显著优势。其独特的设计使其能够直接集成到机器人的关节等部位，有效减少了系统的体积和重量，提高了系统的紧凑性和响应速度。在协作机器人关节、外骨骼、医疗康复设备等对空间和性能要求较高的应用场景中，无框力矩电机都有着出色的表现。全球无框力矩电机市场呈现出稳步增长的态势，海外厂商凭借先发优势，在技术和市场份额上占据主导地位，如美国科尔摩根的 TBM (S) 无框力矩电机、Parker 公司的 K 系列无框伺服电机等产品，在全球市场上拥有较高的知名度和市场份额。不过，国内企业也在加大研发投入，积极追赶，逐渐在中低端市场取得一定的突破。

空心杯电机则是采用了空心杯绕线技术的直流有刷或者直流无刷电机，具有重量轻、体积小、效率高、响应速度快、控制精度高等优点，尤其是在低惯量和高转速的应用场景中表现突出，对灵巧手契合度较高，常用于需要高精度和快速响应的手部关节等部位。在全球空心杯电机市场中，德国、瑞士等国家的企业凭借先进的技术和工艺，占据了主要的市场份额。例如，maxon 作为空心杯电机的龙头企业，能够为客户提供一站式的解决方案，在全球范围内拥有广泛的客户群体和销售网络 。随着国内企业在技术研发上的不断投入，在空心杯电机领域也取得了一定的进展，与国际先进水平的差距逐渐缩小。

（二）减速器：精密传动的幕后英雄

减速器在人形机器人中扮演着至关重要的角色，它能够降低电机的转速，同时提高输出扭矩，实现机器人的精确运动控制。精密行星减速器、RV 减速器和谐波减速器是人形机器人中常用的三种减速器类型。

精密行星减速器由中心太阳齿轮、多个行星齿轮和一个内圈齿轮组成。其工作原理是，当输入轴驱动太阳齿轮转动时，行星齿轮会绕中心轴旋转，与内齿圈啮合，从而实现减速效果。这种减速器具有高承载能力、高效率、高精度的特点，能够承受较大的负载和扭矩，传动效率高，能量损失小，精度也能满足大多数精密应用的需求，常用于机器人的基座、大臂等对扭矩要求较高的部位。在全球精密行星减速器市场中，日本新宝、德国纽卡特、德国威腾斯坦等企业占据了较大的市场份额，国内企业如中大力德等也在不断提升产品性能和市场竞争力。

RV 减速器由输入轴、偏心轮、摆线针齿轮和输出轴组成，结构较为复杂，分为两级传动装置，包括渐开线行星齿轮传动和摆线针轮行星传动。工作时，输入轴转动带动偏心轮驱动摆线针齿轮进行旋转，通过摆线针齿轮的连续啮合来实现减速。RV 减速器具有高扭矩传递能力、高刚性、紧凑结构的优势，能够传递较大的扭矩，适用于需要高扭矩的应用场景，如工业机器人、重型机械等，在人形机器人中常用于承担重负载的部位，如腿部、腰部等。目前，日本纳博特斯克在全球 RV 减速器市场中占据主导地位，市场份额超过 60%，国内企业如双环传动等也在积极布局，努力提升产品质量和市场占有率。

谐波减速器主要由波发生器、柔轮和刚轮组成。波发生器产生周期性的径向变形，使柔轮发生弯曲变形，与刚轮啮合，从而驱动刚轮实现减速输出。谐波减速器具有高精度、紧凑结构、高刚性的特点，能够实现无背隙运动，体积小、重量轻，能够承受较大的扭矩和冲击，常用于机器人的小臂、腕部、手部等对精度和空间要求较高的部位。全球谐波减速器市场集中度较高，日本哈默纳科一家独大，全球市场份额约 80%，国内的绿的谐波等企业在谐波减速器领域发展迅速，已在国内市场占据一定份额，并逐步向国际市场拓展 。

（三）丝杠：直线运动的精准掌控者

丝杠是将旋转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为旋转运动的重要传动元件，在人形机器人中，对于实现机器人的直线运动和精确位置控制起着关键作用。丝杠主要分为滑动丝杠、滚动丝杠和静压丝杠三类，其中滚动丝杠又可进一步划分为滚珠丝杠和行星滚柱丝杠两类，行星滚柱丝杠在人形机器人中具有独特的优势和重要应用。

行星滚柱丝杠主要由丝杠、滚柱、螺母、内齿圈、保持架以及弹性挡圈等部分组成。其工作原理是，通过行星滚柱在丝杠上的滚动，将旋转运动转化为直线运动，从而实现机器人的精确位移。当丝杠旋转时，滚柱通过与丝杠之间的螺纹啮合，一方面会沿着丝杠轴线方向作直线运动，另一方面会在丝杠、螺母之间作行星运动，而螺母则通过保持架使其与滚柱之间无相对轴向位移，因此螺母与滚柱保持着相同的轴向移动速度 。与常见的滚珠丝杠相比，行星滚柱丝杠具有诸多显著优势。首先，滚柱与丝杠接触半径更大，且所有滚柱同时参与啮合，接触点多，在相同直径下，其承载能力比滚珠丝杠提高 6 倍，相同负载下可节省 1/3 空间；

其次，行星滚柱丝杠的寿命更长，可提高 14 倍，工作环境温度范围也提高 2 倍；再者，它的传动效率与滚珠丝杠相当，润滑良好的情况下效率可达 90％ ，且滚柱相对于螺母没有轴向运动，因此加速、旋转和减速的能力更强；此外，行星滚柱丝杠采用行星机构控制滚柱运动，不需要滚动件循环装置，高速运转时产生的振动噪声较小，还可在恶劣环境下使用，拆卸也较为方便。在人形机器人中，行星滚柱丝杠主要应用于关节模组的关节驱动、步态控制和动作执行等方面。作为人形机器人关节的驱动部件，它能够实现关节的精确转动和定位，使机器人能够模拟人类的运动姿态；通过精确控制行星滚柱丝杠的位移和速度，可以实现人形机器人步态的平稳过渡和精确调整，提高机器人的行走稳定性和舒适性；在机器人的抓取、操作等动作中，行星滚柱丝杠能够提供稳定的动力输出和精确的位置控制，确保机器人能够准确执行各种任务。以特斯拉 Optimus 机器人为例，其身上有着高达 10 - 14 个直线关节应用了行星滚柱丝杠，在行走运动中发挥着不可或缺的作用。

（四）传感器：机器人的感知触角

传感器是人形机器人感知外部世界的重要部件，如同人类的感官，能够为机器人提供丰富的环境信息和自身状态信息，使其能够做出准确的决策和动作。视觉传感器、力传感器、惯性导航 IMU、电子皮肤等是人形机器人中常用的传感器类型。

视觉传感器相当于机器人的 “眼睛”，能够获取外界环境的图像信息，并通过算法进行分析和处理，实现物体识别、人脸识别、环境感知和导航等功能。基于事件的视觉传感器（EVS）模拟人类视神经的工作原理，能够实时监测高速移动的物体，并仅捕捉亮度变化的部分，大大提高了处理速度和效率，在复杂动态环境中表现出色。在人形机器人应用领域，3D 视觉传感器可以帮助机器人高效完成人脸识别、距离感知、避障、导航等功能，使其更加智能化。目前，机器视觉市场主要被美、德、日品牌占据，如美国康耐视、德国巴斯勒、日本基恩士和欧姆龙等，其中基恩士和康耐视作为全球机器视觉行业的两大巨头，垄断了超 60% 的全球市场份额，我国机器视觉市场起步较晚，但相关企业如奥比中光、伟景智能等也在不断发展 。

力传感器则像是机器人的 “触觉神经”，能够精确测量物体在三个方向上的力和力矩，感受到物体的重量、压力和摩擦力，在机器人的操作中，是实现精细操作、保持平衡和避免损坏的关键。例如，特斯拉机器人关节处使用单维力传感器，执行器末端使用六维力传感器，能够实时反馈施加的力量，确保机器人执行精细操作时的力度恰到好处。

惯性导航 IMU 通常由加速度计、陀螺仪和磁力计等传感器组成，能够实时测量机器人的加速度、角速度和方向，在机器人的姿态控制、导航和定位等方面发挥着重要作用。通过融合 IMU 和其他传感器的数据，人形机器人能够更准确地感知自身的运动状态和环境变化，实现更加稳定和可靠的行走和操作。

电子皮肤，即触觉传感器，能够模拟人类的触觉，感知外界的压力、温度等物理量，是机器人感知外界接触的重要工具。新型柔软且可拉伸的电容式传感器通过电容量和电极之间的差异来获取法向力和剪切力，具有极高的灵敏度和柔韧性，可以覆盖在机器人的全身，形成类似人类皮肤的触觉感知层。在人形机器人的交互过程中，触觉传感器能够感知用户的触摸和力度，实现更加自然和人性化的交互体验 。

核心零部件的技术发展趋势

随着人形机器人市场的快速发展，核心零部件在性能提升、智能化、国产化替代等方面呈现出一系列重要的发展趋势。

在性能提升方面，各核心零部件不断向更高精度、更高效率、更高负载能力和更长寿命的方向发展。以减速器为例，谐波减速器通过优化齿形设计和加工工艺，进一步提高传动精度和承载能力，降低传动误差，使其在对精度要求极高的场景中能够表现得更加出色；RV 减速器则在结构设计和材料选择上不断创新，提高扭矩密度和刚性，降低重量，从而提升机器人的整体性能和工作效率。电机领域，无框力矩电机和空心杯电机不断提高功率密度和效率，减少发热和能耗，提高电机的响应速度和控制精度，为机器人的快速、精确运动提供更强大的动力支持 。