2024年人形机器人关节行业专题报告：从Optimus选型看关节的发展

人形机器人关节选择旋转&直线驱动器的依据

Optimus-Gen2力/力矩传感器方案进一步丰富

2022年10月1日，在特斯拉AI Day上发布Optimus；2023年12月14日 Tesla 发布了Optimus-Gen2。主体自由度：Optimus包括28个自由度，包括14个旋转自由度、14个线性自由度；Optimus Gen2在 脖颈处增加2个自由度，全身具备30个自由度。 灵巧手自由度：Optimus灵巧手具有6个主动自由度、5个被动自由度；Optimus-Gen2增加至11个主 动自由度，并在每个手指（指尖处）增加触控式传感器。

从Optimus看人形机器人关节选型

人形机器人的关节设计需权衡平衡性、动态运动控制、高负载等多方面因素，通常混合使用旋转 执行器和线性执行器，以Optimus为例：①旋转执行器，包括腕部、肩部、腰部、髋部4个位置，共 计有14个旋转自由度；②线性执行器，包括腕部、肘部、踝部、髋部、膝部5个位置，共计有14个线 性自由度。

旋转驱动器主要应用于高扭矩关节处。腕部、肩部、腰部、髋部关节转动幅度较大，并对关节方 案提出了较高的扭矩要求，旋转执行器通过“电机+减速器”方案能够同时满足转动幅度、扭矩两方 面的需求，同时结合力矩传感器实现对末端的运动控制。

人形机器人下肢线性传动方案

直线驱动器用于对运动旋转角度不大、高负载的场景，多用于四肢。直线驱动器多采取“电机+ 丝杠”，将旋转运动变为关节末端的直线运动，能够起到较好的支撑和承重效果，能够较好适配应 用场景的负载需求。

在双腿&双臂位置，直线驱动器通过电机与关节分离的方式，将双腿质心向上移动、双臂质心向 内移动，一方面提升提高整机质心，另一方面减轻四肢的运动惯量，从而提升整机的稳定性、提升 整机的运控表现。

旋转驱动器原理及不同选型方案比较

旋转驱动器总成选型思路

问题①：旋转驱动器为什么不选取单电机方案？ 人形机器人旋转驱动器在实际应用中的扭矩要求较高，单电机方案无法满足需求。通过搭配减速 器的方式可以放大力臂，从而大幅提升输出扭矩，满足实际场景需求。

问题②：不同类别减速器的选型理由是什么？ 电机扭矩密度难以显著提升，所以电机输出扭矩越大，体积越大。在大扭矩电机情况下，可以搭 载低减速比减速器（行星等），此方案具备经济性优势；小扭矩电机情况下，搭载高减速比减速 器（谐波等），此方案具备小体积优势。

问题③：旋转驱动器是否必须搭配力矩传感器？ 力矩透明度是决定是否加装力矩传感器的关键。高减速比减速器的力矩透明度低，需要加装力矩 传感器进行测量；低减速比减速器力矩透明度较高，可以使用电流环控制，加装力矩传感器不是 必选项。

问题④：不同旋转驱动器方案的优劣势对比？ 基于不同选型思路，旋转驱动器主要分为刚性、弹性和准直三种驱动器方案。 刚性驱动器方案优 势是关节体积小、输出扭矩密度高，劣势是透明度低，需搭载力/力矩传感器；弹性驱动器方案 能提升关节的柔顺性，但控制复杂、精度较低；准直驱驱动器方案优势是透明度高，可采用电流 环控制，柔顺性表现好，劣势是扭矩密度低。

减速器能够显著提升关节输出扭矩

人形机器人旋转驱动器在实际应用中需要解决大扭矩问题，搭载减速器是必选项。在齿轮传动中， 啮合处的齿面作用力大小相等、方向相反，通过改变齿轮的半径可以改变输出扭矩。人形机器人要 求关节体积小，且在实际应用中面临大扭矩场景，单纯依靠电机难以实现。通常来看，减速器能够 显著提升扭矩输出值，适配相应高扭矩密度的应用场景。

外转子方案是增大电机扭矩密度的较好选择

电机绕线方式能够在一定程度上影响电机扭矩密度。增加线圈匝数能提升功率密度，从而间接提 升电机扭矩密度。但是目前由于技术原因，在人形关节紧凑的空间中，电机绕线瓶颈难以突破。相同体积下，外转子电机比内转子电机的输出扭矩更高。内转子电机线圈固定在外壳，主轴为转 子，通常极数少、转速快，转动惯量更小，扭矩小。外转子电机的线圈在内部，相对而言极数更多、 转速更慢，转动惯量更大，相同电流下输出的扭矩更大。无框力矩电机的扭矩密度较高，是人形机 器人关节电机的较优选择。

力矩透明度是决定是否加装力矩传感器的关键

大力矩输出密度和动态物理交互能力是足式机器人关节驱动器设计的关键因素，目前驱动器方案 主要分为刚性驱动器方案、弹性驱动器方案和准直驱驱动器方案。不同方案由于存在力矩透明度差 异，所以存在是否采用力/力矩传感器的区别。 谐波减速器减速比高，存在非线性摩擦力矩，力矩透明度低。仅依靠电流环进行关节末端的力反 馈难以进行建模，需要额外添加力矩传感器。 行星减速器减速比低，刚性强，非线性摩擦力可忽略不计，关节输出扭矩和电流之间呈较好的线 性关系，易于建模，可用电流环控制。

刚性驱动器方案成熟度较高

刚性驱动器方案的技术发展最为成熟，在双足机器人领域中已经得到了成熟验证。 刚性驱动器优势：高减速比减速器克服了电机的扭矩输出限制，实现关节末端的高密度扭矩输出。 常规电机和谐波减速器的体积较小，有助于实现人形机器人关节的小体积化；在加装力传感器后， 能够实现高精度力控场景。 刚性驱动器劣势：①谐波/RV减速器相较于传统减速器，产品价格较高；②需额外加装力/力矩传 感器，对应单关节成本增加500-1000元。

线性驱动器原理及发展路径讨论

直线驱动器总成选型思路

问题①：直线驱动器方案为什么选择“电机+丝杠”？ 人形机器人直线驱动器的要求：良好的刚性表现和较高负载能力、精密的线性运动控制、柔顺连 续的直线运动性能。 人形机器人双足、双臂采用连杆结构，连杆末端采用“电机+丝杠”结构，能够满足刚性、载荷、 运动精度和连续性要求，且伺服电机能够满足直线运动的力矩、精度要求，所以无需搭配减速器。

问题②：滚柱or滚珠丝杠的选型理由及优劣势比较？ 滚珠丝杠在部分关节处替代滚柱丝杠的可行性高，且能大幅降低成本。 可行性：滚珠丝杠产品成熟度较高、精度高、传动效率高，能够满足人形机器人需求，且在小臂、 小腿等负载较小的位置，滚珠丝杠负载能力能够满足相应负载要求。 必要性：人形机器人逐渐步入量产阶段的背景下，产品降本成为大势所趋；使用滚珠丝杠替代滚 柱丝杠能够降低约91%的产品成本，降本效果显著。

问题③：直线驱动器对自锁性能的要求？ 由于直线驱动器需要配合实际场景频繁执行前进、后退运动，所以相较于自锁性能，直线驱动器 更需要丝杠具备运动可逆的性能。综合来看，滚柱&滚珠丝杠可以满足人形机器人的自锁需求。 在少数场景下，直线驱动器需要自锁功能，其实现方式主要包括：①使用本身具备自锁功能的T 型丝杠，但是T型丝杠存在精度差、传动效率低等劣势，其应用弊端显著；②使用滚柱&滚珠丝 杠，加装具备自锁功能的电机或设备，此方案在保留滚柱&滚珠丝杠优势的同时实现自锁功能。

“电机+丝杠”能良好适配直线驱动器需求

人形机器人直线驱动器对刚性、载荷、运动精度、运动连续性有较高要求。人形机器人双腿、双 臂采用连杆结构，并通过结构改型，有效减轻运动惯量，提升主机的运动稳定性。从实际场景出发， 连杆末端需要具备较高刚性、输出较大载荷，并需要具备运动的高精度和连续性， “电机+丝杠” 方案是最佳选择。此外，由于伺服电机能够满足直线运动的力矩、精度要求，所以无需搭配减速器。

人形机器人可选丝杠包括滚柱丝杠、滚珠丝杠和T型丝杠，综合来看滚柱丝杠具备高负载、高精 度的特点，综合性能表现最优；滚珠丝杠负载能力稍弱，但是精度较高，产品性价比较高；T型丝杠 虽具备较强经济性，但其运动精度较差。

线性传动方案采用丝杠实现精密控制

滚柱丝杠具备高负载、高精度的特点，在人形机器人直线驱动器中的应用优势显著。 ①运动精度高，能实现连续、柔顺的直线运动：滚柱丝杠通过螺母、滚柱和丝杆之间的螺纹咬合， 能够实现高速旋转运动与低速直线运动之间的转换，以GSA的外径20mm滚柱丝杠为例，丝杠螺 距约为2.5mm，搭配目前主流伺服电机能够实现较精密的直线运动。 ②负载能力强，能够适配实际应用场景：特斯拉Optimus提供了500N、3900N、8000N三款滚柱丝 杠，具备较强的负载能力，能够适配人形机器人绝大多数的实际应用场景。

滚珠丝杠有望替代部分滚柱丝杠

人形机器人逐渐步入量产阶段，滚珠丝杠有望替代部分滚柱丝杠，降低整机BOM成本。 ①滚珠丝杠精度能够满足人形机器人需求：通常来看，C0-C4级丝杠能够满足精密级机械手臂需 求，C5-C8级丝杆能够满足一般级机械手臂需求；目前滚珠丝杠技术相较于滚柱丝杠更为成熟、 国产化率更高，能够满足实际场景的精度要求； ②滚珠丝杠有望替代小臂、小腿处滚柱丝杠：以上银科技8mm外径、3mm螺距的滚柱丝杠为例， 能够实现3000N左右的推力，能够满足人形机器人小臂的直线驱动器需求，未来有望进一步实现 对小腿位置的滚柱丝杠进行替代；以Optimus为例，滚珠丝杠能替代4-10个滚柱丝杠，分别以单价 800元\9000元计算，单机节约成本3.2-8.1万元。

重点公司分析

三花智控：立足热管理技术，机器人执行器业务未来可期

制冷业务为基础，热管理业务持续增长。公司制冷业务持续稳定增长，汽零业务受益于新能源车 快速渗透，2022年营收213.48亿元，同比增长33.25%。2022年起，公司面向全球开展储能热管理业务， 已与头部储能客户建立合作关系。

人形机器人蓄势待发，率先布局电机执行器。公司基于对电机技术的多年积累，积极整合上下游 伺服电机、传动组件、编码器等，重点布局机电执行器业务，并和绿的谐波建立合作关系，扩展减 速器业务。2023年6月，公司公告拟发行GDR募资不超过50亿元，用于三花墨西哥、三花波兰与机器 人机电执行器研发等项目，进一步扩大产品规模，夯实技术护城河。

拓普集团：稀缺的tier0.5汽零供应商，机器人执行器业务前景广阔

研发驱动成长，由单品龙头成长为平台型供应商。公司1983年成立，依靠领先的研发能力与下游 领先车企实现深度合作，与下游客户共同成长，逐渐成为tier0.5的平台型汽零供应商。目前公司拥有 8大汽零系列产品，包括汽车NVH减震系统、内外饰系统、轻量化车身、智能座舱部件、热管理系统、 底盘系统、空气悬架系统、智能驾驶系统等，单车价值量达3万元。

全球化持续推进，机器人执行器业务开启广阔成长空间。公司依托线控执行器领域的技术积累， 2022年布局机器人直线执行器和旋转执行器，包括电机、电控和减速器机构等，产品多次送样，获 得客户认可，预计后续将逐步放量。2022年9月，公司公告拟在墨西哥设立全资子公司，投资不超过2 亿美元，主要生产轻量化底盘、内饰系统、热管理系统和机器人执行器等产品，进一步扩大全球业 务布局。

双环传动：齿轮传动为基，减速器业务开辟第二增长曲线

新能源齿轮业务快速发展，驱动业绩高速增长。公司从摩托车齿轮起家，不断扩宽齿轮业务，成 为精密齿轮的全球领先者。电动汽车智能化浪潮下，高端精密齿轮需求增加，第三方齿轮厂商迎来 市场扩容机遇。公司新能源齿轮业务营收从2020年1.87亿元增至2022年的19.14亿元，增幅超9倍。

十年耕耘精密减速器，产品谱系不断完善，减速器业务成为第二增长曲线。公司从2013年开始研 制工业机器人精密减速器，经过多年技术积累，产品性能居于全国前位。目前子公司环动科技布局 RV/谐波/行星减速器，提供覆盖3-1000kg负载机器人的高精密减速器整体方案，2022年国内RV减速 器市占率达15%，居国内企业第一。公司减速器业务2018年营收0.63亿元，至2022年达4.57亿元， CAGR达64%，逐渐成为第二增长曲线。

报告节选：

编辑：火腿肠