2025年人形机器人执行系统之旋转关节专题报告：扭矩跃升，动力内核

执行器：驱动关节活动，电驱动已成主导

热点|宇树科技机器人H1在春晚出圈

2022年9月，特斯拉在AI Day上发布Optimus Gen1；2023年12月，Tesla发布了Optimus Gen2。Optimus Gen1主体共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。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。

概述|执行器：硬件系统核心部件，用于驱动各个关节和部件的运动

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。

动力源|电驱动已成人形机器人领域主导

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。

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。

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。

发展路径|从刚性到准直驱，简单可靠、低成本、快速响应是主要诉求

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（QDD/PA）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（PA/QDD）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。

电机：产生驱动转矩，无框力矩电机应用广泛

概述|电机是将电能转换为机械能的动力源

电机是指依据电磁感应定律将电能转换为机械能的一种电磁装置，通常由定子和转子两部分组成，主要作用是产生驱动转矩，作为动力源。关 节电机为人形机器人各种动作和姿态的实现提供动力，具备减速、传动、提升扭矩等功能，驱动关节和执行器，是机器人的核心硬件。 人形机 器人的自由度决定电机需求的数量，机器人自由度越高，所需的电机数量越多。 在实际应用中，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。常用的电机类型包括永磁同步电机、永 磁直流电机、空心杯电机、步进电机和无框力矩电机等。目前用于人形机器人的电机类型主要是用于关节处的无框力矩电机和用于灵巧手的空 心杯电机。

电机|人形机器人需要电机的要求：高效率、高动态、高功率密度

人形机器人对电机有以下三点关键要求：1）高效率，因靠电池供电，需低能耗、低摩擦，能适应苛刻工况和过载；2）高动态，驱动器惯性要低， 电机响应时间需短；3）高功率密度，电机要高速、高扭矩且小巧紧凑轻巧 。 无框力矩电机是以输出扭矩的大小为性能指标的一种力矩电机，以输出大扭矩为核心优势，采用无外壳结构，定子与转子直接集成至轴承系统。 其特点包括高转矩密度、优异散热性、中空走线设计及紧凑轻量化，适配中低速高扭矩场景。相比有框电机，具备更强的定制灵活性和功率密度， 适用于小体积、低惯量、高效能的应用场合，在有限空间内提供强大的动力输出，适合高度集成化的复杂人形机器人系统。

无框力矩电机|在人形机器人关节单元方案中广泛应用

无框力矩电机常用于人形机器人线性关节和旋转关节。如特斯拉Optimus的14个线性执行器与14个旋转执行器均使用它。国产的宇树H1、远征 A1、小米Cyberone、优必选X1、傅里叶GR-1等机器人关节单元也如此。以Optimus为例，其上肢关节方案类似协作机械臂，采用无框电机+谐波 减速器的旋转关节方案，即无框力矩电机+谐波减速器+高低速双编码器+抱闸+力矩传感器+输出端交叉滚子轴承。 GGII数据显示，2023年中国无框力矩电机市场规模1.80亿元，同比增长19.73%，其中协作机器人市场需求占比约为70%，预计2024年中国无框 力矩电机市场规模有望超过2亿元，在未考虑人形机器人市场的情况下，到2028年市场规模将有望超过5.6亿元。

减速器：增加扭矩，谐波和精密行星最适配人形

概述|减速器主要用于降低转速和增加扭矩

减速器又称减速机，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。由于多数机械设备不 适宜用原动机直接驱动，通常减速器把电动机、内燃机等高速运转的动力通过输入轴上的小齿轮啮合输出轴上的大齿轮来达到减速的目 的，并传递更大的扭矩，以实现原动机和执行机构之间的传动。 根据DIGITIMES的数据，减速器在一定程度上决定工业机器人的精度和负载，是工业机器人核心零部件之一，占工业机器人成本的35% 左右。

精密减速器|主要分为谐波减速器、RV减速器、行星减速器几类

减速器种类及型号繁多，按照控制精度划分，减速器可分为一般传动减速器和精密减速器。一般传动减速器控制精度低，仅能满足机械设备基 本的动力传动需求，而精密减速器回程间隙小、精度较高、寿命长、运行可靠稳定，是机械传动装置中实现精准控制的关键基础部件。 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，在下游 产品及应用领域方面各有所侧重、相辅相成。根据中商产业研究院，全球机器人领域中，RV减速器、谐波减速器的销量占比均为40%左右。各 本体厂基于不同减速器的特征、成本等因素考量，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。

谐波减速器|国产品牌打破垄断，绿的谐波引领国产化

谐波减速器主要由刚轮、柔轮、波发生器三个基本构件组成，是一种靠波发生器使柔轮产生可控的弹性变形波，通过其与刚轮的相互作用，实 现运动和动力传递的传动装置。在轻负载精密减速器领域内，谐波减速器凭借其体积小、传动比高、精密度高等优势，占据该领域的主导地位。 根据中商产业研究院的报告，2022年中国谐波减速器市场规模约21亿元，预计2025年有望达到33亿元，CAGR达16.3%。日本的哈默纳科、 日本新宝等企业技术水平处于行业领先地位。国内部分企业通过技术攻关、生产工艺的改进，在减速比、输出转速、传动精度等方面和海外品 牌差距明显缩小，对国外品牌已基本可以实现一定的进口替代。2022年中国谐波减速器市场竞争格局中，哈默纳科市场份额最大，占比38%， 其次是绿的谐波，市场份额为26%，来福谐波以8%的份额位居第三。

报告节选：

编辑：火腿肠