2025年机器人行业专题报告：特斯拉引领灵巧手技术升级，驱动、传动和感知方案迭代催生新投资机遇

一、灵巧手：机器人执行任务的关键，特斯拉Optimus灵巧手历经迭代

灵巧手是末端执行器，对机器人执行任务至关重要

灵巧手是人形机器人末端执行器，通过模仿人手结构可实现装配、拆卸、抓取等复杂任务，常安装于机 器人腕部末端，对提升机器人柔性与易用性至关重要，其性能优劣很大程度决定机器人整体工作表现。

人手拥有21个自由度，复杂程度远超机器人其他部件。人手的每根手指各有3个俯仰（Pitch）的自由度， 共15个。食指、中指、无名指、小拇指在指根关节各有1个旋转（Roll）自由度，大拇指有2个旋转 （Roll）自由度，总计6个。整体人手自由度为21个，此外手腕关节还有额外6个自由度。

灵巧手方案向更高自由度、更接近人手、更轻量方向发展

灵巧手结构设计发展主要有三个方向：①可变自由度设计，通过变体结构，针对不同对象用不同自 由度模式拾取以提高成功率；②高度仿生化，引入更多自由度，部分或完全实现人类手部手势和动 作，以替代人手作业；③轻量化，设计能用较少自由度实现高自由度结构功能的新型结构，通过减 少驱动器数量，在不降低拾取和运动性能的前提下实现机械手轻量化。

复盘：特斯拉Optimus第一代灵巧手

Optimus一代灵巧手拥有6个主动自由度，驱动采用空心杯电机，传动采用齿轮箱（齿轮+蜗杆）+金属腱绳方案，每 个手指搭配霍尔效应传感器，缺点在于无法精密抓取，仅适合用于工厂环境。

Optimus新一代灵巧手核心变化：（1）自由度提升，单手从11个增至22个；（2）电机增加，主动自由度从6个预计 提升至17个，所需电机数量增加至13/17个；（3）切换无刷有齿槽电机，电机位置移至手臂，体积限制解开，无刷 有齿槽电机替换部分空心杯电机；（4）采用行星齿轮箱+行星滚柱丝杠+腱绳三级传动方案，提升传动效率、精度、 载荷及远距离传动能力；（5）传感系统升级，触觉传感器覆盖更广，集成六维力传感器。 展望：（1）特斯拉灵巧手具有示范效应，特斯拉方案引起其他本体厂模仿；（2）能力越来越接近人手，可用场景 或从工厂升级至C端；（3）降本是设计方案的重要考量因素。

二、关键要素：驱动方案、传动方案、感知方案

电机:驱动灵巧手的理想方案，数量与自由度对应

电机是灵巧手理想驱动方案，电机数量与自由度对应。电机具有体积小、响应快、调控方便、稳定性好、精度高、 输出力矩稳定的优点。一般情况下，灵巧手的自由度与驱动电机相对应，灵巧手自由度增加也会带动驱动电机需求 增长。 电机分类：按电源分直流（有刷 / 无刷）和交流（异步 / 同步）电机，按用途分驱动电机和控制（伺服 / 步进）电机。 直流电机运行原理：电机运行依据电磁感应定律，电流流经转子线圈产生与定子固定磁场互斥的磁场推动转子转动， 同时借助换向器及电刷改变线圈电流方向，使转子磁场始终与定子磁场互斥，从而实现持续旋转。

空心杯电机是一种直流永磁的伺服控制电机，主要应用于末端灵巧手。 空心杯电机的无铁芯结构有效提升了电机性能，具备效率高、响应快、转速高、噪声小、寿命长等特点，空心杯电 机按照换向方式可分为空心杯有刷电机和空心杯无刷电机两类。 空心杯电机特点：（1）无齿槽效应：低速运行平稳，低振动，低噪音，转子可控制在任意位置；（2）结构紧凑： 磁路设计更优，功率密度更高，温升低，效率高；（3）低电感：高动态响应，高加速度。

空心杯电机核心技术壁垒在于绕线，其直接决定电机体积、转速、功率密度和良率等性能。空心杯电机因无齿槽、 无定子槽的独特结构，需高精度悬空绕线，对导线参数把控严苛，且要提升自动化生产。 海外五大空心杯电机厂2022年占据全球67%市场份额：国外空心杯电机头部企业凭借一次性绕制成型技术、专用绕 线设备及核心绕组设计占据市场主导。国内企业多采用传统绕卷工艺，存在自动化程度低、设备局限（仅能加工小 尺寸/细线径/单一形状线圈）、性能差距显著等问题，难以满足大功率需求。

电机:无刷有齿槽适合驱动灵巧手手指

有槽电机：线圈围绕定子铁芯上的齿槽缠绕，将电磁通量集中到转子磁体上并减小磁路中的整体气隙，能有较高的 扭矩与效率，有高转矩常数、效率和加速度，但磁铁经过不连续的齿槽也会致转矩波动。无槽电机：绕组外堆叠定子铁芯片，避免了齿槽转矩的产生。转子在360°内运行平稳，没有顿挫感，整圈的输出扭 矩也更平滑，噪音更低，提升了系统输出的稳定性。 有槽电机适合高扭矩密度和加速度场景，适合灵活运动的关节驱动，例如灵巧手手指。无槽电机适合伺服控制的平 稳运行场景。空心杯电机属于无齿槽电机。

传动-减速器:手部使用行星减速器，指关节使用谐波减速器

驱动电机通常需要搭载减速器一起使用。减速器是由齿轮、蜗杆等传动组成并封闭在壳体内的部件，常作原动机和 工作机间的减速装置，能匹配二者转速、传递转矩，可通过大小齿轮啮合，把电动机等高速动力减速，解决多数负 载大、转速高的电机不能被原动机直接驱动的问题。 人形机器人减速器包括谐波减速器，行星减速器和RV减速器，其中手部主要使用行星减速器，指关节使用谐波减速 器。

传动-减速器:行星减速器国内市场增速超10%，国产化率较低

高端行星减速器国产化率较低：行星减速器行业存在较高技术壁垒，当前市场主要由外资及合资企业主导。据智研 咨询 2023 年数据显示，日本新宝、湖北科峰、纽氏达特、精锐科技和利茗制造占据我国精密减速机市场超半数份额。 中国为主要市场，行业增速超10%：据QY Research统计，2022年全球行星减速器销量达540.15万台，销售额12.03亿 美元，其中中国销量231.91万台，销售额5亿美元，占比超40%。预测到2029年，全球市场规模将增至22.31亿美元， 复合增速为9.2%，中国市场达11.49亿美元，复合增速为12.9%。

传动-腱绳:传动材料可选择钢丝或超高分子量聚乙烯纤维

腱绳传动可将手掌或手臂内的电机运动动力传递到各手指关节，具有轻量化，柔顺适用性，与传统结构相适应的优 点，同时也有关节刚度受腱绳形变影响，腱绳与手指结构摩擦干扰大，传动效率低，寿命较低，维修成本高的缺点。 当前腱绳驱动的主流选择主要是高强度钢丝和超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE）。（1）高强度钢丝：材料较成 熟，成本低，已经作为部分手术机器人材料。（2）UHMWPE：具有高强度、低蠕变性、耐磨损、折叠不受损等腱 绳材料所需的特性。 特斯拉Optimus Gen3灵巧手采用超高分子量聚乙烯纤维，具有示范效应。腱绳相关公司：同益中（UHMWPE）， 南山智尚（UHMWPE），石化油服（UHMWPE），恒辉安防（UHMWPE），大业股份（钢丝）。

传动-丝杠:滚柱丝杠优势大，结合腱绳复合传动或成主流

丝杠可将旋转运动转化为直线运动。按摩擦特性，丝杠分为滑动丝杠、滚动丝杠以及静压丝杠，其中滚动丝杠在人 形机器人领域适配性更高，包含滚珠丝杠和行星滚柱丝杠，可应用于人形机器人灵巧手。 滚珠丝杆具有高精度、高效率和高承载的特点；行星滚柱丝杠具备更高精度和传动效率，但成本较高。人形机器人 产业化初期，两种方案或将并存。随着技术进步和成本下降，行星滚柱丝杠有望逐步取代滚珠丝杠成为主流传动方 案。 在高端丝杠领域，国内产品在精度、可靠性等方面与国外头部企业有差距。在行星滚柱丝杠领域，因磨削等加工工 艺和设备的技术限制，国外企业占据绝大部分市场份额。参考特斯拉Optimus Gen3灵巧手方案，丝杠+腱绳复合传动 或成主流灵巧手方案。

传感器:六维力传感器用于灵巧手手腕，价值量高

人形机器人的力传感器主要是力矩传感器，可检测各种旋转或非旋转机械部件上的扭转力矩，将扭力的物理变化转 化为精确电信号。力传感器主要用于感知和度量力，安装于人形机器人关节处，其中六维力传感器是维度最高的力 矩传感器，能提供最全面的力觉信息，属于力传感器领域的高价值品类。 一维力传感器适用于力的方向和作用点是固定的场景，力需与标定坐标轴重合。三维力传感器适用于力的方向随机 变化，但力的作用点保持不变，并且与传感器的标定参考点重合的场景。六维力传感器适用于力的方向和作用点都 在三维空间内随机变化的场景。因此，在复杂的灵巧手场景有对六维力传感器的需求。Optimus在手腕和脚腕关节使 用4个六维力传感器。

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编辑：火腿肠