解锁人形机器人“骨骼与肌肉”：核心零部件全剖析lg...

在科技飞速发展的当下，人形机器人不再是科幻电影中的专属，正逐渐步入现实生活，从工业生产到家庭服务，其应用场景不断拓展。而在人形机器人众多复杂精妙的构成部分中，有几类零部件堪称核心，是决定机器人性能优劣的关键所在，它们如同人类的“骨骼与肌肉”，支撑并驱动着机器人完成各种复杂动作。

一、执行器：动力与运动的核心

执行器是机器人运动系统的关键组成部分，主要包括线性执行器、旋转执行器和灵巧手，占据主要零部件价值量的70%，在人形机器人的运动控制中发挥着核心作用。线性执行器能将旋转运动转换为直线运动，用于腕、肘、膝、踝等关节及需直线运动的部件，由无框力矩电机、滚柱丝杠、力矩传感器、编码器和轴承构成。其中，行星滚柱丝杠是线性执行器的核心部件，主要依靠滚柱与丝杠、螺母之间的螺纹啮合传动来传递动力，进而将伺服电机的旋转运动转化为直线运动。与滚珠丝杠相比，行星滚柱丝杠拥有更多接触点，因而能够承受更高静态负载和动态负载，静载为滚珠丝杠的3倍，寿命为滚珠丝杠的15倍；刚度和抗冲击能力更强，因而转速和加速度更大；螺距设计范围更广，导程可设计更小。但行星滚柱丝杠工艺难度极大，核心工艺包括螺纹磨制和螺母内滚道磨制，反向式行星滚柱丝杠的工艺难度更大，对设备和精度要求极高，并且通过热处理、车削、磨削等1020余道工序逐一完成，制造精度高达P1级，是机器人零部件壁垒最高，国内卡脖子最严重的部分。

旋转执行器使关节旋转，用于肩、髋等关节及需旋转的部件，由无框力矩电机、减速器、力矩传感器、编码器和轴承构成。无框力矩电机结构紧凑，没有轴、轴承、外壳、反馈或端盖，仅由定子和转子组成，具备质量轻、体积小、集成度高、响应快、能效高等优势，适合扭矩需求大的场景，在中低速下能提供高扭矩，适合需要快速响应和高力矩的设备，如人形机器人，目前应用于人形机器人线性关节和旋转关节。在磁路和工艺设计方面，无框力矩电机存在一定技术壁垒，需要在低压供电的环境下输出更大功率；当前市场规模较小，国外技术较为领先。

灵巧手作为末端执行器，模仿人手结构与功能，可以实现物体的灵活抓取、力矩控制、力觉反馈等，集成触觉传感器、力矩传感器、视觉传感器等实现与环境交互，由空心杯电机、减速器、丝杠、腱绳、触觉传感器构成。空心杯电机在灵巧手中应用广泛，它具有体积小、重量轻、响应快、效率高等特点，但价格相对较高，不过随着采购量的增加，降本空间较大。以特斯拉人形机器人为例，其灵巧手的自由度提升后，空心杯电机、减速器等部件的用量大幅提高，使得灵巧手的价值占比不断上升。

二、减速器：精准传动的关键

减速器是连接动力源和执行装置的中间件，将转速降到各关节所需速度并增加扭矩，以满足对动力输出的要求，主要用于旋转关节和灵巧手，在人形机器人的整体价值构成中占比较高。优质的减速器能够提供稳定的传动和高精度的定位，从而保证机器人的运动稳定性和精度。人形机器人主要用到谐波减速器、RV减速器和行星减速器这三类减速器。

谐波减速器主要由柔轮、波发生器、钢轮三个部件组成，具有体积小巧、重量轻盈、传动比大等优势，在人形机器人的肘关节、腕关节等对精细操作要求颇高的部位应用颇为广泛。但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，绿的谐波打破国际品牌在国内机器人谐波减速器市场的垄断局面，其核心团队自2003年便开始投身谐波减速器研究，构建起自身坚实的技术壁垒，如今业务已拓展至机电一体化等产品领域，并与众多厂商达成合作。

RV减速器由两级减速结构组合而成，包括渐开线行星齿轮传动和摆线针轮行星传动，是一种精密的行星齿轮减速器，结构最复杂，体积大，高负载，适合重负载精密减速领域，主要用于基座、大臂等，价格最贵。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。在国产替代进程中，双环传动是行业内的重要代表，此外，珠海飞马、智同科技、中大力德等厂商同样具备针对大负载机器人减速器的定制化生产能力。

行星减速器由中心轮、行星轮、行星架和机架组成，具有结构简单、小体积、轻重量、高承载能力、传动效率最高（大于95%，谐波为70%，RV为80%）、传动精度最高（小于180，RV和谐波差不多，都是小于60）、寿命最长（大于20000h，谐波为8000，RV为6000）、平稳运动、低噪音、具有功率分流和多齿啮合独用的特性、较大输出扭矩等优点，多用于直角坐标机器人以及传统工业自动化。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。

三、传感器：感知世界的触角

传感器是人形机器人感知外界环境的重要窗口，通过它机器人能够获取周围环境的各种信息，从而做出相应的决策和动作。人形机器人通常配备多种传感器，包括视觉传感器、听觉传感器、力传感器、运动传感器和触觉传感器等。

力传感器，尤其是六维力传感器，能够同时测量沿着三个坐标轴方向的力以及绕着三个坐标轴方向的力矩，主要用在手腕脚腕等部位。六维力传感器单价昂贵，在人形机器人的成本中占比较高，但其对于机器人实现精准的力控制和操作至关重要。广西南宁一家专门生产力传感器的公司研发的六维力传感器，最高精度能达到0.2%，能够检测到1克的力。

视觉传感器如摄像头、激光雷达等，让机器人能够“看到”周围的环境，实现目标识别、定位、导航等功能。上海一家公司专注于人形机器人的视觉系统开发，未来他们认为人形机器人的视觉系统定位精度会由厘米级提高到毫米级，甚至达到0.1毫米。

触觉传感器模仿人类皮肤的感知功能，可使机器人在与物体接触时感知压力、纹理、温度等信息，增强机器人操作的灵活性和准确性。在灵巧手等部位集成触觉传感器，能让人形机器人更逼真地模仿人类手部的操作。

四、电机：动力的源泉

电机作为人形机器人的动力源，为机器人的运动提供动力，主要包括伺服电机、无框力矩电机、空心杯电机等。伺服电机即绝对服从控制信号指挥的电机，在控制信号发出之前，转子不动，通过接收电信号，能够精确控制速度、位置、角度，具有控制精度高，响应速度快等优点，一般安装在机器人关节处，提供精准的控制效果。

无框力矩电机前文已在执行器部分提及，它是一种特殊类型的永磁无刷同步电机，具备诸多优势，适合人形机器人的应用场景。空心杯电机则具有体积小、重量轻、响应快、效率高等特点，主要应用于灵巧手等对电机尺寸和性能要求较高的部位。

以特斯拉擎天柱Optimus为例，其核心零部件的组合和性能，支撑着机器人实现复杂的动作和任务。在未来，随着技术的不断进步和成本的降低，这些核心零部件将不断升级迭代，为人形机器人的大规模应用和发展奠定坚实基础。

从市场格局来看，目前在人形机器人核心零部件领域，国外企业在技术和市场份额上占据一定优势，但国内企业也在不断加大研发投入，积极追赶。在行星滚柱丝杠领域，欧美、日本企业主导全球70%滚珠丝杠市场，高端产品依赖进口，Rollvis、GSA、Ewellix、Rexroth四家公司在我国合计市占率约为78%，不过国内厂商如北特科技、贝斯特、南京工艺等也在努力追赶。在减速器领域，谐波减速器市场相对集中，国外的哈默纳科占主要地位，国内龙头为绿的谐波等；RV减速器方面，国外品牌也有较强竞争力，但国内双环传动等企业也在逐步实现国产替代。