人形机器人系列专题（二）：执行系统之旋转关节：扭矩跃升，动力内核

人形机器人系列专题（二）执行系统之旋转关节：扭矩跃升，动力内核证券研究报告2025年3月17日徐碧云投资咨询资格编号：S1060523070002证券分析师请务必阅读正文后免责条款电子行业 强于大市（维持）投资要点1执行器：驱动关节活动，电驱动已成主导。执行器即一体化关节，其本质是将电机的旋转运动转化为驱动连杆机构的运动。执行器当前占人形机器人整体成本约55%，性能和成本主要取决于核心零部件。根据动力来源，执行器可分为液压、气动和电驱动三类，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。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，不同之处在于传动机构：旋转执行器采用减速器，而线性执行器采用行星滚柱丝杠，国内大部分本体厂以旋转执行器方案为主。从趋势上看，高性能、智能化、微型化的一体化关节模组是降低人形机器人制造成本的关键。电机：产生驱动转矩，无框力矩电机应用广泛。电机是将电能转换为机械能的动力源，是人形机器人中最常用的驱动器件之一。机器人自由度越高，所需的电机数量越多。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。无框力矩电机以高转矩密度、紧凑结构和散热优势在人形机器人关节单元方案中广泛应用。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%。美国科尔摩根等海外厂商是行业的头部玩家，步科股份等国内领军企业与国际领先企业产品仍存在一定技术差距。减速器：增加扭矩，谐波和精密行星最适配人形。减速器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。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，各类减速 器 在 下游产品及应用领域方面各有侧重。本体厂基于不同减速器的特征、成本等因素的考量，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。投 资建 议： 国内大部分人形机器人厂商的执行器方案以旋转执行器为主，其旋转关节模组对扭矩密度、动态响应等指标要求更高，需强化定制化开发能力，降低本体企业研发成本，并可提升产品易用性及灵活性。未来随着技术的升级、产业链降 本 以及新型应用场景的不断拓展，人型机器人也有望早日商业化落地，国内上游执行器、电机、减速器等核心零部件相关公司也在积极布局，建议关注三花智控、震裕科技、绿的谐波、中大力德、步科股份、卧龙电驱、双环传动、雷赛智能、禾川科技、伟创电气等。风险提示：1）人工智能技术发展不及预期。2）行业竞争加剧风险。3）技术迭代不及预期。目录C O N T E N T S减速器：增加扭矩，谐波和精密行星最适配人形2执行器：驱动关节活动，电驱动已成主导电机：产生驱动转矩，无框力矩电机应用广泛投资建议及风险提示热点|宇树科技机器人H1在春晚出圈资料来源：觅途咨询、宇树科技公众号I，平安证券研究所3 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。特斯拉Optimus配置结构升级示意图宇树科技机器人H1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资料来源：觅途咨询、集邦咨询，平安证券研究所4 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。人形机器人产业链人形机器人关键零部件及潜在供应商5电力和液压驱动系统配置示例资料来源：hardwarefyi、河马机器人实验室，平安证券研究所波士顿动力驱动方式的变化动力源|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。6人形机器人各分系统示意图资料来源：中国传动网、GGII、前瞻产业研究院，平安证券研究所人形机器人各分系统占比分类|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。旋转执行器和线性执行器对比7Optimus采用的旋转关节执行器示意图资料来源：芝能科技、特斯拉，平安证券研究所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