人形機器人作為智能制造與人工智能深度融合的終極載體，其技術體系呈現(xiàn)多學科交叉融合的復雜特征，涵蓋機械結構、傳感感知、智能控制、新材料應用等核心領域。相較于傳統(tǒng)工業(yè)機器人，人形機器人需模擬人類復雜運動姿態(tài)與環(huán)境交互能力，對零部件的精密性、可靠性及系統(tǒng)協(xié)同性提出極致要求。本文從關節(jié)驅動、感知系統(tǒng)、連接系統(tǒng)、控制系統(tǒng)四大核心維度，系統(tǒng)解析人形機器人的技術架構與產業(yè)格局，為人形機器人核心產業(yè)發(fā)展提供專業(yè)參考。

 

一、關節(jié)驅動系統(tǒng)：運動實現(xiàn)的核心載體

 

關節(jié)系統(tǒng)作為人形機器人實現(xiàn)仿生運動的基礎，其成本占比高達55%，按運動形式可分為旋轉關節(jié)、直線關節(jié)及靈巧手三大類，各類關節(jié)通過電機-傳動-執(zhí)行的一體化設計實現(xiàn)精準運動控制。

 

（一）旋轉關節(jié)

 

旋轉關節(jié)承擔軀干與肢體的旋轉自由度實現(xiàn)功能，14個旋轉關節(jié)合計成本占比約14.1%，核心構成包括驅動器、無框力矩電機、諧波減速器、編碼器、機械離合器及軸承等關鍵部件。

 

無框力矩電機作為旋轉與直線執(zhí)行器的動力核心，采用定子與轉子分離的模塊化設計，可直接集成于關節(jié)結構中，有效縮減安裝空間。其產業(yè)鏈上游依賴鋼鐵、銅、鋁等磁性材料及高精度編碼器，中游通過精密制造實現(xiàn)定子繞組與轉子磁路的優(yōu)化匹配，下游廣泛應用于機器人、醫(yī)療設備等高端領域。以特斯拉Optimus為例，其14個線性執(zhí)行器與14個旋轉執(zhí)行器均采用無框力矩電機，凸顯其在高端人形機器人中的核心地位。

 

諧波減速器是旋轉關節(jié)的關鍵傳動部件，在整機成本占比高達35%，14個旋轉關節(jié)均需配備該部件。其由波發(fā)生器、柔輪和剛輪三大核心組件構成，通過柔輪的彈性形變實現(xiàn)減速傳動，具有傳動比大、精度高、體積小的優(yōu)勢。

 

軸承系統(tǒng)在旋轉關節(jié)中承擔支撐與減摩功能，具有種類多、用量大的特點。關節(jié)連接部位需搭配角接觸軸承、交叉滾子軸承等實現(xiàn)高精度旋轉支撐，諧波減速器內部則依賴柔性軸承、滾針軸承保障傳動穩(wěn)定性。軸承的精度等級與壽命直接影響關節(jié)運動的可靠性，是人形機器人長期服役的重要保障。

 

（二）直線關節(jié)

 

直線關節(jié)主要實現(xiàn)肢體的伸縮運動，14個直線關節(jié)合計成本占比約35.4%，其核心構成在旋轉關節(jié)基礎上新增行星滾柱絲杠等關鍵傳動部件，軸承系統(tǒng)則以深溝球軸承、四點接觸軸承為主。

 

行星滾柱絲杠是直線關節(jié)的核心傳動元件，也是整機最高價值的零部件環(huán)節(jié)，成本占比約28.6%。與傳統(tǒng)滾珠絲杠相比，其通過滾柱與絲杠、螺母的線接觸傳動，具有承載能力強、壽命長、精度高的優(yōu)勢，完全適配人形機器人對高負載與高可靠性的需求。

 

（三）靈巧手

 

靈巧手承擔精細操作功能，2個手部關節(jié)合計成本占比約5.5%，核心部件包括空心杯電機/無刷有齒槽電機、編碼器、精密行星減速器、行星齒輪箱及蝸輪蝸桿等。

 

空心杯電機作為靈巧手末端執(zhí)行器的優(yōu)選方案，采用無鐵芯轉子設計，徹底消除了鐵芯渦流損耗，具有效率高、體積小、響應快的優(yōu)勢。其電樞繞組呈空心杯狀結構，主要由空心杯繞組、轉子組件、傳感器組件等構成，核心技術壁壘集中于線圈設計、精密繞線工藝及專用設備開發(fā)。特斯拉Optimus靈巧手采用6電機驅動方案，單只手部需配備12個空心杯電機，凸顯其對精細驅動的需求。

 

精密行星減速器在靈巧手傳動中發(fā)揮關鍵作用，由太陽輪、行星輪、內齒圈三大核心部件構成，通過多齒嚙合實現(xiàn)動力傳遞與減速。全球精密行星減速器市場中，日本新寶、德國紐卡特等國外巨頭占據(jù)45%的市場份額，國內科峰智能、紐氏達特、威騰斯坦等廠商引領國產替代進程，中大力德、南方精工等企業(yè)也已完成相關技術布局。

 

二、感知系統(tǒng)：環(huán)境交互的智能基礎

 

感知系統(tǒng)是人形機器人獲取外部環(huán)境信息與自身狀態(tài)的核心，相當于人類的五官，主要包括機器視覺、觸覺傳感、力/力矩傳感及慣性測量等子系統(tǒng)，其性能直接決定機器人的環(huán)境適應能力與操作精度。

 

（一）機器視覺系統(tǒng)

 

機器視覺系統(tǒng)為機器人提供"視覺感知"能力，通過"光源-鏡頭-相機-圖像采集-算法處理"的技術鏈路實現(xiàn)環(huán)境識別與定位，其底層邏輯是為機器植入"人眼與大腦"。該系統(tǒng)成本構成中，工業(yè)相機占比約27%，是核心成像部件。工業(yè)相機作為機器視覺系統(tǒng)的"視網(wǎng)膜"，負責圖像信號的采集。圖像采集卡承擔圖像數(shù)據(jù)的傳輸與轉換功能，是連接相機與計算機的關鍵樞紐。3D視覺技術是機器視覺的前沿方向，通過飛行時間（ToF）法、結構光法等技術路線實現(xiàn)三維環(huán)境重建，為人形機器人提供深度感知能力；圖像處理軟件及算法平臺是機器視覺系統(tǒng)的"大腦"，能顯著提升方案附加值。

 

（二）核心傳感器系統(tǒng)

 

人形機器人的感知能力依賴觸覺傳感器、視覺傳感器和力/力矩傳感器的協(xié)同工作，同時輔以慣性測量單元（IMU）實現(xiàn)姿態(tài)感知。

 

觸覺傳感器分為柔性與剛性（MEMS為主）兩類，主要實現(xiàn)接觸力、紋理識別等感知功能。

 

力/力矩傳感器能使機器人實時感知操作力，通過末端力控或關節(jié)力控方式調整姿態(tài)，保障操作穩(wěn)定性與精度。按測量維度可分為一維至六維力傳感器，其中六維力傳感器能提供最全面精準的力覺信息，是高端人形機器人的必備部件。

 

IMU（慣性測量單元）負責實時測量機器人在三維空間中的角速度和加速度，是實現(xiàn)姿態(tài)控制的關鍵部件。

 

三、連接系統(tǒng)：信號與動力傳輸?shù)年P鍵紐帶

 

連接系統(tǒng)作為人形機器人的關鍵，承擔各功能模塊間的電力傳輸、信號交互與數(shù)據(jù)通信功能，其可靠性直接影響整機運行穩(wěn)定性。相較于工業(yè)機器人，人形機器人的連接系統(tǒng)需適應運動狀態(tài)下的動態(tài)連接需求，同時滿足小型化、輕量化、抗干擾的嚴苛要求。

 

（一）核心連接部件

 

人形機器人連接系統(tǒng)主要由連接器、電纜組件及線束三大類部件構成。連接器按功能可分為電力連接器與信號連接器，電力連接器需滿足高壓大電流傳輸需求，適配電機驅動系統(tǒng)的功率供給；信號連接器則需保障傳感器數(shù)據(jù)與控制指令的低延遲、高保真?zhèn)鬏敚糠指叨藞鼍靶柚С?0Gbps以上的數(shù)據(jù)傳輸速率。

 

電纜組件需結合機器人運動特性進行特殊設計，采用柔性導體與耐彎折護套材料，可承受百萬次以上的彎曲疲勞測試，避免運動過程中出現(xiàn)斷線故障。線束系統(tǒng)則需通過合理的布線設計與固定方案，減少運動干涉與信號干擾，同時便于維護檢修。

 

當前全球高端機器人連接器市場由安費諾、泰科電子，萬連科技、德國浩亭、電子谷等企業(yè)主導，均已實現(xiàn)中高端產品突破，在傳輸性能、可靠性等指標上逐步接近國際先進水平。針對人形機器人的特殊需求，一些企業(yè)如電子谷正加速開發(fā)小型化、高可靠、耐彎折的專用連接解決方案，推進核心部件的國產替代進程。

 

四、控制系統(tǒng)：整機運行的"智慧大腦"

 

控制系統(tǒng)作為人形機器人的決策與指揮中心，負責接收感知數(shù)據(jù)、生成運動指令并驅動執(zhí)行機構，其性能直接決定機器人運動的流暢性與操作的精準性。相較于工業(yè)機器人，人形機器人需處理多模態(tài)感知數(shù)據(jù)，控制40個關節(jié)執(zhí)行器的協(xié)同運動，對控制系統(tǒng)的實時算力與集成度提出更高要求。

 

（一）技術架構與核心要求

 

人形機器人控制系統(tǒng)采用"主控系統(tǒng)-控制器-驅動器"的三級架構，基于"感知-決策-執(zhí)行-反饋"的閉環(huán)控制邏輯運行。主控系統(tǒng)承擔全局決策與任務規(guī)劃功能，需具備強大的數(shù)據(jù)處理與算法運行能力；控制器負責運動規(guī)劃與指令分解，將任務目標轉化為具體的關節(jié)運動參數(shù)；驅動器則將控制信號轉換為驅動電流，精準控制電機運行狀態(tài)。

 

實時性是控制系統(tǒng)的核心要求之一，關節(jié)控制指令的響應延遲需控制在毫秒級甚至微秒級，才能保障運動的流暢性與穩(wěn)定性。同時，控制系統(tǒng)需具備高度集成性，在有限空間內實現(xiàn)多通道信號的處理與傳輸，還要具備良好的擴展性，適配不同場景的功能升級需求。

 

（二）產業(yè)發(fā)展特征

 

當前人形機器人控制系統(tǒng)呈現(xiàn)"自主集成+核心外購"的發(fā)展特征，整機廠商通常自行進行控制算法開發(fā)與系統(tǒng)集成，以實現(xiàn)對自家機器人的深度適配，而核心芯片、傳感器等零部件則從上游采購。控制算法與控制器設計是形成技術壁壘的關鍵，直接決定機器人的運動性能與交互體驗。

 

從產業(yè)分工來看，人形機器人控制系統(tǒng)可能延續(xù)工業(yè)機器人的發(fā)展模式，由本體制造商主導控制器開發(fā)與集成，同時與專業(yè)芯片廠商、算法公司開展深度合作。國內匯川技術、埃斯頓等工業(yè)機器人企業(yè)已具備控制器開發(fā)能力，正逐步將技術優(yōu)勢延伸至人形機器人領域，為控制系統(tǒng)的國產化奠定基礎。 

 

人形機器人作為高端制造的集大成者，其技術體系的成熟與產業(yè)化進程依賴關節(jié)驅動、感知系統(tǒng)、連接系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等核心環(huán)節(jié)的協(xié)同發(fā)展。當前全球人形機器人產業(yè)正處于技術突破與產業(yè)化的關鍵階段，各核心環(huán)節(jié)均呈現(xiàn)"國際領先+國產追趕"的競爭格局。

 

從技術發(fā)展趨勢來看，關節(jié)驅動系統(tǒng)將向高精度、高負載、長壽命方向演進，感知系統(tǒng)將向多模態(tài)融合、高精度與低功耗方向發(fā)展，連接系統(tǒng)將向小型化、高可靠、耐彎折方向升級，控制系統(tǒng)將向高算力、低延遲、高集成方向突破，材料體系將向輕量化、多功能、低成本方向優(yōu)化。

 

在國產替代浪潮下，國內企業(yè)已在多個核心環(huán)節(jié)實現(xiàn)技術突破，隨著研發(fā)投入的持續(xù)增加與產業(yè)生態(tài)的不斷完善，人形機器人核心部件的國產化率將逐步提升。未來，只有在核心技術研發(fā)、產業(yè)鏈協(xié)同與應用場景拓展等方面形成綜合優(yōu)勢的企業(yè)，才能在激烈的市場競爭中占據(jù)主導地位，推動國內人形機器人產業(yè)實現(xiàn)高質量發(fā)展。