人形机器人行业专题报告：旋转执行器技术全梳理

（报告出品方：招商证券）

一、旋转执行器：人形机器人传动核心部件

1、什么是机器人执行器？

机器人执行器将能量转化为机器人的机械运动，是机器人核心的传动部件。执行 器（Actuators）是又称为促动器、致动器、操动件、执行机构、驱动器或驱动 件，是一种将能源转换成机械动能的装置，并可借由执行器来控制驱使物体进行 各种预定动作。机器人执行器顾名思义则是在机器人中将能量转化为机械运动， 使机器人的关节转动或打开/关闭机器人夹具的装置。关节执行器安装在机器人 关节处，对应的是机器人的关节自由度；末端执行器指的是任何一个连接在机器 人边缘（关节）具有一定功能的工具，例如夹具、喷涂枪、弧焊焊枪等。1971 年，早稻田大学加藤一郎教授成功研制出世界上第一台三维双足机器人 WAP-3， 并实现静步行走，揭开了双足人形机器人研制的序幕。双足人形机器人相对于传 统轮式和履带式机器人有许多突出的特点，如双足人形机器人具有地面适应性好， 能耗小，工作空间大，双足或多足行走等，这些特点对机器人的机械结构及执行 器有很高的要求。

执行器常见的分类方法包括：

（1）按照运动类型分为：旋转执行器（Rotary Actuator）和直线执行器（Linear Actuator）。若最终末端执行器的运动结果为圆周运动（旋转），则为旋转执行 器。若最终运动结果为沿直线运动，则为直线执行器。旋转执行器用于旋转动作， 比如使机器人的手臂、脚踝灵活转动。直线执行器用于推拉，比如让机器人手臂 向前或向后伸展。

（2）按照能量来源分为：液压(Hydraulic)、气动(Pneumatic)、电机执行器 (Electric)。机器人中常用的执行器是电机执行器，即将电能转换为直线或旋转 运动，因为其精度最高、噪音最小、可轻松联网提供及时反馈信息。电动执行器 包括交流 AC/直流 DC 执行器，DC 执行器适用于较小功率和较低速度的场景， 如轻型机器人、家用机器人和小型自动化设备，AC 执行器适用于大功率和高速 度的场景，如工业机器人、高负载的自动化设备。

（3）电机执行器按驱动方式可分为：刚性执行器 TSA（Traditional Stiffness Actuator）、弹性执行器 SEA（Series Elastic Actuator）、准直驱执行器 PA （Proprioceptive Actuator）。刚性执行器主要由电机、高传动比减速器、编 码器、力矩传感器和控制板等组成，力矩传感器是可选择项。1983 年，早稻田 大学研究的 WL-10R 机器人使用刚性执行器，自此双足人形机器人开始广泛应用 刚性执行器为关节动力源。弹性执行器模拟肌肉系统功能，使关节表现出柔顺、 安全和高能量效率特性，包含串联弹性执行器、并联弹性执行器、离合弹性执行 器和多模态弹性执行器。1995 年，麻省理工学院的 Pratt 等提出了弹性执行器的 概念，拉开了弹性执行器研究的序幕，美国宇航局的机器人 Valkyrie 和意大利技 术研究院的机器人 Walk-Man 都使用了弹性执行器。准直驱执行器含义是依靠执 行器电机开环力控，不依赖于附加力或力矩传感器，就可以本体感知机器人脚部 和外界的交互力，也被称为本体执行器。2016 年，Wensing 等提出了准直驱执 行器的概念，并将其应用于四足机器人 Cheetah 和双足机器人 Hermes，准直驱 执行器成为最近几年研究的热点。本篇报告主要将系统性地介绍人形机器人用旋转执行器。

2、目前人形机器人旋转执行器设计方案都有哪些？

我们参考了目前国内外重要人形机器人旋转执行器厂商，总结出大部分厂商用的 是刚性或者刚性改良型设计方案，一般包含的核心部件有减速器（谐波减速器或 行星减速器）、电机（力矩电机）、控制器、编码器（位置传感器）、力/力矩 传感器和轴承。

特斯拉旋转执行器采用电机+谐波减速器+位置/力矩传感器+离合器设计方案。根 据特斯拉 2022 年 AI Day 资料，公司为 Optimus 开发了三款旋转执行器，小型 号扭矩20Nm，重量0.55kg；中型号扭矩11Nm，重量1.62kg；大型号扭矩180Nm， 重量 2.26kg。每一款旋转执行器都包含了角接触球滚珠轴承、机械离合器、谐 波减速器、交叉滚子轴承、输入/输出位置传感器（编码器）、永磁体（电机） 和非接触力矩传感器。由此，我们认为特斯拉 Optimus 旋转执行器采用的是刚性 +离合器的设计方案，既具备刚性执行器简单、高精度的特点，又引入离合器保 证动力传动的平稳。

小鹏 PX5 人形机器人执行器采用谐波减速器+行星减速器两种方案。根据鹏行智 能美国研究中心的运动控制总经理达兴烨在知乎上的介绍，小鹏 PX5 关节采用 了谐波和行星两种自研方案。该关节耐用性和可靠性高，平均无故障时间超过数 千小时。通过采用高精度力控模式，PX5 关节在触地感知和越障适应能力上，与 传统的位置控制方式相比性能更强。PX5 采用了超轻量级仿人机械臂，具备 7 自由度，重复定位精度 0.05mm，单臂最大负载 3kg，机械臂自重 5Kg，负载自 重比超 0.6，最大末端线速度 1m/s。

优必选设计了大型和中小型两种旋转执行器方案，其中大型方案包括了谐波减速 器和行星减速器两种方案。优必选设计的旋转执行器已经应用于公司自产人形机 器人 Walker、机械臂、人形机器人 Alpha 系列、服务机器人 Cruzr、教育机器人 Jimu 系列和消杀机器人 ADIBOT。其中，大型旋转执行器集成了高密度无框力 矩电机、双位置编码器、行星或谐波减速器和高性能处理控制器，支持最大扭矩 ≥200Nm，可满足高功率密度、大扭矩输出的需求；中小型旋转执行器由电控 板集成控制算法、导光件显示驱动器状态、齿轮组充当动力传输介质、电机产生 动力、舵盘连接输出。

小米 Cyber Gear 执行器采用高性能伺服电机+行星减速器+驱动器+单编绝对值 编码器方案。小米 Cyber Gear 目前已经装备 Cyber Dog 机器狗，集成减速器、 电机、驱动器为一体的设计思路，，优化减速器和电磁设计自研散热系统，提升 散热速度。Cyber Gear 扭矩密度可达 37.85Nm/kg、功率密度可达 511.04W/kg， 定转子采用优质选材和铁芯包塑工艺，提升了性能和耐久度。通过仿真算法精准 模拟，去除 20%重量冗余。Cyber Gear 采用模内注塑内齿圈，槽满率达 55%。电机力矩控制精度高，可达到 ±0.2Nm@<3Nm，±0.4Nm@<8Nm，± 5%@<=12N.m；配合 FOC 控制，电机 0-90%峰值扭矩响应时间降低至 20ms。

智元 PowerFlow 关节电机（执行器）采用了准直驱关节方案，包含行星减速器、 共轭同轴双编码器。智元远征 A1 具身智能机器人装备智元自研的 PowerFlow 关 节电机（执行器），该执行器使用了准直驱关节方案，实现了低齿槽转矩设计， 搭配 10 速比以内的高力矩透明度行星减速器、共轭同轴双编码器、一体液冷循 环散热系统，以及自研的矢量控制驱动器，峰值扭矩超过 350NM，而重量仅为 1.6KG。

傅利叶智能自研 FSA 高性能一体化执行器集成电机+驱动器+减速器+编码器。傅利叶智能首款 GR-1 通用人形机器人搭载自研 FSA 高性能一体化执行器，最 大关节模组峰值扭矩可达 300NM。傅里叶智能的执行器研发工作于 2018 年内部 立项。自傅里叶智能外骨骼机器人二代产品发布时，傅里叶智能开始在机器人上 搭载自研一体式执行器。后来，傅里叶智能又为人形机器人打造了多款不同的一 体式执行器，包括该款用于 GR-1 机器人的执行器。

宇树 M107 关节电机（执行器）核心零部件包括伺服电机、减速器、控制器均为 宇树自研自产。2023 年 8 月，宇树发布 H1 人形机器人，宇树专门为 H1 人形机器人设计了扭矩密度更高的 M107 关节电机，应用在 H1 人形机器人的两个膝关 节上，峰值扭矩达到 360Nm，而髋关节电机扭矩则为 220Nm，踝关节为 45Nm， 手臂关节则为 75Nm。得益于 M107 大功率高密度关节电机加持，H1 人形机器 人整身拥有 19 个自由度，其中腿部共有 10 个自由度，腰部有 1 个自由度，手 臂总共有 8 个自由度，目前 H1 人形机器人行走速度可以达到 1.5m/s，潜在运动 能力可达 5m/s。

绿的谐波 KAH 旋转执行器将谐波减速器、力矩电机、电磁制动器、编码器、驱 动器等集成一体；KAT 旋转执行器融合高精度谐波减速器、无框力矩电机、中 空轴高分辨率绝对值编码器、制动器、智能传感器等于一体。（1）KAH 系列产 品具备高精度、大转矩、中空孔、长寿命、响应快、低震动等特点，产品广泛应 用于数控机床、激光加工、电子与半导体、工厂自动化、医疗器械、机器人、物 流自动化、太阳能光伏系统、LED 设备、检测设备、印刷机械、精密测量仪器等 领域。（2）KAT 系列产品加大孔径中空轴旋转执行器提供高转矩、高精度旋转 执行动作，相比于 KAH 系列， KAT 系列提供更大孔径的内部贯通孔，可方便穿 过更多线缆、气管、激光束等等,简化系统结构。

二、旋转执行器核心部件

1、减速器

减速器是原动机和工作机之间独立的闭式传动装置，用来降低转速和增大转矩以 满足各种工作机械的需要。机器人运动时，一般是伺服电机在输出动力。如果不 加减速器，伺服电机将在低速下工作，容易出现震动或爬行现象。所以减速器主 要用来降低转速、增加转矩，以提高机器人执行重复动作时的定位精度，是机器 人最为关键的零部件之一。在工业机器人或人形机器人领域，常见的减速器有谐 波减速器、RV 减速器、摆线针轮行星减速器、精密行星减速器和滤波减速器。

（1）旋转执行器减速器种类

谐波减速器利用行星齿轮传动原理，由波发生器、柔轮和刚轮组成，依靠波发生 器使柔轮产生可控弹性变形，靠柔轮与刚轮啮合来传递运动。优点有运动精度高、 传动比大、质量小、体积小、传动惯量小等。最重要的是能在密闭空间传递运动， 这是其他任何机械传动无法实现的。其缺点是，柔轮每转发生两次椭圆变形，易 引起材料疲劳损坏，损耗功率大；扭转变形角达到 20'～30'甚至更大，受轴承间 隙等影响可能引起 3'-6'的回程误差，不具有自锁功能。目前，谐波减速器已广泛 应用于航天航空、机器人、精密加工设备、雷达设备、医疗设备等领域。国外谐 波减速器厂家有日本的 Harmonic Drive；国内主要生产厂家有北京中技克美、北 京谐波传动所、苏州绿的等。

RV 减速器由一个行星齿轮减速机的前级和一个摆线针轮减速机的后级组成。RV 减速器从传统针摆行星减速器的基础上发展起来，优点包括体积小、质量轻、传 动比范围大、寿命长、精度保持稳定、效率高、传动平稳、承载能力较大等。目 前，RV 减速器被广泛应用于工业机器人，机床，医疗检测设备，卫星接收系统 等领域。相比谐波减速器，RV 减速器具有高得多的疲劳强度、刚度和寿命，而 且回差精度稳定。因此，在高精度机器人领域 RV 减速器有逐渐取代谐波减速器 的趋势。

摆线针轮行星减速器应用行星式传动原理，采用摆线针齿啮合，结构上分为输入、 减速、输出三部分。输入轴上装有一个错位 180°的双偏心套，偏心套上装有两 个称为转臂的滚柱轴承，形成 H 机构。两个摆线轮的中心孔即为偏心套上转臂轴 承的滚道，并由摆线轮与针齿轮上一组环形排列的针齿相啮合，以组成齿差为一 齿的内啮合减速机构。摆线针轮行星传动是行星轮采用变幅外摆线的一种少齿差 行星齿轮传动，属于 K－H－V 行星齿轮传动。摆线针轮行星减速器一级传动效 率达 0.9-0.95，可代替两级普通圆柱齿轮减速器，体积可减少 1/2-2/3，质量约 减少 1/3-1/2。缺点是机构太复杂；制造安装精度要求太高；转臂轴承受力大， 影响轴承寿命和承载能力。摆线针轮行星减速器广泛应用于矿山、化工、起重机 械、工程机械等领域。

精密行星减速器主要结构包括行星轮，太阳轮，外齿圈。结构原因造成该类减速 器单级减速比最小为 3，最大一般不超过 10。常见减速比为:3，4，5，6，8， 10。减速机级数一般不超过 3，但部分大减速比定制减速机有 4 级减速。相对其 他减速机，行星减速机具有高刚性、高精度(单级可做到 1'以内)、高传动效率(单 级在 97%～98%)、高扭矩/体积比、终身免维护等特点。因此，行星减速机多数 安装在步进电机和伺服电机上，用来降低转速，提升扭矩，匹配惯量。现在市场 上的产品有国外的 SEW、FLENDER、瑞德森、Sumitomo、NORD、AB、ABB；国内的汉星、四通等。

滤波减速器是在谐波传动基础上发展起来的一种新型精密传动机构。该减速器由 重庆大学梁锡昌、王家序教授发明，属于 NN 型少齿差减速器，由偏心减速机构、 滤波花键机构、三向止推轴承 3 大部分组成。优点包括运动精度高、传动效率高、 刚度大、传动比大、承载能力大、体积小、寿命长等。

（2）人形机器人需要什么样的减速器？

谐波减速器是最适合人形机器人旋转关节的减速器。国内外的机器人关节模组通 常采用谐波减速器。原因是，1)相比 RV 减速器，谐波减速器具有体积小、质量 小、运动精度高并能在密闭空间和介质辐射的工况下正常工作的优点，这使其在 机器人小臂、腕部、手部等部件具有较强优势。谐波减速器已经广泛应用于协作 机器人、服务机器人等轻负载领域。RV 减速器传动比范围大、精度较为稳定、 疲劳强度较高，并具有更高的刚性和扭矩承载能力。虽然 RV 减速器容许力矩负 载可达 8000Nm，但较大的重量和尺寸也使它难以轻负载领域发展。此外，RV 减速器零部件数量多、制造和装配难度大，不利于大规模生产。2）相比摆线针 轮行星减速器，谐波减速器在 20kg 以下轻负载设备及精度要求极高的应用场景下更具优势。3）相比精密行星减速器，谐波减速器设计简单、质量小、背隙更 小并且精度更高，因而更适合机器人关节模组。

精密行星减速器是谐波减速器在人形机器人关节上潜在的替代方案。精密行星减 速器价格低于谐波减速器，并且承载能力和效率更强。在对精度要求较低的关节 上使用行星减速器取代谐波减速器能够降低机器人生产成本。已有机器人本体公 司采用行星减速器替代谐波减速器，用于生产机器人旋转执行器。例如，小鹏 PX5 人形机器人关节、优必选大型旋转执行器都有谐波、行星减速器两种方案；小米 CyberDog 的 CyberGear 使用了行星减速器；智元具身智能机器人远征 A1 搭载的自研关节模组PowerFlow 使用了10 速比以内的高力矩透明度行星减速器。

2、电机系统

（1）机器人常用电机为伺服电机

电动机是将电能转化为机械能的机器，用于产生扭矩来提升负载、移动物体和各 种其他机械工作。电机可以分为直流和交流电机，直流电机可以分为有刷、无刷 和空心杯直流电机，交流电机可以分为同步电机和异步电机。以下是电机的常见 分类方法：

按照电源电流类型：分为直流电机和交流电机。1）直流电机包括有刷和无刷直 流电机，其中有刷直流电机还可以按照励磁方式可以分为永磁直流电机和励磁直 流电机。永磁电机内部的永磁体产生恒定的磁场，使电机的转子在电流通过时产 生扭矩。励磁直流电机则需要外部提供励磁电流来产生磁场。直流电机通常适用 于需要快速响应和精确控制的应用，例如工业机器人的关节和执行器部件；2） 交流电机包括异步电机（如感应电机）和同步电机（如永磁同步电机）。“异步” 是因为其转子速度不同步于旋转磁场的速度。当交流电通过定子线圈产生旋转磁 场时，转子受到感应作用而开始旋转，因此感应电机的转速略低于旋转磁场的同 步速度。“同步”意味着其转速与旋转磁场速度同步。当交流电通过定子线圈产 生磁场时，永磁体与磁场同步运动，从而产生转矩。交流电机具有高效、稳定运 行等特点。按照电机的作用：分为动力电机和控制电机。1）动力电机可以按照运动类型分 为直线电机和旋转电机。直线电机可以在直线方向上产生高精度和高速的运动， 广泛应用于印刷机、数控机床、激光切割机等。旋转电机的输出轴可以连接到旋 转设备，如风扇、泵、机器人关节等；2）控制电机是用来控制其他设备或机械 的电机，包括步进电机（Stepper Motor）、伺服电机（Servo Motor）、测速 电机和力矩电机（Torque Motor）等。其主要作用是控制运动的速度、位置、 方向等，适用于自动化系统、机器人、CNC 机床等。

伺服电机是一种特殊类型的电机，用于推/拉或提升或以特定角度旋转物体。伺 服电机可以设计为在交流和直流电源下运行。伺服电机具有齿轮组件、控制器、 传感器和反馈系统。齿轮组件用于降低速度并增加扭矩，控制器用于比较输入信号（期望位置）和通过反馈系统获取的传感器信号（舵机的实际位置）。“闭环控制”（Closed Loop Control）是伺服电机控制系统中的一个重要概念。它意味着控制系统通过实时的反馈信号来监测和调整电机的运动，并且可以通过 反馈修正偏差，使电机能更准确地跟踪目标运动。伺服电机的工作原理是依靠脉 冲定位，电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，发出的脉冲信号和接 受的脉冲形成呼应，从而实现精确的定位。步进电机通常是开环控制，通过逐步输入脉冲信号来驱动电机。每次脉冲使电机 转动一个固定的步距角，没有反馈回路，因此运动是离散的，没有实时的位置反 馈。但步进电机结构更简单，因此适用于数控机床、3D 打印机等简单应用和相 对低成本的场景，伺服电机在精确位置控制和高性能方面具有优势，适用于工业 自动化、机器人、CNC 机床等运动控制领域。

（2）Optimus 旋转执行器采用力矩电机

根据特斯拉 2022 年 AI Day 资料，Optimus 的旋转执行器由无框力矩电机、谐 波减速器和编码器构成。不同于伺服电机以扭矩、位置、速度等三种模式控制方 向，力矩电机是以扭矩为控制方向的电机，采用“开环控制”方式，具有软机械 特性和宽调速范围。力矩电机具有软的机械特性，可以堵转。当负载转矩增大时 能自动降低转速，同时加大输出转矩。力矩电机是一种特殊类型的无刷永磁同步电机。由于负载直接连接转子，不需要 任何传动件，因此力矩电机属于直驱电机。与直线电机类似，力矩电机也是一种 “无框”电机，即没有轴、轴承、外壳、反馈或端盖，只包含定子和转子，其转 子为中空结构，方便关节的内部走线。力矩电机的重要特点之一是结构紧凑体积 小、重量轻，可实现 “零传动链”、无机械摩擦、365 天免维护、精度长久保 持。因此力矩电机在机器人关节、医疗机器人、传感器万向节、无人机推进和制 导系统具有广泛的应用前景。

目前，无框力矩电机已经在部分四足和双足机器人中得到运用，比如由美国麻省 理工学院 MIT 研发的 Cheetah 四足机器人、欧洲联盟资助设计的 WALK-MAN 双足机器人等。Cheetah 机器人需要完成步行、跑步、跳跃等动作，在跑步时最 高速度可达 13.5m/s。为了在极短时间内控制地面反作用力，机器人方案中采用 准直驱执行器，电机为无框力矩电机，因为无框力矩电机具有软机械特性和宽调 速范围等特点。WALK-MAN 双足机器人定位为救灾机器人，主要目标是在灾难 性环境中执行危险任务，例如火灾、核泄漏等情况下的紧急响应，需要装载激光 雷达、摄像头、深度相机等多种传感器，最终选择无框力矩电机搭配谐波减速器 的设计方案。

力矩电机有望伴随人形机器人的量产迎来增量市场。根据咨询机构 technavio 的 数据，2022 年全球力矩电机市场规模大约 4.87 亿美元，预测到 2027 年市场规模大约 7.15 亿美元，CAGR=8.01%。根据步科股份官方信息，目前无框力矩电 机的产品单价是几百元至几千元不等，针对不同的功率段和尺寸，价格会有所不 同。无框力矩电机在在人形机器人中的应用潜力巨大，特斯拉 Optimus 机器人共 使用了 28 个无框力矩电机。假如人形机器人远期进入量产阶段，在悲观/中性/ 乐观假设下，年产人形机器人为 20/50/100 万台，保持单机用量为 28 个，无框 力矩电机单价随着量产规模增加而下降，分别为 1000/800/600 元/个，对应市场 空间为 56/112/168 亿元。

3、编码器

（1）编码器的概念和分类

1. 心有余悸！奥委会突然发文：他们差点毁了全红婵！

2. 认缴出资额需五年内缴足！《公司法》重大修改！认缴制要被“取消”了？

3. 已经不是那个努力就能成功的时代了

4. 穷人为什么不去超市买袋装面，反去便利店买贵得多的杯面吃？原因很残酷

5. “想到自己蒸发的90万，我都没心情打工了”