人工智能技术深刻改变了人类的生活，而搭载了AI大模型的人形机器人也迎来了热潮，关于人形机器人的话题时常霸占科技圈热点话题“C位”。

人形机器人之所以备受重视，其中一个因素是，人形机器人是具有与人类似的身体结构和运动方式的智能机器，是人工智能技术的主要载体，也更能与人类进行情感交互。

当然，制造人形机器人并不是那么简单的事情，人形机器人需要模拟人类的外观和行为。可以说人形机器人是一个非常复杂的多学科系统，其背后涉及的零部件数量庞大，作用关键。

今天我们就来梳理一下，人形机器人的核心零部件。

一、传感器 —— 人形机器人的感知触角

力矩传感器

人形机器人要想拥有类人般的直觉与反应能力，力矩传感器是核心组成部分之一。它能够感知并度量力，就如同人类的触觉神经一般，在机器人关节处起着关键作用。

按照测量维度来划分，力矩传感器可分为一至六维力传感器。当力的方向和作用点固定时，一维力传感器就能派上用场，这种传感器在工业领域应用颇为广泛，而且价格相对较为便宜，大多为数百元。若力的方向随机变化，但作用点保持不变，那么三维力传感器就比较适用了。而在力的方向和作用点都在三维空间内随机变化的复杂情况下，则需要依靠六维力传感器来进行测量了，它能够同时测量三个方向的力和三个方向的力矩，为机器人提供全方位的力觉信息，像在人形机器人抓取物体时，它就能实时反馈物体的重量和形状，助力机器人调整抓取力度和姿态，实现精细操作、保持平衡以及避免损坏。

值得一提的是，六维力传感器通过内部算法可以解耦各方向力和力矩间的干扰，进而实现更为精准的力的测量。在这一领域，国内近年来取得了显著进展，越来越多的国产厂商开始涉足其中，比如坤维科技、宇立仪器、鑫精诚等，还有汉威科技、柯力传感、申昊科技等一批优秀的国内厂商也在积极布局。

编码器

编码器在人形机器人中扮演着不可或缺的角色，它能够将机械运动转换为电信号输出，对于人形机器人运动的精密控制和精准定位起着至关重要的作用。

从不同的分类角度来看，编码器有着多样的类型。按照测量类型区分，可以分成直线 / 线性编码器和旋转编码器。直线 / 线性编码器主要用于测量物体的直线位移，通常由传感器和标尺组成，标尺固定在物体上，传感器测量标尺上的位置信息，在机械加工、数控机床、3D 打印、半导体制造等领域应用较多，光栅尺就是其典型代表。而旋转编码器则是用来测量物体的旋转角度，可直接安装在物体上以测量其旋转运动，在自动化控制系统、机器人、航空航天、汽车、医疗设备等诸多领域都有着广泛应用。

若按照输出信号来分类，编码器又可分为增量式编码器和绝对式编码器。增量式编码器是一种位置和速度传感器，它提供相对于某个初始位置或上一个测量点的位置变化信息，其内部通常包含一个码盘，与读头对应，读头中的光电传感器等检测码盘上的光栅线，当码盘旋转或移动时产生脉冲信号，通过计数脉冲来跟踪位置变化，它的优点是原理构造简单，机械平均寿命长，抗干扰能力强，可靠性高，适合长距离传输，不过无法输出轴转动的绝对位置信息，适用于成本敏感且对绝对位置精度要求不高的应用场景。绝对式编码器则是一种位置传感器，能提供设备在绝对坐标系中的位置信息，它的码盘上有按特定模式排列的编码线或槽，读头检测码盘上的编码信息，每个位置都有唯一编码对应，无需依赖参考点或复位信号确定位置，常用于需要高精度、高可靠性和简便性的应用场景。

从技术原理角度出发，编码器还可分为磁编码器、光编码器以及电感编码器。磁编码器利用电磁感应原理，通过磁性传感器、磁环和信号处理器，感应磁场变化来确定位置信息，不受光线、尘土和液体等外界干扰，能实现高速度、高精度的测量，常用于机床、机器人等高精度控制系统中。光编码器也就是光电编码器，借助发光元件、光敏元件及刻有透光和不透光线条的码盘，利用光学原理将机械位置转换为电信号，通常用于精确的位置反馈和速度控制，有着高精度、高速度、长寿命、抗干扰能力强且易于安装等优点，在工业自动化控制系统中应用广泛。电感式编码器则是依据法拉第电磁感应定律，通过码盘上的磁性材料与感应头中的线圈相互作用产生变化磁场，进而在线圈中产生感应电流，根据电流变化确定码盘位置和移动速度，来实现位置和速度的测量。

在人形机器人的实际应用中，旋转关节一般需要配备两个编码器以保障准确度和稳定性，线性关节和灵巧手则通常需要一个编码器，从而确保机器人能够按照预定要求精准运动。

其他传感器

人形机器人要与外界环境进行有效的交互，感知内外部环境，离不开多种传感器的协同配合，像视觉、声音、雷达、压感、光感等传感器就构成了其感知的基础，它们相当于机器人与外界交流的 “眼睛” 和 “耳朵”，助力机器人实现数据采集与环境认知。

视觉传感器可谓是机器人的 “眼睛”，它能够利用环境和物体对光的反射来获取及感知信息，并且将物体图像转化为数字信号，再对图像进行处理和分析。按照图像信息获取维度、处理数据类型的不同，机器视觉可划分为 2D 视觉与 3D 视觉。2D 视觉通过工业相机获取平面图片，主要基于物体的一个平面特征进行后续分析，没办法获取物体的空间坐标信息。而 3D 视觉能够采集视野内空间每个点位的三维坐标信息，通过算法获取三维立体成像，进而分析得出目标对象在空间中的位置、形状、体积、平面度等信息，以实现检测、引导、测量、定位等功能，比如帮助人形机器人完成人脸识别、距离感知、避障、导航等，使其更加智能化。当前，人形机器人主流视觉解决方案中，像多目立体视觉和 iToF 法等被较多采用，不过在全球市场上，美国和日本的相关公司占据了较大份额，我国的机器视觉市场起步稍晚，但也有奥比中光、伟景智能、远形时空等企业在不断发展，还有海康威视、大恒科技等国内大厂也在机器视觉领域持续投入研发，提升技术水平。

声音传感器则让机器人能够 “听” 到外界的各种声音，比如可以识别语音指令、感知环境中的异常声响等，这对于机器人与人的交互以及对周边环境状况的判断都有着重要意义。

雷达传感器能通过发射和接收电磁波来探测目标物体的距离、速度、角度等信息，帮助机器人在复杂环境中进行障碍物检测、路径规划等，保障其行动的安全性和合理性，特别是在一些大范围、远距离的环境感知场景下发挥着关键作用。

压感传感器能够感知外界施加的压力，当机器人与物体接触或者在不同的支撑面上时，可以根据压力情况来调整自身的动作和姿态，例如在抓取物体时，通过压感判断抓取力度是否合适，或者在行走过程中，依据脚底的压感适应不同地形。

光感传感器可以检测光线的强弱、颜色等信息，使得机器人能够根据环境光线变化来调整自身的视觉模式，比如在强光下自动调节曝光或者在昏暗环境中增强视觉敏感度，更好地完成各种任务。 这些不同类型的传感器相互配合，共同为人形机器人构建起了一个较为全面的环境感知体系，让机器人能够更好地适应各种场景，与外界进行有效的互动交流。

二、减速器 —— 人形机器人的动力调配枢纽

谐波减速器

在人形机器人领域，由于对精度的要求较高，而对负载的要求相对较低，谐波减速器的应用逐渐受到青睐，并占据着越来越大的比例。就像特斯拉人形机器人在运动部件上的设计颇具创新，其采用的一体化关节设计，综合了三种旋转执行器和三种线性执行器，旋转关节更是运用了电机、传感器与谐波减速器的融合方案，这一方案极大地增强了机器人在运动控制和精度方面的表现，也让谐波减速器的关键作用得以充分体现，使得特斯拉人形机器人能够展现出更加流畅、精确的动作，为机器人技术的未来发展设定了新的高标准。

谐波减速器有着显著的结构特点，主要由柔轮、刚轮和波发生器三大部分构成。其中，柔轮呈现为一个薄壁圆柱外齿轮；刚轮则是一个坚固的环状内齿轮；波发生器则是一个薄壁滚子轴承，被安装在椭圆凸轮上，这个椭圆的长径会稍大于柔轮的内径。

在人形机器人中，谐波减速器常被应用于小臂、腕部和手部等需要精细操作的部位。不过，对于一些承受较大负载的部位，例如髋部，考虑到成本等因素，可能会选择使用行星减速器或类 RV 减速器来替代谐波减速器。

从市场格局来看，2022 年我国的谐波减速器市场中，哈默纳科的市场占有率达到了领先的 38%，本土厂商绿的谐波的市场份额也提升至了 26%。国内的丰立智能、昊志机电等企业则通过巧妙地打产品组合牌，不断强化自身产品的竞争力，从而在市场中获得了一席之地。

RV 减速器

RV 减速器以其更高的承载力而闻名，虽然这也导致了它的重量和体积相对较大，但其传动效率、输出扭矩以及扭转刚性都非常高，这些显著特点使其成为机器人关节部位，如腿部、腰部和肘部等重负载区域的理想选择。

在构造上，RV 减速器的设计相当精妙，它运用了多个轴承来增强其承载能力和稳定性，使用了 3×2 个滚针轴承来配套行星轮，3×2 个圆锥轴承也是为行星轮而设，同时还有 2 个角接触轴承用于输出轴。这样的轴承配置不仅提高了 RV 减速器的刚性和承载能力，还确保了其出色的稳定性和效率，使得 RV 减速器在性能和可靠性方面都表现出色，完全能够满足机器人关节在复杂运动和高负载条件下的严格要求。

目前，RV 减速器市场主要由海外厂商占据主导地位，纳博特斯克是机器人 RV 减速器市场的外资行业龙头，占据了市场的主要份额。但从 2020 年至 2022 年，其市场占比已从 55% 逐渐降低至 52%。与此同时，近年来国内厂商国产替代进程也在加速，国内的 RV 减速器生产厂商如双环传动、中大力德、南通振康、秦川机床、巨轮智能等，正在逐渐壮大，市场占有率持续提升。

行星减速器

行星减速器凭借传动效率高和无需保养等特点，在移动机器人的轮部或集成于伺服电机、步进电机中得到了广泛应用。它是一种体积较小的减速装置，其核心组件包括行星轮、太阳轮和内齿圈。其工作原理是依靠外部动力驱动的太阳齿轮与紧密结合在齿箱壳体上的内齿环相互作用，行星齿轮组介于两者之间实现浮游。通常行星减速器的单级传动比不会超过 10，减速级数也不会超过 3 级。

行星减速器具备能承受高扭力并具有良好的抗冲击性能、体积小巧且重量轻、高效率以及极低的背隙等显著特点，还能确保高精度并拥有长达 2 万小时的稳定使用寿命，大约是谐波减速器的三倍，且产品间的一致性表现优异。

从全球市场格局来看，尽管 RV 减速器和谐波减速器主要由日本厂商主导，但在行星减速器领域，德国厂商更受欢迎。数据显示，2022 年全球行星减速机的头部厂商包括赛威传动、纽卡特、威腾斯坦等，在全球市场中占据显著份额。该年全球行星减速器的销量为 540 万台，销售金额为 12.03 亿美元，其中中国销量达到了 232 万台，销售金额为 5 亿美元，我国行星减速器市场规模占全球约 42%。尽管工业机器人中关节机器人的占比较高，导致行星减速器在整体工业机器人中的应用比例较低，但得益于其性价比和体积重量比优势，行星减速器在人形机器人领域的应用前景看好，国内智元机器人、宇树科技等公司已经开始在其产品中采用行星减速器。随着人形机器人产业的推进，行星减速器的市场空间有望进一步拓展，这也为行星减速器制造商和应用厂商都提供了巨大的机会和发展空间。

三、电机 —— 人形机器人的动力源泉

无框力矩电机

无框力矩电机是一种创新型的无框架式永磁电机，在人形机器人的众多零部件中有着独特地位。它具备高扭矩密度这一显著特点，意味着在相同的输出扭矩要求下，其体积能够更小、重量更轻，这对于人形机器人来说至关重要，有助于实现关节部位的空间优化以及整体重量的减轻，让机器人的结构更加紧凑、灵活。

同时，无框力矩电机还拥有低转动惯量的优势，使得机器人在执行动作时能够更加敏捷，响应速度更快，并且耗能更低，极大地提升了机器人的工作效率和续航能力。在人形机器人的关节应用中，无框力矩电机的表现尤为出色，它能够精准地输出所需扭矩，驱动关节完成各种复杂、精细的动作，比如像特斯拉人形机器人的 28 个关节中均搭载无框力矩电机作为动力源头，使其能够展现出流畅、精确的肢体动作。

目前，在全球无框力矩电机市场上，海外品牌有着较强的实力，像科尔摩根、威腾斯坦、尼得科、派克汉尼汾等都是比较知名的厂商。不过，国内企业也在不断追赶并取得了良好进展，步科股份、禾川科技、昊志机电等企业较早地组建机器人部门并推出相关产品。步科股份推出的第三代无框力矩电机，首创无框灌封工艺，实现了减重以及力矩提升等突破；禾川科技历经多年研发，推出的第三代 Hu-MDB 系列无框力矩电机能提供多种框架尺寸，满足不同应用场景需求；昊志机电的相关产品也具备应用于人形机器人的潜力。随着国内技术水平的逐步提升以及性价比优势的凸显，国产无框力矩电机有望在市场中占据更重要的地位。

伺服电机

伺服电机在自动控制系统里扮演着执行元件的角色，其主要功能是把接收到的电信号准确地转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。可以说，人形机器人各个关节能够实现多自由度的运动，很大程度上依赖于伺服电机的驱动。它就像是机器人的 “肌肉”，接收到控制系统发出的指令后，精确地控制关节的转动角度、速度以及力度等参数，从而让机器人完成诸如抬手、迈步、抓取物品等各种动作，并且保证动作的准确性和稳定性。

在国内的伺服系统领域，有不少表现出色的企业。例如汇川技术，它是国内工业自动化控制领域的佼佼者，其通用伺服系统在中国市场的份额位居第一名，研发投入力度大，推出的 SV680 等伺服电机产品已接近世界先进水平。禾川虽然相对年轻，但崛起势头迅猛，伺服电机竞争力突出，自动化产品布局到位，其 Y7 高端伺服也正朝着世界领先水平迈进，背后的技术团队实力不容小觑。还有埃斯顿，作为国产老牌伺服电机厂家，有着深厚的行业积累和独特技术，尤其在机器人行业中表现卓越。雷赛在运动控制领域颇具特色，不仅步进电机闻名遐迩，伺服电机实力也很强，其自主运动控制平台在轨迹插补、CNC 等方面很知名，龙门伺服驱动更是具备竞争力。信捷电气则以小型 PLC 产品见长，并且其 PLC + 伺服电机的全套方案能力很强，借此快速完成了行业布局。这些国内企业不断通过技术创新和产品优化，推动着国产伺服电机在人形机器人等众多领域的应用和发展。

空心杯电机

空心杯电机在人形机器人中也有着独特的应用价值哦。人形机器人的手指空间往往比较狭小，所以手指关节就需要配备更多小型化且能够输出较大力的电机呀，而属于直流永磁伺服电动机的空心杯电机就完美契合了人形机器人手指关节轻量化、高精度等需求呢。像江苏雷利就表示空心杯电机是公司重点发展的核心产品，并且公司掌握着精密齿轮箱减速器的核心技术，在这方面有着一定优势哦。另外，拓邦股份的空心杯电机在人形机器人领域也有着应用机会，目前已接到行业内客户需求，正在积极推进相关业务呢。机构还指出，假设特斯拉机器人达到百万台量级、单台成本有望达到 19 万元，其中单台机器人空心杯电机模组价值量约 7200 元，可见其在人形机器人市场中的潜力还是很大的哦。

四、控制器 —— 人形机器人的指挥中枢

在人形机器人的众多零部件中，控制器可谓是核心神经系统，对机器人的整体性能起着决定性的影响。它就像是机器人的 “大脑”，掌控着各个环节的运行，让机器人能够有条不紊地完成各种任务。

从结构上来看，控制器主要分为软件和硬件两大部分。硬件部分的核心在于芯片，像工业控制板卡等部件也是关键所在，它们负责数据的采集、处理以及传输工作。而软件部分则涵盖了操作系统和算法库等重要元素，这是实现机器人智能化、自主化运动的核心技术所在。操作系统负责管理控制器的硬件资源，为上层应用程序营造运行环境，在人形机器人场景下，需要具备高实时性、任务调度灵活等特点，以契合机器人对运动控制的严格要求。算法库作为软件部分的核心，包含了众多用于机器人运动控制的算法，例如运动学控制算法、动力学控制算法、路径规划算法等等。其中，底层算法库中的运动学控制算法能够规划机器人的运动轨迹，保障机器人末端执行器可以精准抵达指定位置，通过对机器人各关节角度、速度等参数的计算，实现从初始位置到目标位置的平稳过渡；应用工艺算法则会针对抓取、行走等具体应用场景进行优化，结合机器人的动力学特性与环境信息，助力机器人在复杂环境中高效作业。

控制器肩负着多项核心职责。其一，它能够实现机器人操作空间坐标与关节空间坐标之间的相互转换，这就好比是为机器人搭建起了一座坐标 “桥梁”，让机器人清楚知晓如何在不同空间中准确移动。其二，完成高速伺服插补运算及伺服运动控制，确保机器人运动的精准度和响应速度，使机器人的动作既流畅又精确，能快速对各种指令做出反应。其三，作为动作指令的发布和传递中心，它可以把操作者的指令准确传达给机器人，并监督机器人依照指令执行相应动作。此外，控制器还能对传感器等部件传输的数据进行处理和传输，有效减少机器人实际运动轨迹与期望目标之间的偏差，保证机器人的运动精度。

在国内，研发控制器的企业主要分为两类。一类是以埃斯顿为代表的传统机床数控企业，它们凭借以往积累的运动控制技术，进一步开发机器人控制器，进而进军工业机器人本体市场。比如埃斯顿，作为国产机器人龙头企业之一，能够提供全面的机器人运动控制系统解决方案，其产品和技术在国内外都享有颇高声誉。另一类则是以固高科技、众为兴等为代表的专门的控制器生产企业，它们主要为国产机器人本体和系统集成商提供控制系统平台。像固高科技，早在 2001 年就开始投身于四轴机器人控制器的研发工作，后续又拓展至六轴机器人控制器领域，甚至难度极高的八轴机器人控制系统也已实现批量生产。除此之外，还有新松机器人、新时达、汇川技术、广州数控以及华中数控等企业也在控制器领域积极布局，不断探索创新。