人形机器人旋转关节发展分析

在人形机器人行业蓬勃发展的大趋势下，零部件供应商正迎来前所未有的机遇，有望深度受益于这一新兴产业的崛起。在整个人形机器人产业链中，主机厂虽然在关节设计方面拥有关键的“定义权”，具体涵盖人形机器人的自由度设计、关节方案设计以及关节布局位置设计这三个核心要点，但考虑到规模效应以及专业化分工的因素，主机厂实现完全垂直整合的可能性相对较低。“自主设计、外包生产”模式凭借其灵活性和专业性，成为主机厂与人形机器人零部件供应商之间更具可行性的合作方式。在这种模式下，一批具备技术实力和生产能力的零部件供应商将深度参与到行业发展进程中，与主机厂形成紧密的合作关系，携手共同成长。

从投资角度来看，旋转关节因其在人形机器人成本构成中的重要地位和技术应用的高确定性，成为值得优先关注的关键领域。关节模组作为人形机器人成本的重要组成部分，具有较高的价值量。目前，无论是从已有的技术实践，还是从各主机厂推出的产品方案来看，旋转关节在人形机器人的设计中占据主导地位，其技术路线具有高度的确定性。这意味着在该领域进行投资，能够在一定程度上降低技术风险，提高投资回报的可预期性。

进一步细分旋转关节的技术方案，主要包括刚性驱动器、弹性驱动器和准直驱驱动器这三大类。其中，弹性驱动器方案虽然在理论上具有一些优势，但在实际应用中却面临着诸多挑战。引入弹性关节会显著增加控制算法的复杂程度，对研发团队的技术能力提出了更高的要求。而且，这一方案还会增加硬件成本，使得产品在成本控制方面面临较大压力。因此，在当前的产业实践中，弹性驱动器的应用相对较少。

刚性关节方案则具有其独特的优势和局限性。该方案通过使用大减速比减速器，能够产生更大的扭矩输出，并且在精度控制方面表现出色。然而，为了实现精确的力控制，刚性关节方案往往需要增加力传感器，这无疑增加了成本。此外，刚性关节的耐冲击性较差，在面对复杂多变的工作环境时，可能会出现故障或损坏，影响机器人的正常运行。

准直驱驱动器方案近年来发展迅速，尤其是在人形机器人领域得到了广泛应用。早期，准直驱方案主要应用于四足机械狗，随着技术的不断进步，其扭矩输出能力逐渐提升，如今已能满足人形机器人的部分需求。该方案的优势在于可以利用电流环实现力控，简化了部分控制环节。但由于只能使用小减速比减速器，其输出扭矩相对有限。不过，随着技术的持续改进，准直驱方案在人形机器人领域的应用前景仍然广阔。

在人形机器人的关节驱动中，电机的选择至关重要。目前，无框力矩电机是主流的选择，这主要得益于其设计生产技术的成熟度。尽管此前由于市场需求有限，无框力矩电机的发展受到一定程度的限制，但随着人形机器人市场的快速兴起，其市场需求正呈现出爆发式增长。然而，为了进一步提高关节的扭矩输出能力，行业也在不断探索新的电机技术。轴向磁通电机作为一种具有潜力的新型电机，正逐渐受到关注。与传统的径向电机相比，轴向磁通电机能够提供更高的扭矩密度，其扭矩密度比径向电机高出约30%，特别适用于对高效率和高转矩密度有严格要求的场合。不过，轴向磁通电机在发展过程中也面临一些挑战，例如散热问题、制造工艺的复杂性以及产业链成熟度相对较低等。尽管如此，部分具有前瞻性的厂商已经开始在轴向磁通电机领域进行布局，积极投入研发资源，致力于克服这些技术难题，为未来人形机器人的发展提供更强大的动力支持。

图表： 轴向磁通电机专利数量

数据来源：中研普华产业研究院整理

在人形机器人的传动系统中，减速器同样起着关键作用。目前，谐波减速器和行星减速器是人形机器人中应用最为广泛的两种类型。这两种减速器各有优劣，在实际应用中，往往会根据整机的设计需求进行搭配使用。一般来说，对于那些对扭矩、精度要求极高，且对空间尺寸有严格限制的关节部位，谐波减速器凭借其在小空间内实现大扭矩和高精度传动的优势，成为首选方案。而在一些对效率要求较高、对成本较为敏感，且对空间大小不太苛刻的关节应用场景中，行星减速器则因其高效、低成本的特点，得到了广泛应用。这种根据不同需求进行合理选择的方式，既能够充分发挥两种减速器的优势，又能够在满足人形机器人多样化功能需求的同时，实现成本效益的最大化。

在力控制方面，目前主要存在电流环方案和力传感器方案两种技术路线。电流环方案是通过对关节电流的测量和估算来间接获取力矩大小，这种方法的优点是不需要额外安装力传感器，从而降低了硬件成本和系统复杂度。然而，其精度相对较低，误差大约在±10%左右，并且在与大减速比减速器配合使用时存在兼容性问题。相比之下，力传感器方案则能够直接测量力的大小，精度较高，而且可以与大减速比减速器良好兼容。但该方案的缺点是增加了硬件成本，使得产品在价格方面缺乏竞争力。因此，在实际应用中，低成本方案通常更倾向于采用电流环控制，以在满足基本性能要求的前提下，控制成本。而对于那些追求高精度、高可靠性的高端人形机器人产品，则更倾向于使用力传感器测量，以确保机器人在复杂任务中的精确操作和稳定运行。

人形机器人零部件供应商在行业发展中占据着关键地位，有着广阔的发展空间。而旋转关节作为其中的核心部件，其不同的技术方案和关键零部件的选择，如电机和减速器等，以及力控制技术的应用，都将深刻影响着人形机器人的性能、成本和市场竞争力。对于投资者和相关企业来说，深入了解这些技术细节和行业趋势，把握关键投资方向，积极布局相关领域，将有助于在这个充满潜力的新兴产业中抢占先机，实现可持续发展。