2025年人形机器人系列专题研究报告：执行系统之旋转关节扭矩密度提升成关键突破点

人形机器人产业正迎来前所未有的发展机遇，作为实现机器人灵活运动的核心部件，执行系统的技术突破直接决定了产品性能和市场应用前景。本文将聚焦人形机器人执行系统中的旋转关节技术，深入分析当前市场格局、技术路线演变以及未来发展趋势，为读者呈现这一领域的最新进展。旋转关节作为人形机器人的"动力内核"，其扭矩密度的提升已成为行业竞争的关键指标，也是实现商业化落地的重要突破口。随着特斯拉Optimus、宇树H1等产品的相继亮相，执行器技术路线逐渐清晰，电驱动方案凭借其成本优势和精密控制能力成为主流选择。本文将剖析旋转关节的技术构成、产业链现状及未来创新方向，帮助读者全面把握这一细分领域的发展脉搏。

人形机器人旋转关节技术演进与市场格局

人形机器人执行系统在过去几年经历了显著的技术迭代，从早期的液压驱动到现在的电驱动主导，旋转关节技术方案日趋成熟。根据平安证券研究报告显示，执行器占人形机器人整体成本约55%，是价值量最高的核心部件。当前市场上主流的旋转执行器主要由无框力矩电机、谐波减速器、编码器和力矩传感器等部件组成，通过高度集成化的设计实现关节模组的小型化和轻量化。

技术路线分野明显，各机器人厂商根据产品定位选择了不同的执行器方案。特斯拉Optimus Gen2采用"无框力矩电机+谐波减速器+双编码器"的配置，全身配备30个自由度，其中旋转执行器分布于肩部、腕部、髋部和躯干等关键部位。相比之下，国内宇树科技的H1机器人则选择了准直驱(PA/QDD)方案，这种技术路线摒弃了传统力/力矩传感器，采用电流环开环力控技术，通过监测电机绕组电流变化来解算扭矩，具有结构简单、成本低廉、响应速度快等特点。技术路线的差异反映了不同厂商对性能、成本和可靠性的权衡考量。

从市场格局来看，无框力矩电机作为旋转关节的核心驱动部件，2023年中国市场规模达到1.80亿元，同比增长19.73%，其中协作机器人市场需求占比约70%。GGII预测，到2028年这一市场规模有望超过5.6亿元。目前高端市场仍由美国科尔摩根、德国威腾斯坦等国际厂商主导，国内步科股份、灵志机电等企业正加速追赶，但在转矩密度和功率密度等关键指标上仍存在一定差距。以科尔摩根TBM系列和步科股份FMC系列对比为例，相同尺寸下科尔摩根产品的转矩范围(0.27-6.03Nm)明显优于国内产品(0.45-3.5Nm)，反映出国内企业在磁路设计和工艺优化方面还有提升空间。

表：主要人形机器人厂商执行器方案对比

在减速器领域，谐波减速器凭借体积小、传动比高、精密度高等优势，成为旋转关节的首选方案。2022年中国谐波减速器市场规模约21亿元，预计2025年将达33亿元，年复合增长率16.3%。日本哈默纳科以38%的市场份额居首，国内绿的谐波以26%的市占率位居第二，国产替代进程稳步推进。值得注意的是，随着人形机器人对动态性能要求的提高，减速器的功率密度和抗冲击能力成为新的技术攻关方向，这也将重塑未来的市场竞争格局。

旋转关节核心部件技术创新与性能突破

旋转关节作为人形机器人的动力中枢，其性能优劣直接决定了整机的运动能力和能耗水平。当前旋转关节的技术创新主要集中在扭矩密度提升、动态响应优化和集成度提高三大方向。根据行业测试数据，Optimus旋转关节模组的重量仅2.26kg，却可输出180Nm的扭矩，展现了出色的扭矩密度表现，这一指标已成为衡量旋转关节技术水平的关键参数。

在电机技术方面，无框力矩电机因其高转矩密度和紧凑结构成为旋转关节的主流选择。与传统有框电机相比，无框设计省去了外壳和轴承，功率密度提升30%以上，同时中空走线设计便于集成到关节内部。电机技术的进步使得电驱动方案得以替代传统的液压驱动，据行业数据显示，现代无框力矩电机的功率密度已较20世纪90年代提升10倍以上，与液压系统的差距从100倍缩小至10倍以内。特斯拉Optimus的旋转关节采用无框力矩电机配合谐波减速器，在肩部和髋部等需要大扭矩的部位实现了高性能输出，其电机转速可达3000rpm以上，满足快速响应的需求。

减速器技术的突破同样至关重要。旋转关节通常采用谐波减速器或精密行星减速器，前者适合高精度小负载场景，后者则在效率和使用寿命方面更具优势。谐波减速器通过波发生器使柔轮产生可控弹性变形来实现传动，单级传动比可达30-320，精度可达1弧分以内。国内绿的谐波已突破谐波减速器核心技术，其产品在传动精度和寿命方面接近国际领先水平。值得注意的是，为适应人形机器人的高动态要求，减速器正朝着抗冲击设计方向发展，通过优化齿形和材料工艺提升可靠性，解决传统谐波减速器在频繁启停和反向冲击下易损坏的问题。

表：不同类型执行器技术方案比较

编码器和传感器技术的进步也为旋转关节性能提升提供了支撑。Optimus旋转关节采用双编码器设计，分别在输入端和输出端布置位置传感器，实现全闭环控制，精度可达±0.1度。力矩传感器则采用应变片原理，实时监测关节受力情况，为力控算法提供数据支持。值得一提的是，准直驱方案通过电流环实现力感知，省去了额外的力矩传感器，不仅降低了成本，还减少了系统复杂度，这种创新设计在消费级人形机器人中具有明显优势。

集成化设计是旋转关节技术发展的另一大趋势。一体化关节模组将电机、减速器、编码器、驱动器和轴承等部件高度集成，显著提升了功率密度和可靠性。据测试数据显示，集成化设计可使关节模组体积缩小40%，重量减轻30%，同时安装维护更为便捷。国内钛虎机器人等企业已推出专门针对人形机器人开发的一体化关节模组，通过优化热设计和电磁兼容性，满足了高动态场景下的使用要求。随着模块化设计理念的普及，旋转关节正朝着"即插即用"的方向发展，这将大幅降低人形机器人的研发门槛和生产成本。

旋转关节产业链生态与发展前景

人形机器人旋转关节的产业链已初步形成，从上游核心部件到中游模组集成，再到下游整机应用，各环节企业正加速布局。根据产业链调研数据，旋转关节的成本构成中，无框力矩电机占比约35%，谐波减速器占比约25%，编码器和轴承等占比约20%，其余为结构件和其他电子元件。这一价值分布也指引着产业链各方的战略布局和技术投入方向。

在上游核心部件领域，国际巨头仍占据主导地位。无框力矩电机市场被美国科尔摩根、德国威腾斯坦等企业垄断，其产品在转矩密度和动态响应方面具有明显优势。科尔摩根TBM系列无框电机的转矩范围达0.27-6.03Nm，转速最高8000rpm，广泛应用于手术机器人和协作机器人等高端领域。减速器方面，日本哈默纳科占据全球谐波减速器市场60%以上的份额，其产品寿命超过1万小时，背隙小于30弧秒。面对这一局面，国内企业正通过差异化竞争寻求突破，步科股份的无框力矩电机已实现批量供货，2024年前三季度出货量约1.57万台；绿的谐波则聚焦谐波减速器国产替代，市场份额已达26%，产品进入特斯拉供应链体系。

中游模组集成环节呈现出多元化发展态势。传统工业机器人厂商如新松、埃斯顿凭借在关节模组领域的技术积累，正积极布局人形机器人市场。新兴创业公司如宇树科技、智元机器人则采用准直驱等创新技术路线，主打高动态和低成本优势。值得一提的是，部分汽车零部件企业如三花智控也开始跨界布局，利用其在机电一体化领域的技术优势，开发适用于人形机器人的旋转关节模组。三花智控2024年1-9月实现营业收入205.63亿元，其中机器人执行业务增长迅速，公司正加大在仿真机器人机电执行器领域的投入。

从下游应用角度看，旋转关节的性能提升正推动人形机器人向更多场景渗透。2025年CES展上，马斯克表示特斯拉将在2025年生产数千台人形机器人，并计划在2026年将产量提升至5万-10万台。国内宇树科技的H1机器人登上春晚舞台，展示了人形机器人在娱乐表演领域的应用潜力。随着旋转关节扭矩密度的提高和成本的下降，人形机器人在工业检测、物流搬运、家庭服务等领域的商业化应用正加速落地。据行业预测，到2028年全球人形机器人市场规模有望突破200亿美元，将带动旋转关节及相关核心部件需求大幅增长。

表：中国无框力矩电机市场规模及预测

政策支持为旋转关节技术发展提供了有力保障。中国"十四五"机器人产业发展规划明确提出，要重点突破高精度减速器、高性能伺服电机等核心零部件技术。2024年发布的《人形机器人创新发展指导意见》更是设定了明确目标：到2027年，人形机器人技术创新能力显著提升，形成安全可靠的产业链供应链体系。在政策引导下，国内已形成长三角、珠三角和京津冀三大机器人产业集群，涵盖从材料、零部件到整机的完整产业链，为旋转关节技术的创新和产业化提供了良好生态。

常见问题解答

人形机器人旋转关节与工业机器人关节有何区别？
人形机器人旋转关节在扭矩密度、动态响应和轻量化方面要求更高。工业机器人关节注重高刚性和重复定位精度，而人形机器人关节需要模拟人类关节的柔顺性和适应性。具体来看，人形机器人旋转关节通常采用无框力矩电机配合谐波或行星减速器，扭矩密度需达到80Nm/kg以上，响应时间在毫秒级，重量一般控制在3kg以内，这些指标均高于传统工业机器人关节。

当前旋转关节技术面临的主要挑战是什么？
旋转关节面临三大技术挑战：一是扭矩密度与体积重量的矛盾，提升扭矩往往导致体积增大；二是高动态响应与系统稳定性的平衡，快速启停易引发振动；三是长期可靠性与成本的权衡，精密减速器在频繁冲击下寿命受影响。其中谐波减速器的抗冲击性能尤为关键，行业正通过新材料(如特种合金柔轮)和新结构(如双波发生器)来改善这一问题。

无框力矩电机为何成为旋转关节的首选？
无框力矩电机具有三方面优势：一是高转矩密度，省去外壳和轴承后，相同体积下输出扭矩提升30%以上；二是散热性能好，定子直接接触散热结构，温升比传统电机低20-30%；三是中空走线设计，便于集成到关节内部。数据显示，2023年中国无框力矩电机市场规模1.80亿元，其中70%需求来自协作机器人领域，预计2028年市场规模将超5.6亿元。

谐波减速器与行星减速器在旋转关节中如何选择？
谐波减速器适合高精度、小体积场景，其单级传动比大(30-320)、精度高(≤1弧分)，但抗冲击能力较弱；行星减速器则效率更高(97%)、寿命更长(2万小时)，适合需要频繁启停的场合。Optimus在肩部和髋部等大负载关节使用谐波减速器，而在小鹏PX5等产品中则采用谐波+行星的组合方案。2022年全球机器人领域精密减速器销量中，RV和谐波各占40%，行星减速器占20%。

国内旋转关节产业链水平如何？
国内旋转关节产业链已初步完善但高端仍依赖进口。谐波减速器方面，绿的谐波市占率26%，仅次于哈默纳科(38%)；无框力矩电机领域，步科股份等企业产品转矩密度达3.5Nm，与科尔摩根6.03Nm仍有差距；编码器市场多摩川、海德汉等外资占50%以上份额。政策支持下，国内企业正加速追赶，如环动科技RV减速器市占率已从2020年的5.2%提升至2023年的18.89%。

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报告介绍：本报告由平安证券于2025年3月18日发布，共32页，本报告包含了关于人形机器人,执行系统,旋转关节的详细内容，欢迎下载PDF完整版。