人形机器人零部件供应商有望深度有益于行业发展
思瀚产业研究院    2025-02-14

（一）主机厂掌握人形机器人关节的“定义权”

从人形机器人的设计流程来看，一般是先制定人形机器人本体的设计目标，然后再拆分到各个零部件的设计。这会导致关节设计和人形机器人本体设计相关，关节模组并不是简单的通用标准品。关节的“定义权”掌握在人形机器人厂商手中。这种“定义权”表现为设计过程中的三个环节：1）人形机器人自由度设计；2）人形机器人关节方案设计；3）关节布局位置设计。

1、人形机器人的自由度设计方案

当前主流人形机器人关节自由度（不含末端）在 20~32 个不等。一种常见的关节方案是在臀部设置 3个自由度（包括 pitch、yaw、roll），在膝盖设置 1 个自由度，脚踝处设置 1~ 2个自由度，躯干和盆骨设置 0-3 个自由度。

臀部：一般以偏航关节（yaw）为第一关节，这样可以让偏航电机布置在盆骨部位；滚动关节（roll）一般为第二关节，俯仰关节（pitch）为最后一个关节。Pitch 关节需要的力量比较大，放在最后可以更容易的布置在大腿位置。

膝部：膝关节是所有关节中对力/力矩需求最大的，因为膝关节是抵抗站立时重力的关键。

脚踝：2 个关节可以给脚提供适当的自由度，帮助适应复杂凹凸的地形。1 个关节也是常见的设计。

躯干和盆骨：0~3个自由度都是可以的。其中 pitch 的自由度可以弥补单纯依靠臀部 pitch 活动范围不足的问题；yaw 的自由度可以增加上半身的活动范围；roll 的自由度可以帮助平衡身体，同时增加腿部的离地间隙。如果躯干是 0 自由度，那么主要依靠臀部的 pitch 关节来控制躯体，但这样躯体和腿部不能独立运动。

2、人形机器人的关节参数设计

人形机器人主机厂掌控关节参数的“定义权”。开发流程中，主机厂决定了自由度之后需要根据机器人本体的设计要求，计算出对应关节所需的活动范围、峰值扭矩、转动速度，并进一步设计关节。

理论上由于各个关节的情况不同，每个关节都单独设计在性能上是最优的，但这样会失去经济性。一个折中的办法是“模组化”，即把全身关节分为几种类型。ARTEMIS 把全身共计20个自由度分为 5 类，具体参数如图所示。可以看出臀部的 pitch 和膝关节对扭矩的需求最大，达到了 250Nm。特斯拉在这两个位置则使用了输出力比较大的线性关节。

关节电机扭矩是观察核心指标之一。对机器人性能要求越高，往往对关节电机的扭矩要求越大。所有关节之中，一般膝关节对的扭矩要求最高，决定了机器人的整机负载。MIT 设计了一款可以做空翻的高性能人形机器人 MIT humanoid，所有关节中也是膝关节的扭矩最高，达到 136Nm。膝关节的扭矩要求和机器人整机质量相关。MIT humanoid 的重量只有 21kg，所以膝关节扭矩也只有 136Nm。ARTEMIS 的重量达到 37kg，所以关节最大扭矩达到了250Nm。

上肢关节中肩部和腰部位置需要的扭矩最大，影响机器人的单臂负载。针对上肢部分，意大利技术研究院 IIT 设计了一款可以承受 10kg 负载的上肢，其中肩部和腰部位置需要的扭矩最大，对应关节最大扭矩为 147Nm，连续扭矩 90.4Nm。肩部的旋转关节、肘部关节最大扭矩也是 147Nm，但连续扭矩为 52.9Nm。腕部关节的扭矩需求比较小。

3、人形机器人关节的布局设计

受限于四肢的空间有限，使机器人的关节电机远离关节位置是一种常见的方法。电机尽量往靠近质心的位置放置，这样还可以减少腿部的惯性，更有利于快速行走和能量利用。

为了实现这一目的，会用到一些传动结构，包括连杆、皮带、链条、线缆等。其中连杆传动是人形机器人中一种常见方案。但是当关节角度接近奇异点时，连杆力迅速增加往往会超过结构承载上限，所以需要对运动范围进行一定的限制。ARTEMIS 机器人的下肢就采用了 5-Dof 的设计方案，并且借助连杆传动方案把电机尽可能向臀部集中，减少了腿部末端的质量。

（二）“自主设计、外包生产”将是人形机器人产业链合作模式

在汽车产业链中，汽车零部件的定制化属性强，生产的规模化效应强，零部件制造商从产品立项就深度参与产品研发设计，双方形成了密切的合作关系。汽车零部件供应商通过切入头部 OEM、切入主力放量车型，实现收入的大幅增长。在这种合作关系中，OEM 承担了产品的“定义权”，对销量有绝对性的影响力，在合作中也占据了主导位置。零部件厂商通过精益管理、技术创新、快速响应，与 OEM 形成更稳定的合作关系，逐步提升市场份额。

未来人形机器人的产业链合作关系将会类似汽车。

首先，人形机器人主机厂占据了产品的“定义权”，在合作中处于主导地位。人形机器人的产品设计是一个“top-down”的过程。相比零部件厂商，主机厂更贴近终端需求，因此主机厂主导了应用场景、设计目标，也决定了人形机器人的设计方案和零部件的选型。其次，我们对人形机器人的预期是一个大规模标准化的硬件产品，这也意味着遵循制造业的规模制造效应。

采用外包生产可以实现更强的规模效应，也可以减少主机厂的资本开支，使主机厂专注于产品定义和 AI 研发。基于以上两点，未来将形成“自主设计、外包生产”的合作模式。蓝思科技已经为智元的灵犀 X1 人形机器人批量交付相关产品，并参与了其核心部件的生产组装和测试。将会有一批人形机器人的零部件供应商深度受益于行业发展，与主机厂共同成长。

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