重磅 | 全球人形机器人作动系统深度研究

2025年6月10日，捷一科技团队发布了《全球人形机器人作动系统深度研究》首版，报告超2万字，三十余页。本报告为您了解人形机器人作动系统提供详实报告内容支持，深入了解其核心技术、市场趋势与未来机遇，旨在为业内人士、投资者以及对人形机器人技术感兴趣的各界读者提供一份全面、深入的作动系统研究。

本报告为“人形机器人系列研究”的首发内容，后续我们将持续推出人形机器人领域的研究报告，敬请关注。人形机器人系列报告支持打包采购，欢迎联系采购或定制研究服务！

具身智能，即能通过物理身体与现实世界交互的人工智能系统，其核心在于感知、推理与行动的紧密结合。而作动器，正是机器人实现物理行动的“肌肉”，将能量转化为运动，使其得以与环境互动。

人形机器人致力于模拟人类的身体结构与功能，这对作动系统提出了严苛要求，以实现类似人类的运动、灵巧度和环境适应性。想象一下，一个拥有“超级大脑”的机器人，如果其“肢体”无法精确、快速、有力地执行指令，那么再强大的智能也无法充分展现。因此，作动系统的先进性，直接决定了具身智能在物理世界中的表现上限。

报告亮点速览

• 全面的技术解析：详细剖析电动、液压、气动三大作动技术，并聚焦当前主流的电动技术，对其核心组件进行深度解读。

• 作动器核心组件详解：从电机、传动系统到传感系统（编码器、力/力矩传感器）和电子控制系统，逐一揭示其原理、优势与应用。

• 集成作动器模块与先进概念：深入探讨旋转作动器、线性作动器的典型配置，并特别关注人形机器人灵巧手的作动挑战与解决方案，以及串联弹性作动器（SEA）的原理与优势。

• 关键性能指标：系统性梳理人形机器人作动器的基础与高级度量指标，并重点强调扭矩密度和功率密度对紧凑轻量化设计的决定性作用。

• 知名案例深度剖析：选取特斯拉Optimus、波士顿动力Atlas、Figure 01、Agility Robotics Digit以及傅利叶智能GR-1等知名人形机器人，详细解析其作动系统配置与设计理念，洞察行业趋势。

• 供应链与市场格局分析：全面梳理作动器组件供应链，介绍主要制造商，并展望人形机器人作动器市场高达80.0%的复合年增长率，揭示巨大的市场潜力和投资机遇。

• 未来展望：探讨新型材料、AI在底层电机控制中的应用、更高程度的集成、软体作动器以及高效能量回收等前沿研究方向，并分析作动领域面临的挑战与机遇。

想要把握人形机器人作动系统的核心竞争力？这份报告不仅分析技术，更揭示了市场机遇和投资潜力！

主要内容概览

电动作动系统核心组件

电动作动系统是当前人形机器人的主流选择，其核心组件包括提供原始动力的电机、调节力与速度的传动系统、实现闭环控制的传感系统以及驱动与控制电机运动的电子控制系统。

电机：原动力的核心：详细介绍了伺服电机、无框力矩电机（高扭矩密度、高精度、紧凑轻量化）和空心杯电机（极低转动惯量、无齿槽效应、快速响应）的原理、优势及其在人形机器人关节和灵巧手中的应用。

传动系统：调节功率与运动形式：深入分析了谐波减速器（高减速比、高精度、结构紧凑）、RV减速器（高扭矩承载能力、高刚度）、行星齿轮减速器以及滚珠丝杠和行星滚柱丝杠（极高负载能力、高刚度、长寿命）等关键传动部件。特斯拉Optimus在关键线性关节中选择行星滚柱丝杠，彰显了其对性能的不妥协追求。

传感系统：实现反馈与控制：阐述了编码器在位置和速度反馈中的作用，以及力/力矩传感器在实现交互与柔顺性方面的关键作用。特斯拉Optimus采用双编码器配置和非接触式扭矩传感器，以及在脚部配备多轴力/力矩传感器，体现了对精细控制和环境感知的重视。

电控系统：运动的“大脑”：介绍了伺服驱动器的功能以及磁场定向控制（FOC）在精密电机控制中的原理与优势。

集成作动器模块与先进概念

将电机、齿轮箱、传感器和电子设备高度集成到旋转和线性作动器模块中，是人形机器人发展的一个明显趋势。这种趋势由对紧凑性、减少布线复杂性、通过组件共置提高性能以及可能简化复杂人形机器人系统的组装和维护的需求所驱动。报告中详细讨论了多种配置与组件：

旋转作动器与线性作动器：讨论了将电机、减速器、传感器和驱动电子高度集成到紧凑模块中的趋势，以减小体积、减轻重量、简化布线并提高性能。

灵巧手作动：面对极端的空间和重量限制，报告剖析了微型电机（如空心杯电机）、微型齿轮箱（如微型行星齿轮箱）、紧凑型传动机构（如微型滚珠丝杠、蜗轮蜗杆）以及腱绳驱动系统（如特斯拉Optimus Gen3将执行器从手掌移至前臂，通过腱绳驱动手指运动，使其自由度从11个提升至22个，主动自由度从6个提升至17个，显著提升负载能力和操作灵活性）等解决方案。

串联弹性作动器（SEA）：详细解释了SEA通过引入弹性元件实现被动柔顺性、抗冲击能力和力/力矩感知与控制的原理及应用，这对于安全的人机交互和动态运动至关重要。

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人形机器人作动器关键性能指标

报告总结了包括运动范围、有效负载能力、扭矩/力、速度/加速度、准确度、精密度、重复性、刚度、反向驱动性、能量效率、耐用性、噪音水平、响应能力等基础和高级度量指标。特别强调了扭矩密度（单位质量或单位体积所能产生的扭矩，衡量作动器“力量-重量比”或“力量-体积比”的关键指标）和功率密度（单位质量或单位体积所能输出的功率，综合反映扭矩和速度能力）作为衡量作动器“力量-重量比”和“力量-体积比”的关键指标，是实现人形机器人紧凑轻量化和高性能化的核心。

                                                                     人形机器人作动器关键性能指标 (KPIs)

案例研究：知名人形机器人作动系统解析

本报告在案例研究部分，深入剖析了五款具代表性的人形机器人，为您揭示其作动系统的独特设计理念和技术选型：

特斯拉 Optimus：极致性能与垂直整合的典范 

• 作动器配置：Optimus的线性关节（如膝、髋、躯干等14个部位）采用定制的无框力矩电机配合反向式行星滚柱丝杠，并集成了力传感器、位置编码器和定制的驱动电子系统。旋转关节（如肩、肘、腕等14个部位）则选用定制的无框力矩电机配合谐波减速器，并集成了双编码器（输入端和输出端）以及非接触式扭矩传感器和定制的驱动电子系统。

• 灵巧手：从Gen2版本的11个自由度（6个主动驱动），迭代至最新Gen3版本的22个自由度（17个主动驱动）。驱动方式从早期集成在手掌内的空心杯电机，发展到Gen3版本将执行器（电机、微型行星齿轮箱、滚珠丝杠）移至前臂，通过腱绳驱动手指运动。手部还集成了触觉等多种传感器。

• 组件选择理念：特斯拉在Optimus作动器组件选择上，明显强调高性能、高效率和深度集成，通过采用行星滚柱丝杠和谐波减速器等顶级性能组件，以及全面的力/力矩传感和双编码器配置，旨在实现高动态性能，即使这意味着较高的初始成本。

波士顿动力 Atlas：从液压到电力的里程碑转变 

• 技术演进：早期Atlas以液压系统著称，实现惊人的爆发力和动态平衡。然而，最新一代Atlas已全面转向电力驱动。

• 转向原因：电力系统在能量效率、运行噪音、系统复杂性与维护成本以及控制精度等方面更具优势，更适合商业化应用和广泛部署。新一代电动Atlas还展示了极大的运动范围，例如腿部可向后弯曲，头躯可独立旋转180度。

• 电动Atlas作动器细节：尽管具体细节尚未公开，但预计采用了高性能无框力矩电机和紧凑坚固的定制减速器，设计重点在于高扭矩密度、快速动态响应和高效率。

                                                                    部分知名人形机器人作动系统概览

市场规模与竞合分析

人形机器人作动器市场正处于爆发式增长前夕。根据QYResearch的市场研究报告，全球人形机器人作动器市场规模在2024年估值为1.5亿美元，预计到2031年将达到98.64亿美元，预测期内（2025-2031年）的复合年增长率（CAGR）高达80.0%。这一惊人的增长率预示着一个即将发生变革性增长的市场，将吸引大量投资，刺激快速技术创新，并加剧整个供应链的竞争。

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人形机器人作动系统是一个复杂的集成系统，其供应链涉及多个层级和众多专业制造商。当前，许多领先的人形机器人开发者，如特斯拉，正致力于关键部件（如电机、驱动器）的垂直整合，以期更好地控制性能、成本和供应。然而，由于作动系统所涉及的技术领域广泛且专业性强，对外部专业供应商的依赖在短期内仍将持续。

报告中详细列举了人形机器人作动系统各关键部件领域的全球知名制造商，为您勾勒出清晰的市场格局，例如电机、减速器、丝杠、编码器等等。

尽管许多作动器核心部件的全球市场由国际巨头主导，但在中国等地区，出于战略自主和成本控制的考量，正大力推动关键零部件（如谐波减速器、行星滚柱丝杠和六轴力/力矩传感器）的本土化供应链发展。

总结与未来展望

关键作动技术与趋势总结：

电驱动技术凭借高效率、高精度和不断提升的功率密度，已成为主流选择。而核心组件包括高性能电机（如无框力矩电机、空心杯电机）、精密传动系统（如谐波减速器、行星滚柱丝杠），以及全面的传感系统（如编码器、多轴力/力矩传感器）和先进的电子控制系统（如基于FOC的伺服驱动） 。

行业趋势明显指向高度集成的作动器模块，以实现更紧凑的结构、更优的性能和更高的可靠性 。对高扭矩密度和高功率密度的极致追求，以及对安全性和柔顺性的日益重视（如串联弹性作动器的应用），共同推动着人形机器人作动技术的不断创新 。

新兴研究方向：

新型材料：研发更轻、更强、导热性更好的材料，用于电机、减速器和结构件，以进一步提高功率/扭矩密度，减轻机器人整体重量，并改善散热性能。

人工智能在底层电机控制中的应用：利用强化学习（RL）等人工智能技术，实现对机器人底层电机控制策略的自动优化和学习。这有望使机器人能够自主学习和适应更高效、更自然的运动方式，弥合高层任务规划与精细物理执行之间的差距。

更高程度的集成（作动器片上系统）：将驱动电子、控制逻辑、部分传感功能进一步微型化，并集成到单芯片解决方案或高度紧凑的封装模块中，形成“作动器片上系统”（Actuator-on-Chip），以最大限度地减小体积、重量和功耗。

软体作动器与混合驱动系统：探索基于软体机器人原理的新型作动器，用于实现更安全、更具适应性的物理交互。未来可能出现刚性作动器与软体作动器相结合的混合驱动系统，以兼顾力量、精度与柔顺性。

高效能量回收与管理：研发更高效的能量回收技术（如在减速或下坡时将机械能转化为电能回充给电池）和智能化的能量管理系统，以显著延长电池驱动人形机器人的续航时间。

人形机器人作动系统是构建未来智能世界的基石。无论您是机器人行业的从业者、投资者，还是对前沿科技充满好奇的探索者，这份报告都将为您提供宝贵的洞察和决策依据。

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本报告为“人形机器人系列研究”的首发成果，未来我们还将围绕该领域的核心模块持续开展研究。欢迎采购系列报告，或洽谈个性化研究定制合作！

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