机器人前瞻（公众号：robot_pro）
编译 | 周加琦、刘俐杉
编辑 | 漠影
作为国内人形机器人领域最有代表性的企业，宇树不仅产品销量领先，更是自研人形机器人核心部件的代表。
那么，人形机器人有哪些核心零部件？
Humanity’s Last Machine整理了人形机器人13类核心零部件，系统拆解各类零部件的技术路线、选型逻辑与量产痛点，并分析了特斯拉、宇树、智元等头部企业在硬件上的选择。
机器人前瞻在不改变原意的基础上进行了编译整理，以下是本文的核心内容。如只对某部分内容感兴趣，可以随意跳转到对应的章节阅读。
1、骨架，包括不同类型的骨架、对应的材料以及国内外主要人形机器人企业的材料使用情况。
2、电机，包括不同类型的电机，对比各家在功率、扭矩、体积上的选择。
3、减速器，涵盖谐波、行星、摆线等类型，对比不同结构的适配场景、性能差异与头部企业选型路线。
4、编码器，分析多种传感方案优劣，解析精度、稳定性差异及各厂商的搭配逻辑。
5、丝杠，涵盖主流丝杠类型，对比各类丝杠特性与行业应用情况。
6、轴承，梳理常用轴承类型，介绍不同轴承的适配场景与使用差异。
7、执行器，涵盖主流执行器类型，对比各家结构设计与技术路线选择。
8、电池，涵盖不同电池类型，对比各家电池方案与选型特点。
9、算力，解析主流机载算力平台，对比海内外厂商的芯片方案与算力部署逻辑。
10、电路板，涵盖主控板、驱动板架构，梳理集成化设计、布线与工业量产适配趋势。
11、通用传感器，涵盖各类环境感知器件，梳理不同企业的传感器搭配选择。
12、触觉传感器，涵盖光学、压阻、压电、电容等主流技术，对比各家触觉感知方案的优劣与落地情况。
13、末端执行器，解析灵巧手结构设计、驱动方式、传感集成，对比头部企业手部硬件设计选择。
一、骨架
机身骨架是人形机器人最基础的结构载体，直接决定整机负重能力、体态稳定性和轻量化水平，是整机结构设计的核心。
按使用功能，骨架可分为三类：
第一类零部件用于承受机器人自身重量，以及电机施加的力，如髋部骨架、躯干结构、大小腿连杆以及肩部承载件。这类部件像房屋的梁和柱，需要在轻量化的前提下保持笔直、抵抗弯曲，以此来维持机器人的整体形态。
▲骨架（图源：Humanity’s Last Machine）
第二类零部件分布在执行器和轴承周围，如电机基座、齿轮箱外壳、轴承座和关节支架等。这类零部件不仅承受巨大的局部载荷，还受到集中的外力冲击。
为此，需要使用刚性强、热稳定性好的材料，采用高精度公差与过盈配合结构，以及牢固的连接方式，保证零部件在实际工况下不会松动。
对于移动机器人来说，更需要严格控制这部分重量并合理规划配重，保证关节的响应速度和能效。
第三类零部件为外壳、盖板、线缆导向件、传感器支架和防护罩，它们塑造了机器人的外形并保护内部元件。
不同功能的骨架零部件损耗不一样，因此在材料选择上也不同。
1、铝合金
铝合金是人形机器人骨架比较实用的选择，具备高强度、轻量化与易加工的特点。
通过设计上的优化，可以在不增加体积的前提下提高强度，在量产中主要用于制造电机、电子元件等内部零件的外壳。
2、钢材
钢材主要用于磨损严重的部位，如轴、齿轮、销钉、紧固件和轴承等。这类零部件需承受集中载荷、长期摩擦以及高频次的往复运动，钢材能够提高这类部件的耐用度。
3、镁合金
镁合金是最轻的结构金属，比铝合金约轻35%，可有效降低电机的工作负荷和功耗，所以很适用于人形机器人的肢体。
在传统工艺中，镁合金存在消防安全问题，其熔融后与空气接触会变得易燃。触变注射成型技术的出现解决了这一难题，该工艺可在半固态下加工镁合金，用于制造薄壁、复杂零部件，以此降低风险。
中国占据全球85%-90%的镁合金产能，海外仅少数企业配备对应量产设备。
4、钛合金
钛合金是高性能的小众材料，具备钢材级别的强度，且重量更轻，适用于关节支架和关键受力点。
但钛合金在加工过程中，产生高温时容易和其他金属材料发生化学反应，产生“咬刀”现象，增加处理难度。
5、复合材料
复合材料包含碳纤维、 Kevlar（芳纶纤维）、e-glass（玻璃纤维）等，主要用于肢体部分。在相同重量下，复合材料的强度远高于金属，可降低肢体的重量并减少运动时消耗的功率。但复合材料也有一些缺点：
·复合材料的高强度仅在沿着纤维方向的情况下才具备，垂直方向强度低，且抗冲击力较差。
·复合材料与金属骨架的连接难度大，会出现电偶腐蚀，即不同材料接触时产生微弱电流，侵蚀连接处。
6、高分子材料
高分子材料主要用于构造机器人外形、布设线缆以及保护精密传感器。
这类材料质地柔软，能有效减弱震动，避免振动对电子元件造成干扰。此外，它成本低廉、加工简单，能制造成各种复杂形状，实用性强。
二、电机
骨架搭建起机器人的躯体，驱动躯体完成抓取、放置、行走等动作的动力就是电机，其性能参数直接影响机器人的运动速度和精度。
电机可将电能转化为机械能，产生旋转运动，但电机本身只能实现旋转，要想通过转动实现高精度力矩控制、稳定运行等实用能力，需要电机外围的配套系统（齿轮箱、传感器、控制电子器件）来实现。
电机通常装配在关节处来控制运动，机器人的自由度越高，所用的电机数量越多。
人形机器人关节执行器主要使用带传感器的永磁无刷直流伺服电机，它可以提供位置和扭矩的实时反馈；空心杯电机主要用于灵巧手，去除铁芯后可实现精细操作。
1、控制与运动
电机本身无法感知自身的位置和目标位置，仅在通电时产生旋转，若要将无规则的转动转换成抬臂、保持姿势等有目的的运动，依靠的是电机外围的控制系统。
a、伺服电机
伺服电机按照外部指令进行运动，实现对位置、速度、扭矩的控制，例如控制机械臂达到特定的角度，保持稳定并有抵抗推力。这类电机的核心配置是内置了一种运动传感装置——编码器。
▲伺服电机（图源：Humanity’s Last Machine）
目前伺服电机已形成成熟的供应链体系，具备自研自产能力的头部企业包括 ABB、发那科、库卡、安川电机等，松下、博世、西门子和Robotis也提供该产品。
b、步进电机
步进电机以步进的方式运动，也就是分段式转动，很少用在人形机器人上，主要用于3D打印和CNC机床。
这类电机有很多磁极（约50到100个），磁极的作用类似于定位卡槽，能自动卡合定位，形成多个固定停止点位。每输入一个电脉冲，电机就会转动固定角度，因此不需要传感器就能预判运动。
▲步进电机（图源：Humanity’s Last Machine）
人形机器人上用比较多的是伺服电机，在这类电机内部，有几个关键设计会影响其性能和人形机器人的适用性。
2、换向方式
换向就是电机把控发力时机的方式，时机把握得准，运动才会平滑。目前主要有机械换向、基于传感器的电子换向和无传感器的电子换向三类。
a、机械换向
机械换向需要依靠金属电刷贴合电机内部旋转来切换磁力方向，但金属相互摩擦会产生磨损和干扰。
▲机械换向（图源：Humanity’s Last Machine）
b、基于传感器的电子换向
基于传感器的电子换向内置小型传感器，可检测转子磁场并反馈位置。这个方式不受转速影响，能够保持平稳运行。
▲基于传感器的电子换向（图源：Humanity’s Last Machine）
c、无传感器的电子换向
无传感器的电子换向依靠电信号推算转子位置，虽然硬件结构比较简单，但在低速运动和静止状态下起步时效果较差。
对于人形机器人来说，关节不仅需要在低速或静止状态下精准发力，还必须安静运行，并且能在不维护的前提下承受数百万次循环工作，所以一般选择基于传感器的电子换向。
3、电磁结构
电机通过不断推旋转体产生运动，电磁结构决定了这种推力作用的位置。
a、内转子与外转子
电磁结构首要选择——旋转体（转子）应该位于静止部件的内部还是外部。其中内转子电机的旋转体位于中心，磁力从外侧施加；外转子电机的旋转体包裹着定子，磁力用力的作用点离旋转中心远。
▲内转子与外转子（图源：Humanity’s Last Machine）
在相同磁力下，推力作用点越靠近中心，越有利于提高转速；反之有利于提升扭矩。
人形机器人关节优先考虑扭矩和可控运动，而非高速，所以主选外转子。
b、径向磁通、轴向磁通与横向磁通
径向磁通电机的磁作用力沿旋转中心向外辐射，呈圆柱形结构。目前这项技术成熟、认知度高且可规模化量产，是人形机器人关节的主选。
轴向磁通电机的磁力沿着转轴方向，可实现电机扁平化设计，并且在受限空间内具备更高的扭矩密度，但在散热和制造上受限。
横向磁通电机的磁力传导路径复杂，由于其结构复杂和产业成熟度低，在人形机器人应用上受限。
▲径向磁通电机、轴向磁通电机与横向磁通电机（图源：Humanity’s Last Machine）
4、永磁体的类型和结构
永磁体的类型决定磁场强度，结构则决定磁场的施加方式。
a、磁体类型
人形机器人执行器普遍采用稀土永磁材料，如钕铁硼。磁场强度越高，同等扭矩输出所需电机体积越小，恰好契合人形机器人关节轻量化、小型化的设计需求。但目前这类材料的开采和加工只集中在少数地区。
b、磁体结构
永磁体结构主要分为表贴式和内嵌式。其中表贴式永磁（SPM）产生磁场可预测，扭矩输出更平滑，纹波更小。相比之下，内嵌式永磁（IPM）可实现更高的峰值功率和高速运行效率，但会增加控制和制造的复杂度。
▲表贴式永磁电机、内嵌式永磁电机（图源：Humanity’s Last Machine）
对于人形机器人关节来说，输出平稳的力和可预测的运动特性比高转速更重要，所以表贴式选择更常见。
上述主要是人形机器人关节中使用的电机。而灵巧手的工作条件不一样，其执行器必须小且要响应迅速，尽可能减少活动对手指惯性的影响，同时在接触时需具备柔顺力控和反向驱动能力。因此，这部分电机的选择优先考虑轻量和平稳的力输出。
市面上包含有铁芯电机和空心杯电机，其中有铁芯电机将铜线圈缠绕在铁芯上，可以放大磁场，提升电机功率，但很重。
空心杯电机无铁芯，铜线圈通过自身结构成型并独立旋转，整机重量大幅降低、响应速度更快、运动更平稳。此外，空心杯电机无齿槽效应，高度适配手部精细化操作场景。
▲空心杯电机（图源：Humanity’s Last Machine）
当然，空心杯电机也有短板，为弥补无铁芯损失的效率，此类型电机需要更多铜绕组来产生相同扭矩，进而需要更高的电阻，这就意味着会产生更多热量。因此，空心杯电机在大电流工作时容易过热烧毁。
三、减速器
电机的设计初衷是实现高速旋转，但自身扭矩小，如果将人形机器人手臂直接与电机相连，很难完成举升动作。
减速器的功能就是牺牲转速换扭矩，将电机的高速旋转转化为机器人需要的低速、大扭矩运动，让机器人手臂实现重物举升并保持姿势。
减速器加工精度要求很高，是人形机器人整机成本占比最高的核心零部件之一。如果内部部件之间存在微小的间隙，机器人手臂就会出现松动和抖动。
为避免这种情况，制造商需要将金属加工控制在微米级公差范围内，导致高品质的减速器制造难、成本高。
目前，减速器主要分为谐波减速器、摆线针轮减速器和行星减速器，其中谐波减速器是人形机器人的主选。
1、谐波减速器
谐波减速器由波发生器、刚轮和柔轮三个基本构件组成，工作时所有齿轮不会同时啮合，仅有一小部分齿面会啮合，啮合区域沿齿轮圆周呈波浪状移动。
▲谐波减速器（图源：Humanity’s Last Machine）
这种设计使得谐波减速器能够在极小的体积内，实现高精度和几乎为零的回差，但代价是效率低、对冲击载荷能力差，并且材料反复柔性变形会导致部件磨损。
在人形机器人中，谐波减速器常用于精度要求高的部位，如肩部、肘部、前臂和腕部等。
2、摆线针轮减速器
摆线针轮减速器由输入机构、摆线轮、针轮及输出机构组成，属于齿轮传动的一种。
它通过摆线轮齿与滚针/销钉的相互作用传递动力，有效增大接触面积。同时，它采用偏心输入轴驱动摆线盘做偏心摆动，区别于传统的齿轮啮合。
摆线针轮减速器的抗冲击力强、高速性能稳定、传动效率高。
在工业机器人领域，其高端变体“RV减速器”具备极低的回程间隙与高扭转刚度，适用于重型关节。在人形机器人中，主要用于腰部、髋关节、膝关节等部位。
▲摆线针轮减速器（图源：Humanity’s Last Machine）
当然这些优势也带来高成本、设计复杂度高和体积偏大等难题。目前全球市场高度集中，日本企业纳博特斯克占据全球RV减速器市场六成份额。
3、行星减速器
行星减速器是最常见的一类，中间有一个太阳轮，周围环绕着几个行星轮，外部是一个内齿圈。太阳轮转动带动行星轮公转，同时行星轮也会自转，最终通过行星架输出动力。
▲行星减速器（图源：Humanity’s Last Machine）
行星减速器结构简单、内部紧凑且坚固，但相比较其他的减速器精度一般，所以一般用于人形机器人腿部、髋部等精度要求不高的部位。
市面上行星减速器供应厂商众多，代表企业纳博特斯克、哈默纳科、西门子、住友、ABB、邦飞利和绿的谐波等。
四、编码器
电机为机器人提供运动的动力，但无法感知自身的转速和停止位置。编码器作为传感装置，可将物理运动转化成速度、方向、位置数据。
多数电机在出厂时就已预装编码器，但人形机器人会在关节处额外加装编码器，用来检测四肢的实际运动状态。加装编码器会使成本翻倍，但能在一定程度上解决“Sim-to-Real Gap”问题。
如何选择适配的编码器，需要从以下三个维度进行分析：
1、运动形式
运动形式主要分为旋转式和直线式。其中，旋转编码器用于检测物体转动角度，适用于人形机器人膝关节、肘关节等部位。
直线编码器用于检测直线位移，在人形机器人关节用的比较少。
2、传感技术
传感技术主要分为光学式、磁敏式和电容式，决定编码器的成本、耐用性和精度。
a、光学编码器
光学编码器通过光线穿过或反射带有图案的码盘来实现检测，具备最高的分辨率。但它对灰尘、油污、震动等很敏感，通常用在密封的电机模块或者干净的工业环境。
▲光学编码器（图源：Humanity’s Last Machine）
目前光学编码器供应链成熟，主流供应商包括海德汉、博通、雷尼绍、堡盟、Dynapar、欧姆龙和库伯勒等。
b、磁编码器
磁编码器是人形和足式机器人的主选，抗粉尘、容错性高，对磁体安装精度要求低。它的分辨率相比较而言略低，对极端温度、机械冲击以及电机周边杂散磁场敏感，但具备高可靠性、紧凑性和低成本的优势。
▲磁编码器（图源：Humanity’s Last Machine）
布局该技术路线的企业包含海德汉、雷尼绍、西克、堡盟、ZeroErr、迈来芯等。
c、电容式编码器
电容式编码器由发射器、调制器（转子）和接收器组成，通过检测电极间的电容变化来实现位置检测，小体积内实现高分辨率定位，但对湿度和电磁干扰敏感，目前在使用上还比较小众。
▲电容式编码器（图源：Humanity’s Last Machine）
涉足电容式编码器研发与量产的有雷尼绍、海德汉、堡盟、西克、欧姆龙等相关企业。
3、输出模式
输出模式主要分为增量式和绝对式。增量式编码器结构简单、响应快，记录的是相对运动变化量，多用于直接检测电机转速。
绝对式编码器可实时读取自身位置，断电重启后也能立即获取位置信息，是人形机器人关节的必选。
五、丝杠
丝杠通过限制螺母的转动，将电机的旋转转化为螺母的直线推拉运动，使得人形机器人实现下蹲、负重等任务，主要分为滚珠丝杠、行星滚柱丝杠和梯形丝杠，根据成本、获取方式和抗冲击耐用性来选择。
1、滚珠丝杠
滚珠丝杠是人形机器人四肢和躯干执行器的标准选择。当电机旋转时，限制了丝杠和螺母相对转动，螺母被迫沿着丝杠做直线运动，进而带动四肢、关节连杆的运动。
滚珠丝杠只能实现直线运动，在与旋转关节连接时需配备额外的连杆和杆端关节，但这些部件会带来松动和变形，所以整体构造难度和复杂度较高。
▲滚珠丝杠（图源：Humanity’s Last Machine）
目前，滚珠丝杠市场由欧洲和日本供应商主导，共占约70%的市场份额，如SKF、NSK、THK。同时国内厂商也已实现技术跟进与量产配套，核心代表企业包括江苏恒立液压、上银科技、上海北特科技。
2、行星滚柱丝杠
行星滚柱丝杠主要用于人形机器人的膝关节、踝关节和髋关节等高性能关节。
与滚珠丝杠不同的是，行星滚柱丝杠采用多个带螺纹的滚柱，像行星一样围绕丝杠公转，滚柱和丝杠之间是“线接触”，而不是“点接触”，将力量分散在更大的表面积上。
行星滚柱丝杠有很强的承载能力，并且使用寿命也比较长，是滚珠丝杠的10-15倍。但是这类丝杠制造成本高且复杂，全球市场供应也很有限。
▲行星滚柱丝杠（图源：Humanity’s Last Machine）
目前实现规模化供货的厂商不多，国内代表企业为南京工艺，海外主流供应商包含 Tolomatic、博世力士乐。
此外，行星滚柱丝杠有标准式、反向式、循环式、差动式和轴承环式五种。
反向式行星滚柱丝杠不适用长距离运动，但能在小空间内承受大载荷，用于对体积、速度和集成度要求高的系统。
循环式行星滚柱丝杠的滚柱是滚轮状，适用于对刚度、强度、精度要求高的场景。
差动式行星滚柱丝杠不采用循环滚柱，每个滚柱有两段螺纹，适用于对精度和微调要求高的场景。
3、梯形丝杠
梯形丝杠结构简单，精度差且易发热，很少用于人形机器人中。
六、轴承
当两个部件发生相对运动时，会产生摩擦、热量和磨损，轴承则位于这些部件之间，避免直接摩擦。
轴承决定运动的质量，用于人形机器人中所有关键连接点，如电机轴，髋关节、膝关节、踝关节的主轴线等部位。
目前人形机器人常用的轴承有六大类：球轴承、滚子轴承、滚针轴承、推力轴承、关节轴承和交叉滚子轴承。
1、球轴承
球轴承通过两个套圈之间的钢制滚珠实现滚动，相比于直接滑动，这种方式大幅降低了摩擦。由于滚动接触的摩擦只集中在极小的点上，球轴承运动平稳且效率高，但无法承担太大的载荷。
因此球轴承主要用于腕关节、肘关节、肩关节、手部和手指等对运动平稳性要求高的部位。
▲球轴承（图源：Humanity’s Last Machine）
2、滚子轴承
滚子轴承用圆柱形滚子代替滚珠，接触形式从“点”变成“线”，能承受更高的径向载荷，并保持刚性。
滚子轴承主要用于承受人形机器人自身重量的关节，如膝关节、踝关节、腰部、髋关节等。
▲滚子轴承（图源：Humanity’s Last Machine）
3、滚针轴承
滚针轴承使用细长的滚针，这样适配狭小紧凑的关节，同时承受一定的载荷。该轴承适用于紧凑型旋转执行器、手臂或腿部的铰链，以及直径受限的密集区域。
▲滚针轴承（图源：Humanity’s Last Machine）
4、推力轴承
推力轴承将旋转运动和承重功能分离，在不影响径向旋转的前提下，承受轴向载荷，用于踝关节、颈部关节和垂直旋转平台。
▲推力轴承（图源：Humanity’s Last Machine）
5、关节轴承
关节轴承允许绕多个轴线旋转，用于摆动调节和对中校准，主要支撑关节周围的连杆结构，如髋关节和腿部的连杆、相机和传感器的云台等部位。
▲关节轴承（图源：Humanity’s Last Machine）
6、交叉滚子轴承
交叉滚子轴承呈十字交叉排列，能够同时承受径向载荷、轴向载荷、扭转载荷。
▲交叉滚子轴承（图源：humanityslastmachine）
该轴承内圆柱形滚子和金属套圈的接触面积大于球体，在压力下不会变形，主要用于髋关节、膝关节、肩关节和腕关节等关键部位。
七、执行器
执行器对于人形机器人来说，就像人体内的肌肉、肌腱和控制神经：肌肉感知外界刺激后传递动力，驱动肢体完成动作。
人形机器人可以看作由多个执行器协同工作构成的系统，如特斯拉擎天柱全身有28个执行器。
执行器是将电机、齿轮箱、传感器和控制电子元件集成于一体的关节级单元。按动力来源划分，执行器分为气动式、液压式和电动式。
1、气动执行器
气动执行器通过储存高压空气，随后将其释放到气腔，推动机械部件运动。但由于空气自身具有可压缩性及延迟性，导致气压驱动模式在精准控制方面难以达到理想效果。
此外，该执行器还存在效率低、气压产生力量较小等缺点，在人形机器人中应用频率较低。
▲气动执行器（图源：Humanity’s Last Machine）
气动方案在传统自动化领域发展成熟，该赛道相关供应商如德国企业费斯托。
2、液压执行器
液压执行器不像空气那样容易压缩，所以能更直接、可预测地传递力量，在重载荷下产生巨大的力量和平稳运动。
美国波士顿动力推出的Atlas人形机器人，曾采用了11年的液压驱动；Sanctuary AI在灵巧手上配备液压执行器；Clone Robotics将在下一代模型使用定制的液压阀，降低工作噪音。
但该执行器也有缺点，自重大、生产需复杂且精密工艺、维护成本高，因此目前人形机器人领域应用较少。
▲液压执行器（图源：Humanity’s Last Machine）
3、电动执行器
电动执行器可控性强且成本低，是人形机器人在动力方面的首选。
这种控制源于执行器内部机构设计，电力很容易通过电线传输，并且容易通过软件控制，与传感器和反馈系统天然兼容。
该执行器精度高、效率高、响应速度快，适用于追求高精度、可编程性和紧凑化设计的人形机器人。
▲电动执行器（图源：Humanity’s Last Machine）
按运动形式划分，执行器包含直线运动和旋转运动。
直线运动指沿直线的运动，如推和拉。气动和液压执行器都可以利用气缸内活塞运动，实现直线运动。电动执行器通过将电机的旋转输出，与滚珠丝杠等机械转化系统相结合实现，将旋转运动转化为精确的直线位移。
旋转运动指绕固定轴线的圆周运动，用于旋转或转动。电机是最基础的旋转执行器，直接将电能转化为轴的旋转运动。
在人形机器人的设计中，执行器的选择指标包括功率密度、可控性、效率、响应速度、系统复杂度等。
八、电池
电池由许多零部件构成，但就机器人所用的电池而言，可按三个层次进行分类：电化学体系、具体化学成分以及封装类型。
1、电化学体系
这一分类层级依据充放电过程中，实际迁移的离子种类来划分电池。它是电池最基础的分类方式，直接决定电池的能量密度上限、输出功率、安全阈值、温度适应性、循环寿命以及长期供应风险。
a、锂离子电池
对比以往各类电池，锂离子电池具备两大核心技术优势：轻量化和嵌入。
轻量化：锂离子作为主要电荷载体，采用石墨这类轻量化材料制作。锂是元素周期表第三轻的元素，最外层有一个易脱离的电子，化学活性极强，极易释放能量。同等体积、重量下，锂离子电池能输出更多电能。
嵌入：锂离子并不会与电极材料形成新的化学键，而是暂时进入电极晶格中的空隙，并在充放电过程中再次迁移出来。这使得电池能够快速充放电，并且仅产生较少的热量和结构损耗，从而让同一个电芯能够承受数千次循环。
2、电极材料
各类电池名称繁多，但实际上只是根据其负极和正极材料的组合来命名。
a、负极
绝大多数锂离子电池的负极（阳极）都由石墨制成。石墨能成为行业主流材料，主要是因为成本适中，且经过数千次充放电循环后仍能保持良好的结构稳定性。
b、正极
人形机器人通常优先采用高镍正极材料，因为在系统设计中能量密度是最重要的因素。其他金属元素的作用，则是在尽可能减少镍材料缺陷的同时，让电池能投入到实际工况中使用。
镍是锂离子电池中提升能量密度的核心元素。
高镍正极的工作电压更高，单位质量可储存更多锂离子。这一特性直接带来两大优势：续航时间更长，或是电池组重量更轻。
但缺点是，镍含量越高，电池在极端使用条件时的起火风险也会上升。晶格结构稳定性下降，长期使用会导致电池性能衰退。
钴可以提升正极内部的电子导电能力，让锂离子在快速充放电过程中保持有序迁移，可避免产生过多热量。此外，钴还能抑制部分电池衰减机制。
但钴原料价格高昂，矿产资源地缘分布集中，行业长期趋势是减少钴的使用量，甚至完全不用。
锰能够增强材料的晶格结构稳定性，同时提升电池热稳定性。锰含量更高的电池通常使用寿命更长，出现故障时也更不易发生剧烈热失控。
然而，增加锰含量通常意味着牺牲部分续航能力或增加电池组重量，也就是要在能量密度上做出让步。
磷酸铁锂（LFP）的核心特性来自磷酸根，它能将氧原子牢牢锁在晶格内部。这种结构优势带来了更高的安全性和稳定性。但代价是铁基正极的工作电压偏低，因此无论制造工艺或产能规模如何优化，其能量密度上限都会受到限制。
目前人形机器人普遍选用镍锰钴材料（NMC）。该材料在四个维度上都取得了平衡，且大量应用于电动汽车市场，原材料供应链供给充足。
磷酸铁锂（LFP）耐用性强、安全性极高，但自身重量偏大，常用于固定储能设备和轮式机器人。对于人形机器人而言，额外增加的重量会连带引发扭矩需求上升、发热加剧、驱动器规格升级等一系列问题。
3、封装
封装层决定了这些化学电芯在物理结构上的封装方式，而这会直接影响机器人的结构设计。
▲圆柱形电芯、方形电芯、软包电芯（图源：Humanity’s Last Machine）
a、圆柱形电芯
圆柱电池结构的本质是将负极、正极及电解质等材料层叠卷绕在一起形成的电芯。电芯外部为硬质金属外壳，自带机械防护能力，因此成为户外巡检机器人、配送机器人以及农业无人机等设备中的常用选择。
除物理保护外，当电芯组合排列时，其圆形外形之间会形成类似“蜂窝状”的空气间隙。这些间隙可让空气或液体冷却剂在每颗电芯周边顺畅流通，避免机器人高扭矩动作时产生热量。
b、方形电芯
方形电芯为矩形块状结构，外壳采用钢材或铝材。其核心优势在于空间利用率高，因此自主移动机器人、大型地面工业机器人普遍选用方形电芯。
▲方形电芯（图源：Humanity’s Last Machine）
但与圆柱电芯相比，方形电芯的散热难度更大，因为电芯之间没有间隙可供空气流动。因此，采用方形电芯的机器人通常需要更复杂的冷却板，将电芯堆叠体表面上的热量及时导出。
c、软包电芯
软包电芯采用轻量化电池设计思路，质地柔软，可根据需要定制形状，或贴合机器人机身内部狭小且不规则的空间进行布置。
但它防护性极差，极易鼓包，也怕被尖锐物体刺穿。因此，软包电芯必须安装在由机器人本体提供的、经过专门设计的高强度刚性结构中，以获得必要的机械支撑和保护。
九、算力
算力直接决定机器人的智能作业水平。整套机器人智能链路可分为感知、规划、控制三大环节。
感知依托神经网络处理全部传感器原始数据；规划依靠大Transformer模型输出后续行动策略；控制以500–1000赫兹控制频率，将行动策略转化为每台执行器精准的扭矩输出。
感知与规划任务依赖GPU提供大规模并行计算能力，运动控制则需要CPU或专用硬件实现确定性、极低时延的运算。机器人处理器需要无缝兼容两类完全不同的算力需求。
1、NVIDIA生态系统
Jetson是英伟达面向嵌入式计算机推出的产品系列。这些设备通常由小型、低功耗的计算模块构成，专门用于在机器人、无人机和边缘设备上运行AI。
在Jetson系列中，“AGX” 代表高性能层级（与之相对的是Nano、NX这类轻量化模组）；“Orin”和“Thor”则是代际名称，就像苹果将芯片命名为M1、M2、M3一样。
发布于2022年的Jetson AGX Orin，在50W功耗下，最高算力可达275TOPS（每秒275万亿次运算），TOPS是衡量芯片每秒能完成多少AI计算的标准指标。
▲Jetson AGX Thor（图源：Humanity’s Last Machine）
2025年8月，英伟达推出了Jetson AGX Thor，这款新品最大的突破并不只是提升峰值TOPS算力，而在于其能效和内存容量的提升：能效相比Orin提升约 3.5 倍，并配备128GB内存，能够在设备端运行超过700亿参数规模的模型。
在130W峰值功耗下，Thor已接近移动机器人实际应用中的散热极限。但对于追求实现端侧智能的机器人应用而言，它代表了当前行业最高技术水平。
首批采用该平台的厂商包括：Agility Robotics、波士顿动力、Figure、亚马逊机器人、美敦力。
2、特斯拉生态系统
特斯拉没有采用现成的Jetson模组，而是专为旗下机器人（及车辆）自研定制芯片。Optimus搭载特斯拉全自动驾驶（FSD）计算机，其核心是自研的片上系统（SOC）。
不同于传统方案在电路板上拼接各类独立元器件，SoC是一种将处理器、内存控制器以及AI加速器集成在同一块硅芯片上的计算架构。
特斯拉的神经网络针对其芯片进行设计，而其芯片也针对这些神经网络进行优化。最终成果是：神经网络推理能力约36 TOPS，整个计算系统具备较高能效，并且仅依靠2.3千瓦时电池、纯视觉感知方案，就能实现全天连续作业。
特斯拉下一代AI5芯片预计将应用于未来机器人平台，该芯片相较现有硬件性能提升约40倍，通用算力提升8倍，每瓦性能提升3倍。 这体现了特斯拉的核心判断：通过自研专用芯片，最终能够超越通用算力方案。
十、电路板
电路板在运行过程中是否运动，决定了所要采用的基材类型。
1、刚性板
刚性板（硬板）适用于任何不需要运动或弯折的场景。在人形机器人中，通常用于躯干部分。
2、柔性板（软板）
柔性板可以弯曲、折叠，并能穿过运动关节，且不会产生导致导线断裂的疲劳损伤。同时柔性板分为静态柔性板和动态柔性板。
▲柔性板（图源：Humanity’s Last Machine）
静态柔性板：单次弯折，在组装时进行定型，之后便固定不动。这适用于奇特角度的电路板互连，或用于适配弧形外壳。
动态柔性板：在运行过程中随机器人运动而持续弯折，穿行于肘关节、腕关节和指关节之间。
3、刚柔结合板
刚柔结合板（Rigid-Flex） 将用于安装元器件的“刚性板（硬板）”与用于弯曲连接的“柔性板（软板）”组合在一起。它整体采用一体化制造工艺，这意味着刚性区和柔性区之间无需任何连接器。
另一个核心优势是空间布局。以机器人手指为例，每个指节都需要布置电子元器件，而空间往往要精确到立方毫米。在这种极端情况下，刚柔结合板通常是唯一可行的方案。
▲刚柔结合板（图源：Humanity’s Last Machine）
一台人形机器人通常需要使用一组高度定制化的电路板：
·计算板（Compute Board）：用于运行AI模型。
·电机驱动板（Motor Driver Board）：用于控制各个关节。
·传感器接口板（Sensor Interface Board）：分布于全身上下。
·电源分配板（PDB）：用于输送电流。
·电池管理系统（BMS）：用于监控电芯状态。
在这些电路板中，电机驱动板最为特殊。因为它们在承受持续机械应力的同时，还要处理整台机器人中最高的功率输出。
在这类板子上，有一种元器件的重要性超越了其他绝大多数部件，那就是MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）。
MOSFET（场效应管），可以理解为一种高速开关器件，它能够进行每秒数千次地开启和关闭。通过控制导通时间与关闭时间的比例，电机驱动器可以调节输送给电机的功率大小。导通时间占比越大，输送给电机的功率越大。
对于人形机器人而言，MOSFET所承受的工作环境更加严苛。机器人关节在极短时间内完成启动、停止、反向运动，这些动作都会导致瞬间的大电流冲击，并产生大量热量。
因此，电机驱动板的PCB（印刷电路板）既需要采用更厚的铜层、更宽的电流走线，能够承载大电流，还需要承担MOSFET的散热功能。
4、线束与布线
线束（一种将多根导线束缚在一起并进行加固的整洁组件，用于精确限定导线的走向和运动轨迹）充当电路板之间的桥梁。它们沿着精心设计的骨骼路径，传输大功率电源和高速数据信号。
要提高系统的可靠性，关键不在于彻底取消线束，而在于精简线束数量并严格控制其运动范围。
十一、通用传感器
1、外部传感器
a、激光雷达 (LiDAR)
激光雷达通常安装在头部或躯干上，这个位置既能平衡视野与传感器防护，又能让它远离高频碰撞区域。
激光雷达擅长空间建模和障碍物检测，且不受光照条件的影响。在人形机器人中，激光雷达主要用于导航与建图（SLAM），通过发射激光脉冲并测量其返回时间来计算距离。
▲导航与建图（图源：Humanity’s Last Machine）
b、毫米波雷达 (Radar)
毫米波雷达利用微波/射频信号来测量物体的距离和运动状态。其核心优势在于可以直接测量出是否有物体在向机器人靠近或远离、以及移动的速度有多快。这一特性使其非常适合用于对安全要求极高的快速反应机制。
但在实际应用中，雷达并不能作为机械臂操作的视觉感知传感器。它的空间分辨率太低，无法识别物体的形状或抓取点。
c、相机 (Camera)
所有相机都是将物理世界的变化，转化为空间和时间上的结构化信号。不同相机之间的区别，主要在于它们响应的物理信号不同，以及它们编码信号的方式不同。
相机通常安装在头部或上躯干，这些位置可以提供毫无遮挡的环境视野。相机也会被安装在手腕上，用于近距离的操纵与抓取。
·事件相机 (Event-Based Cameras)
事件相机不依赖固定的帧率（图像帧），而是只对光强的变化做出响应。在灵巧手应用中，这表现为一种“条件反射”：在物体真正掉落之前，一旦检测到物体开始微动，便瞬间收紧抓握。
▲事件相机（图源：Humanity’s Last Machine）
·深度相机 (Depth Cameras)
深度相机用于捕获距离信息。它不仅仅是看到橡胶皮肤上出现了一个“凹坑”，而是能准确地告诉机器人这个凹坑的深度是多少毫米。
▲深度相机（图源：Humanity’s Last Machine）
·红外热相机/热成像相机 (Thermal Cameras)
红外热相机用于捕获热量传递信息，这在人机交互、材质识别或安全防护中非常重要。
2、内部传感器
a、磁传感器
磁传感器主要用于测量关节角度、转动圈数以及内部运动状态。由于磁传感器对电磁干扰（EMI）较为敏感，因此，它们通常嵌入在关节、电机和执行器内部。
▲磁传感器（图源：Humanity’s Last Machine）
b、力与力矩传感器
力与力矩传感器是一个安装在机器人与外部环境之间的刚性金属件，通常布置在手腕关节或工具安装末端。它们的作用是测量机器人所受到的推力、拉力或扭矩。
▲力与力矩传感器（图源：Humanity’s Last Machine）
对于人形机器人而言，这种特性是实现顺应控制的关键。当机器人遇到阻力时，它可以主动“卸力”。同时，它还能实现碰撞检测以及与人类的安全交互。
其核心应用场景包括：食品行业以及自动化按摩理疗。
c.惯性测量单元（IMU）
惯性测量单元（IMU）的作用是告知机器人其线运动的加速度以及旋转的角速度。
一个IMU主要由两个核心部件组成：陀螺仪和加速度计。
其中，陀螺仪用来感知旋转，即角速度。陀螺仪能够以“弧度/秒”为单位测量旋转速度，从而在机器人向任何方向倾斜的瞬间将其精确捕获。
加速度计用来感知线运动。当电梯下降时，失重感正是因为身体感知到了速度的突变。这对于维持机器人的姿态平衡至关重要。
IMU的核心目标是提供高频反馈（通常在100Hz到1000Hz之间）。由于它依赖的是惯性物理原理，而非外部信号（如GPS或摄像头），因此IMU可以在任何环境下工作——无论是在水下、深空，还是在无窗的密闭房间内。
全球IMU行业主要由海外老牌厂商主导，国内企业正加速实现技术突破与国产替代。国外包括XSens、Analog Devices、VectorNav、Thales等企业，国内的如上海威湃芯研、安徽芯动联科等企业。
十二、触觉传感器
对于机器人而言，触觉传感器就像是人类的皮肤，皮肤可以感知压力、温度、表面纹理、滑动以及疼痛。而触觉传感器，就是试图用电子元器件来代替神经末梢实现这些功能。
1、光学式触觉传感器
光学式传感器是利用视觉系统作为纽带手段来感知触觉，而不是直接去观测外部世界。这类传感器主要分为基于摄像头的传感器和光纤传感器两大类。
a、基于摄像头的传感器（视触觉传感器）
这类传感器具有超高的空间分辨率，尤其擅长检测剪切力（侧向力）和微滑动。这使得它们非常适合用于灵巧手操控。
然而，其代价在于封装体积和响应速度。摄像头需要一定的物理深度（光路空间）来成像，这就导致手指末端或手掌不得不做得更厚。
此外，这类传感器是基于帧率采集的，这会带来数据滞后的问题，限制了其对超高速或极微弱接触的响应能力。
同时，任何无法引发表面明显形变的物理量（如温度、振动或极轻微的触碰），都必须依靠额外增设的感知层才能测得。
视触觉路线持续受到科研与产业端关注，海内外多家企业完成相关产品落地，代表性厂商包含海外的Contactile、Sharpa Robotics、ETC Robotics，以及国内的戴盟机器人。
b、光纤传感器
光纤传感器用导光介质（光纤）代替了摄像头。光线通过纤细的玻璃或塑料纤维束被传输到传感区域，当皮肤受到挤压时，光线会发生不同程度的弯曲、阻挡或反射。系统通过测量最终返回的光强大小来获取触觉信息。
由于光纤传感器不含金属也不通电，它们能够完全免疫电磁干扰（EMI）。凭借这一特性，使其适配于在核磁共振（MRI）、高压工业设备，以及对杂散电流、噪声、发热限制严格的医疗环境。
光纤触觉感知属于高精光学赛道，海外企业起步更早、技术积淀更深厚，国内光学厂商也快速跟进配套研发，核心代表企业有日本索尼、国内光学龙头舜宇光学科技。
2、压阻式与压电式传感器
在压阻式传感器中，挤压材料会改变电流通过的难易程度。压力越大，材料压缩得越厉害，电阻值也就随之改变。因此，压阻式传感器主要用于连续压力感知和安全防护。
压电式传感器的工作原理则完全不同。当材料受到变化（如挤压、敲击或振动）时，它自身会产生微小的电荷。然而在持续的静压力下，这些电荷会迅速流失，导致信号衰减。这一特性使其主要用于探测冲击力、振动或是接触发生的瞬间。
两类触觉传感器技术成熟、商业化落地广泛，全球头部供应商集中在海外，行业核心参与企业包含泰科电子、PI、TDK 电子、Honeywell。
3、电容式传感器
电容式传感器通常应用于机械臂或机械手爪的机器人“皮肤”上。其内部包含两块相互分离的金属极板，传感器会持续监测这两块极板之间的电场。
▲电容式传感器（图源：Humanity’s Last Machine）
但由于信号依赖于电场，它极易受到电磁噪声、静电或接地不良的干扰。
4、磁性传感器
磁性传感器通过监测磁场如何移动来追踪触碰。一个小型磁体被嵌入在软质材料中，附近则放置一个霍尔效应传感器，当表面发生形变时，磁体就会移动位置。传感器会测量磁场的变化，从而判断磁体的位置。
由于磁体可以向多个方向移动，磁性传感器不仅能感知垂直压力，还特别擅长探测滑动和扭转等剪切力。通过精确的标定，单个传感器单元就能推算出多个自由度，有时甚至能实现完整的六自由度接触运动感知。
然而，磁体本身需要占用一定的空间，因此这类传感器无法做到像纸一样薄。此外，附近的金属或其他磁体也会对信号产生干扰。
十三、末端执行器
末端执行器是机器人用来与外部世界进行交互的部件。在人形机器人领域，它几乎特指机械手。不过，在某些特定的受限应用场景中，部分设计也会直接安装特定用途的工具。
1、灵巧手
评估灵巧手设计最简单的方法，就是看需要的手指数量。手指数量越多，意味着潜在的接触点越多，操纵物体的方式也越多样。但与此同时，这也会增加电机数量、传感器数量、整体重量以及系统的故障率。
a、双指方案
双指夹爪成本低、可靠性高，足以应对绝大多数的取放任务。
研究人员已经证实，仅通过两个手指和一个驱动器，就能实现手内操纵，即在不松开物体的情况下，对其进行旋转和重新定位。
▲双指夹爪（图源：Humanity’s Last Machine）
要让双指方案发挥最大功效，需要满足两个条件：一是灵巧手本身足够强韧，在与环境发生碰撞接触时不会损坏；二是其基座模型能够策略性地利用这些环境接触点。
许多初创公司和研究实验室都在采用双指方案，例如Physical Intelligence、Generalist、戴纳机器人和Fauna Robotics。
b、三指方案
三指方案增加了第三根手指，可以提供稳定的三脚架式抓取（Tripod grasp），使机器人具备基本的工具使用能力，并能在不增加完整手部复杂度的情况下，实现一定程度的手内操纵。
此外，三指方案还能为使用电钻、手电筒等工具提供功能性抓取（Functional grasps）。
c、四指方案
四指方案可以采用类似人类手部的布局，即一个大拇指加上三根手指，从而舍弃了小拇指。
▲四指（图源：Humanity’s Last Machine）
d、五指方案
如果设计目标是直接兼容人类生存环境，或者应用场景是要求外观和功能都必须像自然手一样的假肢，那么可采用五指方案。
目前，最先进的五指灵巧手极少在复杂的操纵任务中接受测试。它们不仅售价高，目前高达5万美元以上，并且存在严重的热管理问题。但限制其发展的核心瓶颈在于控制系统与传感技术。
除了手指的数量之外，手指的驱动方式也会极大地影响灵巧手的功能表现以及制造成本。
e、全驱动方案
全驱动灵巧手的每个自由度都拥有大约一个独立的电机，这种设计能提供最大的控制力，因为每个关节都可以独立定位，并且能够精准地施加力道。
然而，将如此多的电机塞进手掌大小的有限空间内，在机械工程上极具挑战。目前，这类灵巧手通常仅局限于实验室环境中使用。
f、欠驱动方案
欠驱动灵巧手的电机数量少于其自由度数量，一根拥有三个关节的手指可能仅由一个电机驱动，各关节之间通过连杆或腱绳相连，这种设计可以实现自适应抓取。
当手指抓取不规则物体时，关节只有在接触到物体表面后才会停止运动，因此手指会自然地包裹住物体。
未来，大多数在商业上取得成功的机器人手，很可能都将采用欠驱动方案。
g、腱绳驱动（线驱）方案
腱绳驱动灵巧手模仿了人类的解剖结构。它将电机安置在前臂内，并通过线缆来传递动力。这种远程驱动的方式可以让手指保持纤细且具备高响应速度。
然而，这种结构会引入摩擦力以及线缆拉伸的问题，随着时间的推移，这可能会降低系统的传动效率和控制精度。
h、液压与气动方案
绝大多数灵巧手都使用电机驱动，但也有一些公司正在探索液压和气动驱动方案。例如，Sanctuary AI 在其灵巧手设计中使用了微型液压阀；Clone Robotics 早期采用气动方案，现已转向定制化液压阀，以实现更安静的运行。
由于系统复杂度高，此类灵巧手必须配备泵、阀门以及流体管理体系，而这些是电驱灵巧手所不需要面对的。
并不是所有的任务都需要一双“手”。工业机器人通常会使用吸盘、磁性夹爪、挂钩以及其他特定任务的专用工具。但对于人形机器人而言，其核心价值主张在于其通用性。
十四、驱动系统与灵巧手成本最高，整合、简化是主要降本方法
人形机器人成本的下降将主要依赖于平台复用、垂直整合、简化架构以及砍掉不必要的功能。
1、驱动系统
驱动系统金额最大、最难通过规模化来压缩的成本。目前，宇树科技的关节执行器平均成本约为2000元，每台机器人平均需要使用大约25到30个执行器。
电机约占关节总成本的 20%–25%，价格在400–500元左右；编码器约占10%–15%；减速器约占45%–50%；其余部件如机械外壳、结构件以及减速器内部的制动器，约占10%。
真正的降本杠杆在于降低驱动系统的复杂度，比如减少关节数量、简化轮系设计、提高关节模块的复用率，以及通过柔顺控制来兼容机械旷量。
然而最近的行业动向却在背道而驰：以宇树为例，其早期车型的关节数量大概在23到26个，但到了2026年的规划中，关节数量已经增加到了29到31个。目前，纯机械部件（如传动件）似乎已经进入成熟期，技术迭代和降本的空间已经非常有限。
2、灵巧手
灵巧手成本同样很高，并且在量产规模下也维持高位。
空心杯电机约占灵巧手总成本的30%；触觉传感器是最主要的成本驱动因素，约占总成本的40%，绝对成本约为6,000元；减速器/微型滚珠丝杠约占20%；结构件与外壳约占10%。
假设传感器主要部署在指尖以及部分掌心区域，两只手总共布置约60个传感器单元。
要降低物料清单成本，就必须在设计上做出妥协。事实上，大多数应用场景完全可以使用更简单的末端执行器，例如少指灵巧手、欠驱动机构或特定任务的夹爪。
如今的机器人系统高度依赖冗余传感器，以此来补偿尚未成熟的标定技术和脆弱的感知算法栈。随着感知能力的提升，更少的传感器将带来更低的物料清单成本。即使是“复杂”的操控任务，可能也并不需要复杂的灵巧手或触觉传感器。
3、控制板、驱动器和计算单元
这类在物料清单成本中所占的比例并不高。随着该品类受益于大规模 PCB 拼板和标准化测试，控制板和驱动器的成本有望持续下降。
在计算单元方面，英伟达主要凭借其Thor、NX和ADX系列芯片继续主导市场。鉴于其几近垄断的地位，短期内其价格不太可能出现大幅下降。
4、电池
电池在物料清单中所占的比例已经很小了，并且直接受益于庞大的电动汽车（EV）供应链。
由于电芯的成本已经处于低位，后续的降本手段主要集中在封装与集成上。采用标准规格的电芯，并利用现货型零部件在内部进行电池包组装，能够有效削减成本并优化外形尺寸。
5、骨架、关节和外壳
在常规制造优化中，这类的成本走势完全可以预测，这主要受产量和设计成熟度的驱动。
铝合金与复合材料骨架可以通过大批量采购、铸造以及零部件集成来实现规模化降本。同样地，一旦设计定型，从低产量的机械加工转向注塑成型外壳，将会带动单件成本大幅下降。
以下是部分零部件厂商：
结语：硬件方案多元，产业链协同是关键
资本涌入、创企扎堆、车企下场入局，整个行业进入高速爆发期，整机开始实现批量下线，国产化零部件的研发与落地进程提速。
通过拆解骨架、传感器等十余类核心硬件发现，人形机器人没有唯一且最优的零部件方案。特斯拉、宇树、智元等各企业均基于自身产品定位，在材料选择、驱动结构、传感配置上走出差异化路线。
贡献作者：Sourish Jasti、Zoey Tang、Intel Chen、Vishnu Mano
