在人形機器人行業蓬勃發展的大趨勢下，零部件供應商正迎來前所未有的機遇，有望深度受益于這一新興產業的崛起。在整個人形機器人產業鏈中，主機廠雖然在關節設計方面擁有關鍵的“定義權”，具體涵蓋人形機器人的自由度設計、關節方案設計以及關節布局位置設計這三個核心要點，但考慮到規模效應以及專業化分工的因素，主機廠實現完全垂直整合的可能性相對較低。“自主設計、外包生產”模式憑借其靈活性和專業性，成為主機廠與人形機器人零部件供應商之間更具可行性的合作方式。在這種模式下，一批具備技術實力和生產能力的零部件供應商將深度參與到行業發展進程中，與主機廠形成緊密的合作關系，攜手共同成長。
從投資角度來看，旋轉關節因其在人形機器人成本構成中的重要地位和技術應用的高確定性，成為值得優先關注的關鍵領域。關節模組作為人形機器人成本的重要組成部分，具有較高的價值量。目前，無論是從已有的技術實踐，還是從各主機廠推出的產品方案來看，旋轉關節在人形機器人的設計中占據主導地位，其技術路線具有高度的確定性。這意味著在該領域進行投資，能夠在一定程度上降低技術風險，提高投資回報的可預期性。
進一步細分旋轉關節的技術方案，主要包括剛性驅動器、彈性驅動器和準直驅驅動器這三大類。其中，彈性驅動器方案雖然在理論上具有一些優勢，但在實際應用中卻面臨著諸多挑戰。引入彈性關節會顯著增加控制算法的復雜程度，對研發團隊的技術能力提出了更高的要求。而且，這一方案還會增加硬件成本，使得產品在成本控制方面面臨較大壓力。因此，在當前的產業實踐中，彈性驅動器的應用相對較少。
剛性關節方案則具有其獨特的優勢和局限性。該方案通過使用大減速比減速器，能夠產生更大的扭矩輸出，并且在精度控制方面表現出色。然而，為了實現精確的力控制，剛性關節方案往往需要增加力傳感器，這無疑增加了成本。此外，剛性關節的耐沖擊性較差，在面對復雜多變的工作環境時，可能會出現故障或損壞，影響機器人的正常運行。
準直驅驅動器方案近年來發展迅速，尤其是在人形機器人領域得到了廣泛應用。早期，準直驅方案主要應用于四足機械狗，隨著技術的不斷進步，其扭矩輸出能力逐漸提升，如今已能滿足人形機器人的部分需求。該方案的優勢在于可以利用電流環實現力控，簡化了部分控制環節。但由于只能使用小減速比減速器，其輸出扭矩相對有限。不過，隨著技術的持續改進，準直驅方案在人形機器人領域的應用前景仍然廣闊。
在人形機器人的關節驅動中，電機的選擇至關重要。目前，無框力矩電機是主流的選擇，這主要得益于其設計生產技術的成熟度。盡管此前由于市場需求有限，無框力矩電機的發展受到一定程度的限制，但隨著人形機器人市場的快速興起，其市場需求正呈現出爆發式增長。然而，為了進一步提高關節的扭矩輸出能力，行業也在不斷探索新的電機技術。軸向磁通電機作為一種具有潛力的新型電機，正逐漸受到關注。與傳統的徑向電機相比，軸向磁通電機能夠提供更高的扭矩密度，其扭矩密度比徑向電機高出約30%，特別適用于對高效率和高轉矩密度有嚴格要求的場合。不過，軸向磁通電機在發展過程中也面臨一些挑戰，例如散熱問題、制造工藝的復雜性以及產業鏈成熟度相對較低等。盡管如此，部分具有前瞻性的廠商已經開始在軸向磁通電機領域進行布局，積極投入研發資源，致力于克服這些技術難題，為未來人形機器人的發展提供更強大的動力支持。
圖表： 軸向磁通電機專利數量
數據來源：中研普華產業研究院整理
在人形機器人的傳動系統中，減速器同樣起著關鍵作用。目前，諧波減速器和行星減速器是人形機器人中應用最為廣泛的兩種類型。這兩種減速器各有優劣，在實際應用中，往往會根據整機的設計需求進行搭配使用。一般來說，對于那些對扭矩、精度要求極高，且對空間尺寸有嚴格限制的關節部位，諧波減速器憑借其在小空間內實現大扭矩和高精度傳動的優勢，成為首選方案。而在一些對效率要求較高、對成本較為敏感，且對空間大小不太苛刻的關節應用場景中，行星減速器則因其高效、低成本的特點，得到了廣泛應用。這種根據不同需求進行合理選擇的方式，既能夠充分發揮兩種減速器的優勢，又能夠在滿足人形機器人多樣化功能需求的同時，實現成本效益的最大化。
在力控制方面，目前主要存在電流環方案和力傳感器方案兩種技術路線。電流環方案是通過對關節電流的測量和估算來間接獲取力矩大小，這種方法的優點是不需要額外安裝力傳感器，從而降低了硬件成本和系統復雜度。然而，其精度相對較低，誤差大約在±10%左右，并且在與大減速比減速器配合使用時存在兼容性問題。相比之下，力傳感器方案則能夠直接測量力的大小，精度較高，而且可以與大減速比減速器良好兼容。但該方案的缺點是增加了硬件成本，使得產品在價格方面缺乏競爭力。因此，在實際應用中，低成本方案通常更傾向于采用電流環控制，以在滿足基本性能要求的前提下，控制成本。而對于那些追求高精度、高可靠性的高端人形機器人產品，則更傾向于使用力傳感器測量，以確保機器人在復雜任務中的精確操作和穩定運行。
人形機器人零部件供應商在行業發展中占據著關鍵地位，有著廣闊的發展空間。而旋轉關節作為其中的核心部件，其不同的技術方案和關鍵零部件的選擇，如電機和減速器等，以及力控制技術的應用，都將深刻影響著人形機器人的性能、成本和市場競爭力。對于投資者和相關企業來說，深入了解這些技術細節和行業趨勢，把握關鍵投資方向，積極布局相關領域，將有助于在這個充滿潛力的新興產業中搶占先機，實現可持續發展。
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