人形机器人执行器的商业：机器人如何为扭矩买单
人形机器人的核心架构决策是「在哪里为扭矩买单」——高减速比把工程负担压在精密减速器上，低减速比则压在大电机与电气系统上，这一选择决定成本分布与供应链价值归属。
今天，我开始一个关于执行器业务的四部分系列。在Core Matter，我们专注于物理AI的商业和部署现实。我在这里采用同样的方法：理解足够的工程知识，以弄清它对成本、制造和供应链意味着什么。
执行器可能占人形机器人物料清单的70%。一个典型的人形机器人装有数十个执行器。一个关节的设计决策会波及整个机器人。
贯穿本文的关键问题是：机器人在哪里为扭矩买单？
更多的齿轮传动将工程负担转向精密机械。更少的齿轮传动则将其转向电机、电子和热管理系统。在数十个关节中重复，这一单一设计决策最终决定了机器人的制造成本以及哪些供应商能捕获价值。
执行器是复杂的机器。过去几周，我花了很多时间学习它们实际的工作原理。我感谢一路上依赖的众多资源的作者。它们在附录中被引用。
到本文结束时，你将了解人形机器人关节内部有什么，为什么它被这样构建，以及这一设计选择如何在整个供应链中重新分配价值，从一小群精密齿轮切割商到全球稀土磁体市场。
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章节
- 人形机器人关节内部有什么？
- 为何齿轮传动是关键架构决策
- 五项重要的执行器指标
- 齿轮箱选择揭示供应链信息
- QDD如何改变执行器经济性
- 不同执行器架构的应用场景
- 机器人性能成本的承担点
- 致谢
- 附录A：执行器内部构造
- 附录B：如何阅读执行器规格书
- 附录C：三种齿轮箱架构的工作原理
1. 人形机器人关节内部有什么？
在深入执行器内部之前，我想先澄清三个反复出现的术语：关节模组、电机驱动器和执行器。业界常将它们混用，但实际上它们是不同的概念。
关节模组是机械组件：包括电机、减速器、编码器、轴承、外壳，部分设计还包含制动器。两份文件对组件的分类方式不同：一种将编码器归入关节模组内部，另一种则将其视为与驱动板并列的独立控制组件。
电机驱动器是功率与控制板。它将电池直流电转换为电机所需的三相电流，并闭环控制回路。
执行器是一个广义类别词，可涵盖上述两者。因此，两家供应商报价执行器时，可能对应两份不同的物料清单：一家将驱动板包含在外壳内，另一家则将驱动板作为单独条目销售。
关于各组件的详细信息，请参阅本文附录A。
2. 为何齿轮传动是核心架构决策
电动机与人形机器人关节天然运行于截然不同的工况中。电机在高速旋转时最为紧凑高效，而人形关节则需要以相对较慢的速度运动，同时产生旋转力，即扭矩。
减速器，或称齿轮箱，正是连接两者的桥梁：它降低电机转速，以在关节处获得更大扭矩。
更高的减速比赋予关节更大的机械杠杆优势，但这也伴随着代价。以下是三项弊端，以及它们如何转化为机器人其他部分的成本权衡：
- 能量损失意味着更大的电池和更短的续航时间。齿轮会因摩擦损失部分能量。单级行星齿轮可返还电机做功的95%-98%，而谐波减速器则降至85%-90%。堆叠式两级行星齿轮系（我们在附录C中详述其原理）效率进一步下降：将该范围平方，约得90%-96%，此为算术估算而非实测数值。在数十个关节中，这些损失意味着更多热量、更短续航，以及可能需要更大的电池或额外冷却系统。
- 更重的关节增加物料清单成本。减速器包含精密钢制部件，而钢材非常沉重。更重的膝关节不仅仅多花费300克。髋关节执行器随后需要更大扭矩来驱动该膝关节，这意味着更大的电机、更多的铜/磁铁、更强的轴承、更大的电流，以及可能更大的电池。机器人中每个关节的质量都会产生连锁放大效应。
- 高减速比降低力透明度和动态响应能力。高齿轮传动比在机械上将关节与电机隔离，这使得关节难以从外部被驱动，也使电机更难感知外部力。原因之一是反射惯量：电机的旋转惯量通过齿轮箱按减速比的平方被放大。
这引出了人形机器人内部的核心设计决策之一：你究竟在哪里为扭矩买单？
而这对于执行器中成本的分布位置有着深远影响。
简化来看，齿轮箱设计可以处于两个极端之一：
a) 较小、较快的电机 + 高减速比减速器
b) 较大、高扭矩电机 + 较低减速比减速器
在高减速比端（a），更多的工程挑战集中在减速器上：精密齿轮、严格公差、专业化制造，以及根据架构不同，可能需要的多级减速结构。
在低减速比端（b），更多的挑战则转移到电机和电气系统上：磁铁、铜线、更高电流、处理电机电流的电子元件以及热管理。
因此，这一设计选择决定了哪些组件最为关键、哪些供应商难以替代，以及执行器供应链中价值的积累之处。
3. 衡量执行器的五项关键指标
以下是评估执行器性能时需关注的五项指标，以及每项指标所揭示的机器人背后的特性。
- 持续扭矩与峰值扭矩：机器人能否承受演示中的工作负载？
峰值扭矩告诉你机器人能短暂做到什么。持续扭矩则告诉你它在实际部署中能反复做到什么。
- 扭矩密度：产生有效力需要多少执行器质量？
更高的扭矩密度意味着在相同执行器质量下能产生更大扭矩。这会带来更轻的肢体、更小的上游执行器，以及可能更低的总物料成本。
- 反向驱动性：机器人能多自然地吸收和感知外力？
这对行走、操作以及人机交互至关重要。
- 回程间隙：方向反转时存在多少机械不确定性？
这对精密操作至关重要。
- 抗冲击能力：硬件能否承受反复的真实世界冲击？
这对可靠性、维护和使用寿命至关重要。
完整的执行器指标列表见附录B。
4. 齿轮箱选择如何揭示供应链格局
三种主要的齿轮箱架构解决了相同的基本问题，但它们的制造要求却催生了截然不同的供应商经济生态。
谐波减速器提供紧凑的高减速比和近乎零的反向间隙，但需要专门的精密制造技术。这包括磨削一种必须承受数百万次弯曲循环而不开裂的柔轮。
这一制造基础历来集中在日本，少数几家厂商如Harmonic Drive Systems和Nabtesco主导市场。包括来福谐波和绿的谐波在内的中国企业正在抢占市场份额，这一转变看起来更像是竞争基础的成熟，而非纯粹的价格战：来福谐波最近的中期业绩显示，出货量和利润率双双上升，而非下降。我们将在本系列的第三部分详细探讨。
行星减速器优先考虑效率、抗冲击能力和制造便利性。其齿轮供应并不稀缺，可以从更广泛的传统齿轮制造生态中获取资源。挑战在于在大批量生产中保持严格的公差。低减速比行星架构也是QDD（准直驱）背后的基础，它将齿轮箱的制造难度转化为另一个供应链问题，将在下一节中讨论。
摆线减速器适用于高负载应用。采购难点在于偏心盘的精密轮廓加工，能够加工此类部件的厂商比行星齿轮切割的厂商范围更窄，但比谐波减速器的厂商范围更广。目前它们在仿人机器人中的应用尚不普遍，不过至少有一家中国仿人机器人制造商将摆线关节列为核心技术，因此“更重，所以被回避”的说法并非适用于所有设计。
每种齿轮箱架构的设计、优缺点详见附录C。
图表2. 机器人齿轮箱架构对比。三种齿轮箱系列在单位成本、抗冲击能力和精度之间的权衡。
5. 为何QDD改变执行器经济学
如果你关注人形机器人领域的报道，可能经常看到QDD这个词。QDD，全称准直驱，是一种执行器设计理念，而非齿轮箱类型。 它指的是将高扭矩电机与极低减速比的齿轮箱（3:1至10:1）相结合的系统。准意味着几乎：电机几乎直接驱动关节，仅通过少量齿轮传动来增加扭矩，同时保留其对外力的高度响应性。
QDD齿轮箱以行星齿轮为主，因其成本低且机械效率高（95%以上），不过低减速比的摆线针轮变体也正在兴起。
由Ben Katz开发的MIT Mini Cheetah执行器，已成为现代QDD模块具有影响力的参考设计。Mini Cheetah采用单级6:1行星齿轮，提供6.9 N·m的持续扭矩和17 N·m的峰值扭矩。相比之下，传统工业机器人手腕的齿轮传动比在50:1至100:1之间，以实现静态锁定负载。即便是需要更高扭矩来维持深蹲姿态的人形机器人膝关节，也采用低减速比的多级行星齿轮结构（例如22.5:1），远低于工业标准，以保持抗冲击能力。
QDD改变了机器人承受扭矩的方式
传统机器人架构通常将较小的高速电机与高减速比减速器搭配，以在关节处产生扭矩。因此，更多工程负担落在减速器上。
QDD则颠覆了这一思路。更多扭矩直接来自电机本身，这意味着需要更多的磁铁、铜线，以及对电子器件和热管理提出更高要求，换来的则是更简单、更低减速比的减速器。
通过将工作负载转移到大直径高扭矩电机上，QDD带来了三项机械优势：
- 高反向驱动性。 在低减速比下，推动输出端即可带动电机转动。机器人通过关节本身感知外力，从而实现柔性顺应。相比之下，高减速比齿轮箱的行为更接近单向阀。
- 低反射惯量。 低反射惯量使人形机器人能更快应对扰动，例如绊倒等情况。
- 抗冲击能力。 行走机器人每秒多次接触地面。低减速比设计通常更能承受冲击。
这种机械层面的转变也带来了经济层面的影响。
- 高减速比将负担集中在齿轮箱上：精密磨削的齿形、严格的公差，以及少数能实现这些工艺的制造商。高减速比以牺牲齿轮加工供应商的多样性为代价，换取了精度。
- 低减速比则将负担转移到电机及其电子器件上：更宽的定子、直接产生扭矩所需的更大磁体体积、定子绕组中更多的铜线，以及为应对这一切而设计的驱动板。低减速比以牺牲稀土磁铁和更高电流的电子器件为代价，换取了抗冲击能力。
图表3. 准直驱 vs. 高减速比。低减速比带来触觉灵敏度和灵活性，高减速比带来力和精度。
尽管电子技术更为复杂，QDD仍能降低机器人执行器的总物料清单成本。以下是一些原因：
- 供应链可及性。 低减速比行星齿轮箱是标准的工业组件，可通过广泛可用的滚齿设备制造。谐波减速器则需要更为专业化的供应商基础。尽管如此，低减速比设计需要更集中的磁体来弥补较不精密的齿轮技术。中国占全球烧结钕铁硼磁体产量的94%，而二十年前这一比例约为50%[12]。我们将在本系列的第3部分详细讨论。
- 成本与效率优势。 根据SemiAnalysis 2026年6月对G1的拆解分析，低减速比行星齿轮箱实现了95%至98%的效率（相比之下，应变波减速器为85%至90%），且成本降低高达80%。
- 驱动器本地化。 中国仿人机器人制造商乐聚的公开财务文件显示，每个关节模块的驱动器支出在两年内下降了83%。
6. 不同执行器架构的应用场景
仿人机器人并非采用单一的“万能”执行器。不同关节针对力、精度、抗冲击性、质量和封装的不同组合进行优化。
腿部和髋部优先考虑减震、快速加速和强力输出。为抵御地面冲击，这些关节倾向于采用QDD行星齿轮配置或高力线性执行器。
腕部和手臂优先考虑空间精度、高扭矩重量比和紧凑的外形尺寸。它们通常采用谐波减速器，以在狭小空间内最大化保持扭矩。或者，QDD电机被集中放置，然后通过肌腱将动力传输至肢体，以保持肢体轻量化。
图表4. 仿人机器人关节处的执行器架构。仿人轮廓上的六个关节组，每个都标注了优化目标和典型传动方式。
当前的人形机器人设计展示了这些权衡在实际中的应用：
- 特斯拉 Optimus Gen 2/3 在旋转身体关节（肩部、躯干、手腕旋转）上使用谐波减速器，以实现紧凑的外形和精确性，而在膝盖和肘部等高力关节上则采用线性执行器。
- 1X 的 NEO 手 采用肌腱驱动的准直驱（QDD）架构，传动比约为 5:1 至 15:1。电机位于前臂/躯干中，以最小化远端肢体惯量，并确保肢体在人类周围的安全性。
- 宇树 在投资者简报中将其核心架构描述为“高带宽力控准直驱行星旋转关节”。它结合了高扭矩电机、低传动比行星齿轮箱和快速扭矩控制回路。（详情参见宇树的三小时投资者问答）。
7. 机器人为何为性能买单
本节我们探讨了在为人形机器人或任何机器人选择执行器时需提出的关键问题：机器人为何为性能买单。 高减速比将更多负担转移到精密机械部件上，而低减速比则将其转向电机、磁铁、电子元件及热管理。
这一架构选择贯穿整个机器人：影响其运动方式、制造成本、哪些部件成为关键，以及最终哪些供应商能获取价值。
周五，我们将用具体数据来量化这些选择：基于审计文件和工厂报价，人形机器人执行器的实际成本是多少，以及为何公开估算显示执行器占人形机器人物料清单（BOM）的比例从21%到70%不等。[1][4]
致谢
感谢Parth Ingle（@parthingle_x）、Grant（@grantg07）和Sajiv Shah（@sajiv_shah）对本文早期版本的技术审阅和反馈。文中任何遗留的错误或解读均由我个人负责。
附录A：执行器内部构造
以下是执行器内部的关键部件及其功能。
定子。 定子是电机的固定部分：一圈固定的铜线圈。当电流通过这些线圈时，会产生电磁场。
转子。 转子是旋转部分。永磁体（烧结钕铁硼）粘合在钢结构上。当这些磁体与定子的磁场相互作用时，会驱动转子旋转。
电机主要由层压电工钢、铜线、磁体和环氧树脂构成。
减速器。 也称为齿轮箱，它降低旋转速度，并将其转化为输出端更大的旋转力，即扭矩。它通常由硬化钢部件制成。机器人技术中使用的减速器主要有三种类型，我们将在附录后面部分介绍。齿轮族的选择可能是关节成本的主要驱动因素。
编码器。 编码器向机器人的计算机报告关节所处的角度、运动速度以及旋转方向。它可采用磁性环或光学码盘，由传感器读取。部分关节配备双编码器，一个位于电机上，另一个位于输出端。
轴承。 轴承支撑执行器的旋转部件，并在执行器与机器人肢体之间承载负荷。它们通常由滚动体（如滚珠或交叉滚柱）构成，在两组淬硬滚道之间运转。
驱动板。 驱动板将机器人主计算机（例如位于胸部或头部的边缘计算设备）发出的指令转化为对电机的受控电力供应。它通常包含功率晶体管、微控制器及连接器。
外壳与制动器。 外壳将执行器组件固定在一起，并协助承担结构负荷。同时，它还需处理电机产生的热量。部分关节装有制动器，以便在需要时保持位置。
附录 B：如何阅读人形机器人执行器规格表
让我们来了解阅读执行器规格表时需要掌握的关键术语。对我来说，理解这些机械术语的一个更简单的方式是将它们与人体的形态联系起来，思考我们自己的关节、肌肉和运动。
齿轮比（或减速比）（N:1） 是执行器内部速度与扭矩之间的机械权衡。通常写作 N:1（例如，9:1、40:1）。一个高速、低扭矩的电机驱动齿轮箱。齿轮箱将输出轴的旋转速度降低 N 倍，同时将电机的扭矩在输出端大约放大 N 倍（未考虑效率损失之前）。
齿轮比的核心在于机械杠杆作用。
- 高比率（40:1 到 100:1）类似于自行车上的低速挡。 它们提供更大的机械杠杆作用来产生和保持扭矩，但会降低输出速度。
- 低比率（3:1 到 9:1）更像是运动员富有弹性和动态的肢体。 它们响应迅速、速度快，但提供的机械杠杆作用较小，因此电机需要承担更多“重活”。
峰值扭矩 vs. 额定/标称扭矩（N·m）。 额定/标称扭矩 是电机在不超过其热限制的情况下能够持续产生的扭矩。峰值扭矩 是电机在热量成为限制因素之前，能够在短时间内产生的更高扭矩。峰值扭矩与额定扭矩之间的差距较大，意味着执行器无法持续维持其宣传的峰值性能。
扭矩是原始的旋转力量。 健美运动员的二头肌产生扭矩来弯举 100 磅的哑铃。它回答的问题是：“这个关节能输出多大的旋转力？”
扭矩密度（N·m/kg） 是每千克的旋转力。在机器人技术中，这是一个重要指标，因为肢体末端质量会给每个上游关节带来扭矩负担。供应商很少直接列出此数值；你需要通过将扭矩除以执行器总质量来计算。如今，商用关节模块在峰值状态下通常能达到 45 至 75 N·m/kg。同时务必检查连续扭矩密度，因为热限制会使持续性能低于峰值数据。
想象一位精英攀岩者与一位大力士举重选手。攀岩者可能举起的绝对重量不如举重选手，但能产生相对于自身体重的高力量。同样，扭矩密度告诉我们执行器相对于其质量能产生多少旋转力。
高扭矩密度对机器人至关重要，因为更重的执行器需要更多扭矩来移动肢体本身。这也是一个重大工程挑战：产生更多扭矩通常需要更多电机材料，这会增加质量。
回程间隙（角分） 是机械间隙，通常以角分度量。一角分是六十分之一度。让齿轮系朝一个方向转动，然后反转，输出端可能会短暂保持静止，而齿间跨越间隙并开始向相反方向传递力。
可以把回程间隙想象成关节的松动。过多会导致不稳定，并降低精细任务（如穿针引线）的准确性。
极低的回程间隙对精密任务很有用，尽管某些齿轮设计需要小间隙以利于润滑、热膨胀和可靠运行。
反向驱动性 描述了施加在输出端的外部力能多容易地通过传动系统反向驱动电机。它可以通过移动关节所需的输出扭矩量来表征。高反向驱动性的关节能更自然地响应外部力。
这个类比是：可反向驱动的关节就像放松的手臂。当有人推你的手腕时，你的手臂会顺畅地让开。而反向驱动性差的关节则更像僵硬的手臂，抗拒外力移动。
反向驱动设计适合人机交互、力控制和动态运动。而反向驱动性较弱的设计在刚度和承载负载更为重要时可能更有用。
抗冲击能力描述的是执行器在突然冲击负载下（如机器人行走时脚部着地）的生存能力。供应商可能会用相对于额定值的峰值或瞬时扭矩来表征这一能力。上述商用模块的范围大约是额定扭矩的2倍到4.6倍。
附录C：齿轮箱架构对比：谐波、摆线针轮与行星传动
以下是机器人关节中使用的三种主要齿轮箱架构。
谐波、摆线针轮和行星齿轮都传递旋转动力并降低转速，区别在于实现方式不同。 这三种架构在定位精度、抗冲击能力、重量、效率和制造复杂度之间做出了不同的权衡。下面，我将用同样的人体解剖学类比来帮助形象化理解每种架构。
谐波减速器（柔性软骨与肌腱）
- 工作原理： 谐波减速器利用一个柔性的薄壁钢杯，在刚性外环内部发生形变以传递运动。
- 解剖学类比： 可将其想象为柔性软骨或紧绷的肌腱。其架构依赖于受控的弹性变形，而非仅靠刚性齿轮相互啮合。
- 一句话总结： 以成本换取顶级精度。
- 优势： 极低的背隙和高减速比（通常为50:1以上），且结构紧凑、重量轻。这使得谐波减速器适用于精密工业和手术机器人等应用场景。
- 劣势： 单位成本较高，制造工艺要求专业，且对冲击载荷的耐受性低于某些替代齿轮箱架构。柔性部件在运行寿命期内也易受疲劳影响。
摆线减速器（互锁椎骨）
- 工作原理： 一个带凸轮的圆盘在固定的销轴或滚子环内偏心运动，将力分散到多个接触点上。
- 解剖学类比： 可将其想象为互锁的脊柱椎骨。载荷分布在多个接触点上，而非集中于少数齿轮齿上。
- 一句话总结： 重载场景下的坚固之选。
- 优势： 高抗冲击性、高承载能力和低背隙。多个接触点使齿轮箱能够将突发载荷分散到整个机构中。
- 劣势： 摆线减速器往往更重、更笨重，且装配可能更为复杂。这使得它们更适合于高负载应用，在这些场景中，坚固性比减轻关节质量更为重要。
行星齿轮箱（球窝关节的骨架类比）
- 工作原理： 中央的“太阳”齿轮驱动外圈环形齿轮内的多个“行星”齿轮。
- 解剖学类比： 想象肩关节或髋关节：一种刚性结构，将力分散到多个接触点上。
- 一句话概括： 可扩展、成本效益高的主力军。
- 优势： 高能效（单级通常可达95%以上）、良好的抗冲击性，以及利用传统齿轮制造设备建立的成熟生产基础。低减速比行星齿轮箱常用于准直驱（QDD）执行器，减速比通常在3:1至10:1之间。
- 劣势： 行星齿轮箱存在机械背隙。为获得更高减速比而堆叠多级齿轮，可能会增加背隙、摩擦、重量和复杂性。
附录D：引用来源
[1] 乐聚/乐聚智能创业板招股说明书，经天健审计，采购表第1-1-187页至1-1-188页。
[4] SemiAnalysis，《中国的宇树将主导全球机器人技术》，2026年6月9日，通过Core Matter自行抓取阅读。
[12] 国际能源署，《中国在稀土磁材生产中的份额，2024》，稀土元素报告，2026年4月：https://www.iea.org/data-and-statistics/charts/china-s-share-in-rare-earth-magnet-production-2024