在不同关节位置，如何选择旋转or线性驱动器？
人形机器人的关节设计需权衡平衡性、动态运动控制、高负载等多方面因素。
①旋转驱动器：通常应用于高扭矩关节处，例如腕部、肩部、腰部、髋部关节转动幅度较大，对关节方案提出了较高的扭矩要求，多使用旋转驱动器。
②直线驱动器：通常应用于旋转角度不大、高负载的位置，例如人形机器人双腿&双臂位置，采用直线驱动器可以起到较好的支撑和承重效果。
旋转驱动器的选型原理与各方案比较？
旋转驱动器有望以“电机+减速器”方案为主。人形机器人实际工作场景中对输出扭矩密度要求较高，只靠电机难以满足，减速器成为必选项；从驱动器分类来看，关节方案主要分为刚性、弹性和准直驱方案。
①谐波减速器需求量最大，带动力传感器需求：谐波减速器减速密度高，Optimus中14个自由度均搭载谐波减速器，国内人形机器人也广泛使用谐波减速器；在谐波方案中，由于力矩透明度较低，需搭载力/力矩传感器共同使用；
线性驱动器的选型原理与各方案比较？
人形机器人直线驱动器需要具备良好的刚性表现和较高负载能力、精密的线性运动控制、柔顺连续的直线运动性能。通常来看，人形机器人双足、双臂采用连杆结构，连杆末端采用“电机+丝杠”结构，无需搭配减速器。
①滚柱丝杠在人形机器人中的应用优势？
滚柱丝杠具备高负载、高精度的特点，能实现连续、柔顺的直线运动，能够实现人形机器人线性关节位置的精确控制，其应用优势较为显著。
②滚珠丝杠代替滚柱丝杠的几率几何？
滚珠丝杠产品成熟度较高、精度高，在小臂、小腿等负载较小的位置上替代滚柱丝杠的可行性高，且能大幅降低成本，契合人形机器人逐渐步入量产阶段的降本诉求。
③T型丝杠取代滚柱&滚珠丝杠的应用几何？
相较于自锁性能，直线驱动器更需要丝杠具备运动可逆的性能。在少数需要自锁功能的场景下，直线驱动器使用滚柱&滚珠丝杠，加装具备自锁功能的电机或设备的方案优势更为显著。从功能性来看，滚柱&滚珠丝杠更适合应用于人形机器人。
风险提示：人形机器人发展不及预期、市场竞争加剧的风险、零部件高成本带来需求不足的风险、研报使用的信息更新不及时的风险等。
正文分析
1、人形机器人关节选择旋转&直线驱动器的依据
1.1Optimus-Gen2力/力矩传感器方案进一步丰富
主体自由度：Optimus包括28个自由度，包括14个旋转自由度、14个线性自由度；OptimusGen2在脖颈处增加2个自由度，全身具备30个自由度。
灵巧手自由度：Optimus灵巧手具有6个主动自由度、5个被动自由度；Optimus-Gen2增加至11个主动自由度，并在每个手指（指尖处）增加触控式传感器。
1.2从Optimus看人形机器人关节选型
人形机器人的关节设计需权衡平衡性、动态运动控制、高负载等多方面因素，通常混合使用旋转执行器和线性执行器，以Optimus为例：①旋转执行器，包括腕部、肩部、腰部、髋部4个位置，共计有14个旋转自由度；②线性执行器，包括腕部、肘部、踝部、髋部、膝部5个位置，共计有14个线性自由度。
旋转驱动器主要应用于高扭矩关节处。腕部、肩部、腰部、髋部关节转动幅度较大，并对关节方案提出了较高的扭矩要求，旋转执行器通过“电机+减速器”方案能够同时满足转动幅度、扭矩两方面的需求，同时结合力矩传感器实现对末端的运动控制。
1.3、人形机器人下肢线性传动方案
直线驱动器用于对运动旋转角度不大、高负载的场景，多用于四肢。直线驱动器多采取“电机+丝杠”，将旋转运动变为关节末端的直线运动，能够起到较好的支撑和承重效果，能够较好适配应用场景的负载需求。
在双腿&双臂位置，直线驱动器通过电机与关节分离的方式，将双腿质心向上移动、双臂质心向内移动，一方面提升提高整机质心，另一方面减轻四肢的运动惯量，从而提升整机的稳定性、提升整机的运控表现。
1.4、Optimus关节选型思路
2、旋转驱动器原理及不同选型方案比较
2.1旋转驱动器总成选型思路
问题①：旋转驱动器为什么不选取单电机方案？
人形机器人旋转驱动器在实际应用中的扭矩要求较高，单电机方案无法满足需求。通过搭配减速器的方式可以放大力臂，从而大幅提升输出扭矩，满足实际场景需求。
问题②：不同类别减速器的选型理由是什么？
电机扭矩密度难以显著提升，所以电机输出扭矩越大，体积越大。在大扭矩电机情况下，可以搭载低减速比减速器（行星等），此方案具备经济性优势；小扭矩电机情况下，搭载高减速比减速器（谐波等），此方案具备小体积优势。
问题③：旋转驱动器是否必须搭配力矩传感器？
力矩透明度是决定是否加装力矩传感器的关键。高减速比减速器的力矩透明度低，需要加装力矩传感器进行测量；低减速比减速器力矩透明度较高，可以使用电流环控制，加装力矩传感器不是必选项。
问题④：不同旋转驱动器方案的优劣势对比？
基于不同选型思路，旋转驱动器主要分为刚性、弹性和准直三种驱动器方案。刚性驱动器方案优势是关节体积小、输出扭矩密度高，劣势是透明度低，需搭载力/力矩传感器；弹性驱动器方案能提升关节的柔顺性，但控制复杂、精度较低；准直驱驱动器方案优势是透明度高，可采用电流环控制，柔顺性表现好，劣势是扭矩密度低。
2.2减速器能够显著提升关节输出扭矩
人形机器人旋转驱动器在实际应用中需要解决大扭矩问题，搭载减速器是必选项。在齿轮传动中，啮合处的齿面作用力大小相等、方向相反，通过改变齿轮的半径可以改变输出扭矩。人形机器人要求关节体积小，且在实际应用中面临大扭矩场景，单纯依靠电机难以实现。通常来看，减速器能够显著提升扭矩输出值，适配相应高扭矩密度的应用场景。
目前提升扭矩密度主要通过两种方式：①提升电机输出扭矩密度，②提高减速器减速比。
2.3电机提升扭矩密度的难度较高
从电机角度来看，提升扭矩密度主要可以通过三种方式：①采用外转子结构；②扩大电机半径；③通过绕线结构提升电机功率密度。
增大半径能显著提升扭矩，但此方案对人形机器人关节而言不现实。提升电机半径可以直接提高电机的输出扭矩数值，但是人形机器人对关节体积有要求（不能过大），所以难以通过大幅提升电机半径来提高扭矩。
2.3外转子方案是增大电机扭矩密度的较好选择
电机绕线方式能够在一定程度上影响电机扭矩密度。增加线圈匝数能提升功率密度，从而间接提升电机扭矩密度。但是目前由于技术原因，在人形关节紧凑的空间中，电机绕线瓶颈难以突破。
相同体积下，外转子电机比内转子电机的输出扭矩更高。内转子电机线圈固定在外壳，主轴为转子，通常极数少、转速快，转动惯量更小，扭矩小。外转子电机的线圈在内部，相对而言极数更多、转速更慢，转动惯量更大，相同电流下输出的扭矩更大。无框力矩电机的扭矩密度较高，是人形机器人关节电机的较优选择。
2.4力矩透明度是决定是否加装力矩传感器的关键
大力矩输出密度和动态物理交互能力是足式机器人关节驱动器设计的关键因素，目前驱动器方案主要分为刚性驱动器方案、弹性驱动器方案和准直驱驱动器方案。不同方案由于存在力矩透明度差异，所以存在是否采用力/力矩传感器的区别。
谐波减速器减速比高，存在非线性摩擦力矩，力矩透明度低。仅依靠电流环进行关节末端的力反馈难以进行建模，需要额外添加力矩传感器。
行星减速器减速比低，刚性强，非线性摩擦力可忽略不计，关节输出扭矩和电流之间呈较好的线性关系，易于建模，可用电流环控制。
2.5驱动器方案包括刚性、弹性和准直方案
【刚性驱动器方案】搭载大减速比减速器（例如谐波、RV减速器），优势是关节体积小、输出扭矩密度高，劣势是透明度低，需搭载力/力矩传感器。
【弹性驱动器方案】通过串联或并联弹性体提升关节的柔顺性；弹性驱动方案控制复杂、精度较低，在人形机器人中的应用具备较大潜力。
【准直驱驱动器方案】搭载小减速比减速器（例如行星、针摆减速器），优势是透明度高，可采用电流环控制，柔顺性表现好，劣势是扭矩密度低。
2.5刚性驱动器方案成熟度较高
刚性驱动器方案的技术发展最为成熟，在双足机器人领域中已经得到了成熟验证。
刚性驱动器优势：高减速比减速器克服了电机的扭矩输出限制，实现关节末端的高密度扭矩输出。常规电机和谐波减速器的体积较小，有助于实现人形机器人关节的小体积化；在加装力传感器后，能够实现高精度力控场景。
刚性驱动器劣势：①谐波/RV减速器相较于传统减速器，产品价格较高；②需额外加装力/力矩传感器，对应单关节成本增加500-1000元。
2.5准直驱方案更具经济性
准直驱方案能够满足高频动态响应和降低成本的需求，在MIT的四足机器人已有应用。
准直驱方案优势：采用刚性低减速比减速器，力矩透明度高，采用电流环实现力的闭环反馈控制。不需要添加力传感器，整体成本更低，可实现高动态物理响应。
准直驱方案劣势：输出扭矩提升依靠电机扭矩密度提升。结构上采用大输出力矩、低转速的扁平无框力矩电机，关节轴向长度小、径向长度大，并需要添加液冷装置进行散热。人形机器人关节对体积和重量的要求限制电机的输出扭矩和行星减速器减速比，从而限制关节末端输出的扭矩密度。
2.6Optimus未来有望延续刚性驱动器方案
RV减速器耐重载、抗冲击性更强，适用于较大载荷的作业场景。相较于谐波减速器，RV减速器一方面具备更高的减速比，另一方面由于内部为刚性结构，所以呈现出抗冲击、大体积、大重量的特点。一般来看，RV减速器在大负载工业机器人中的应用较多。
人形机器人部分关节载荷较大，有望应用类似RV减速器的产品。通常来看，人形机器人腰部、髋部等位置受力较大，在搬运等负载场景中，谐波减速器不能匹配应用需求，未来有望使用类RV减速器匹配相应场景。
2.7国内主机厂采用谐波+行星减速器方案
当下人形机器人即将迎来量产，关节驱动的技术路线尚未固化。硬件降本成为人形机器人产业化的关键因素，准直驱方案具有成本优势。而针对工业场景应用，出于负载和关节体积之间的权衡，准直驱方案的应用范围有望进一步扩大。因此我们认为，未来国内主机厂在驱动方案上更可能根据关节特性不同而同时选择谐波和行星减速器方案。
3、线性驱动器原理及发展路径讨论
3.1直线驱动器总成选型思路
问题①：直线驱动器方案为什么选择“电机+丝杠”？
人形机器人直线驱动器的要求：良好的刚性表现和较高负载能力、精密的线性运动控制、柔顺连续的直线运动性能。
人形机器人双足、双臂采用连杆结构，连杆末端采用“电机+丝杠”结构，能够满足刚性、载荷、运动精度和连续性要求，且伺服电机能够满足直线运动的力矩、精度要求，所以无需搭配减速器。
问题②：滚柱or滚珠丝杠的选型理由及优劣势比较？
滚珠丝杠在部分关节处替代滚柱丝杠的可行性高，且能大幅降低成本。
可行性：滚珠丝杠产品成熟度较高、精度高、传动效率高，能够满足人形机器人需求，且在小臂、小腿等负载较小的位置，滚珠丝杠负载能力能够满足相应负载要求。
必要性：人形机器人逐渐步入量产阶段的背景下，产品降本成为大势所趋；使用滚珠丝杠替代滚柱丝杠能够降低约91%的产品成本，降本效果显著。
问题③：直线驱动器对自锁性能的要求？
由于直线驱动器需要配合实际场景频繁执行前进、后退运动，所以相较于自锁性能，直线驱动器更需要丝杠具备运动可逆的性能。综合来看，滚柱&滚珠丝杠可以满足人形机器人的自锁需求。
在少数场景下，直线驱动器需要自锁功能，其实现方式主要包括：①使用本身具备自锁功能的T型丝杠，但是T型丝杠存在精度差、传动效率低等劣势，其应用弊端显著；②使用滚柱&滚珠丝杠，加装具备自锁功能的电机或设备，此方案在保留滚柱&滚珠丝杠优势的同时实现自锁功能。
3.2“电机+丝杠”能良好适配直线驱动器需求
人形机器人直线驱动器对刚性、载荷、运动精度、运动连续性有较高要求。人形机器人双腿、双臂采用连杆结构，并通过结构改型，有效减轻运动惯量，提升主机的运动稳定性。从实际场景出发，连杆末端需要具备较高刚性、输出较大载荷，并需要具备运动的高精度和连续性，“电机+丝杠”方案是最佳选择。此外，由于伺服电机能够满足直线运动的力矩、精度要求，所以无需搭配减速器。
人形机器人可选丝杠包括滚柱丝杠、滚珠丝杠和T型丝杠，综合来看滚柱丝杠具备高负载、高精度的特点，综合性能表现最优；滚珠丝杠负载能力稍弱，但是精度较高，产品性价比较高；T型丝杠虽具备较强经济性，但其运动精度较差。
3.3线性传动方案采用丝杠实现精密控制
滚柱丝杠具备高负载、高精度的特点，在人形机器人直线驱动器中的应用优势显著。
①运动精度高，能实现连续、柔顺的直线运动：滚柱丝杠通过螺母、滚柱和丝杆之间的螺纹咬合，能够实现高速旋转运动与低速直线运动之间的转换，以GSA的外径20mm滚柱丝杠为例，丝杠螺距约为2.5mm，搭配目前主流伺服电机能够实现较精密的直线运动。
3.4滚珠丝杠具备较高产品性价比
相较于滚柱丝杠，滚柱丝杠使用钢球作为滚动体，丝杠作为主动体运动时，带动钢珠旋转运动，螺母随之按照对应的导程进行直线运动。整体来看，滚珠丝杠具备一定的负载能力，产品性价比高。
①优势：相较于滚柱丝杠，滚珠丝杠具备明显的成本优势，由于其钢球的工艺难度相较于滚柱更低，故滚动体价值量可以大幅下降，从而显著降低丝杠整体成本。
②劣势：滚柱丝杠的钢球与螺母、丝杆之间是点接触，故其负载能力有限，此外其抗冲击性不如滚柱丝杠，只能应用于中低负载的简单场景。
3.4滚珠丝杠有望替代部分滚柱丝杠
人形机器人逐渐步入量产阶段，滚珠丝杠有望替代部分滚柱丝杠，降低整机BOM成本。
①滚珠丝杠精度能够满足人形机器人需求：通常来看，C0-C4级丝杠能够满足精密级机械手臂需求，C5-C8级丝杆能够满足一般级机械手臂需求；目前滚珠丝杠技术相较于滚柱丝杠更为成熟、国产化率更高，能够满足实际场景的精度要求；
②滚珠丝杠有望替代小臂、小腿处滚柱丝杠：以上银科技8mm外径、3mm螺距的滚柱丝杠为例，能够实现3000N左右的推力，能够满足人形机器人小臂的直线驱动器需求，未来有望进一步实现对小腿位置的滚柱丝杠进行替代；以Optimus为例，滚珠丝杠能替代4-10个滚柱丝杠，分别以单价800元\9000元计算，单机节约成本3.2-8.1万元。
3.5自锁不是丝杠选型的必要条件
通用型人形机器人主要面向泛工业、泛生活场景，大重量搬运涉及关节自锁等场景占比不高，对直线驱动器自锁性能的要求较低。直线驱动器主要可以通过丝杠自锁和电机自锁两种方式实现自锁功能。
①滚珠&滚柱丝杠：高精度、低摩擦，具备良好的刚度和稳定性，能实现灵活可逆的运动，能够通过电机自锁的方式适配自锁场景，是直线驱动器丝杠的主要产品；
②T型丝杠：传动效率和导程精度低，具备良好的自锁性能，但难以满足直线驱动器的精度、寿命、传动效率要求。
Optimus下肢关节混合采用旋转和直线执行器，通过并联提升电机高度，将膝关节和踝关节的电机分别上移至大腿和小腿上侧，减轻腿部惯量。Optimus首先面向工厂应用场景，运动稳定性与高负载是首要的考虑因素，目前主要采用滚柱丝杠方案。
滚柱丝杠&滚珠丝杠均具备高精度、高传动效率的优势，能够通过加装制动装置实现自锁，均能较好适配人形机器人下游需求。未来在人形机器人逐步量产的背景下，滚珠丝杠有望替代部分滚柱丝杠，应用于小负载位置，降低整机成本。
研发驱动成长，由单品龙头成长为平台型供应商。公司1983年成立，依靠领先的研发能力与下游领先车企实现深度合作，与下游客户共同成长，逐渐成为tier0.5的平台型汽零供应商。目前公司拥有8大汽零系列产品，包括汽车NVH减震系统、内外饰系统、轻量化车身、智能座舱部件、热管理系统、底盘系统、空气悬架系统、智能驾驶系统等，单车价值量达3万元。
全球化持续推进，机器人执行器业务开启广阔成长空间。公司依托线控执行器领域的技术积累，2022年布局机器人直线执行器和旋转执行器，包括电机、电控和减速器机构等，产品多次送样，获得客户认可，预计后续将逐步放量。2022年9月，公司公告拟在墨西哥设立全资子公司，投资不超过2亿美元，主要生产轻量化底盘、内饰系统、热管理系统和机器人执行器等产品，进一步扩大全球业务布局。
从减速电机起家，聚焦机器人运动执行部件。公司是国内唯一同时生产精密减速器、伺服驱动、永磁直流电机和交流减速电机的机械传动核心部件制造商，2021年开始布局智能执行单元。
布局三大精密减速器，具备全系列产品量产能力。公司同时具备RV/谐波/行星减速器的量产能力，2022年RV减速器国内市占率达4%。公司募投资金使用1.15亿元，建设智能执行单元及大型RV减速器生产线项目，积极布局减速器系列产品。
人形机器人关节集成化趋势下，公司一体化产品具备竞争优势。人形机器人要求关节小型化、轻量化、集成化，机电一体化产品逐渐成为精密传动部件的发展方向。公司在现有产品的基础上推出“减速器+电机+驱动”的一体化产品结构，布局一体化产品，具备竞争优势。
十年耕耘精密减速器，产品谱系不断完善，减速器业务成为第二增长曲线。公司从2013年开始研制工业机器人精密减速器，经过多年技术积累，产品性能居于全国前位。目前子公司环动科技布局RV/谐波/行星减速器，提供覆盖3-1000kg负载机器人的高精密减速器整体方案，2022年国内RV减速器市占率达15%，居国内企业第一。公司减速器业务2018年营收0.63亿元，至2022年达4.57亿元，CAGR达64%，逐渐成为第二增长曲线。
国内液压龙头企业。公司1997年进入液压行业，通过内生+并购的形式在液压泵阀领域不断突破，在挖掘机领域深度绑定国内外头部主机厂，成为国内液压领域龙头企业。同时持续扩展下游应用，覆盖工程机械、海工、盾构、农机等，并加速海外业务扩展，平滑周期。
业务扩展至精密传动系统，丝杠业务迈向星辰大海。公司基于电动缸业务逐渐扩展至精密传动系统，重点布局滚珠/滚柱丝杠，国产替代空间可期。2021年9月，公司发布50亿元定向增发项目，主要涉及墨西哥工厂、线性驱动器项目等。2023年1月，公司完成募集金额约20亿元的非公开发行，拟投入14亿元进行线性驱动项目的产品电动化升级，项目达产后预计形成年产10.4万根标准滚珠丝杠电动缸、4500根重载滚珠丝杠电动缸、750根行星滚柱丝杠电动缸、10万米标准滚珠丝杠和10万米重载滚珠丝杠的生产能力。
布局滚动精密部件，先发优势奠定领先地位。当前高精度滚珠丝杠海外厂商占比较高，国产替代空间大，人形机器人带来行业增长空间。公司设立子公司宇华精机布局直线滚动功能部件，瞄准高端机床领域、半导体装备产业、自动化产业三大市场进行开拓，和原有业务具有协同效应，具有先发优势。
切入丝杠业务，国产替代趋势下迎来新增长空间。2022年公司发布定增计划，投资2.65亿元扩建自润滑轴承与滚珠丝杠产能，项目建成后将形成年产3万套滚珠丝杠的生产能力，产品首先用于汽车行业。公司在汽车业务上的资源积累为丝杠业务扩展提供竞争优势。
连续铸造：其原理是将熔融的金属，不断浇入结晶器中进行冷却，并将凝固（结壳）了的铸件连续不断地从结晶器的另一端拉出，可获得任意长或特定的长度的铸件。
行业层面：球墨铸铁优势显著，以铁代钢前景蓝海
1）材料优势：相较于锻钢，球墨铸铁成本低、轻量化、温升低、易切削、对刀具磨损小，其可有效避免毛刺对自动化生产的影响，加工效率更高。
2）球墨铸铁目前已应用于空压、液压、传动等领域。连铸球墨铸铁材质致密性好，无缩孔、杂质、夹渣、石墨漂浮等缺陷，热膨胀系数小，耐磨性能好，具有自润滑性能，缺口敏感性低，能保证压缩机在较小的啮合间隙下安全运行，能效等级得到较大提升，因此被应用于空压、液压、传动领域。
公司层面：“双轮驱动”增厚收益，乘机器人东风开拓新领域
1）连铸业务：连铸技术业内领先，连铸产量国内第一。公司通过多年对连铸技术的改良和发展，连铸技术现已实现大体积球墨铸铁近乎无缺陷铸造，极大提高了产品质量和良品率。2021年公司连铸件产量国内市占率为59.42%。
2）机加工业务：高附加值业务收益显著。2018-2022年，公司机加工业务收入占比由50.58%提升至57%。机加工业务具备高附加值，毛利率常年维持在30%左右。随着高端零部件国产替代需求的持续增长，高附加值、高毛利率的机加工件业务为公司带来更广阔的增量市场和成长空间。
3）历经多年，公司现已打通装备制造产业链各个环节，满足客户“一站式采购”的需求：公司通过优质的连续铸铁供给，降低了加工端的综合成本；通过“一站式“的深加工服务，打通了更多应用领域，形成了高客户粘度。
4）公司进军机器人领域，已有小批量供货RV减速器：球墨铸铁低成本、轻量化、低温升等特点使其契合机器人零部件在降本、减重、散热方面的核心诉求。公司积极布局减速器赛道，目前已小规模应用于RV减速器的行星架座、行星架盖、摆线轮、针齿壳、偏心轴等部件，其具备先发优势，未来预计可获得较大市场份额。
【球墨铸铁】恒工精密。
5.2风险提示
人工智能&大模型技术发展不及预期；
下游落地场景拓展不及预期；
人形机器人商业化进程不及预期；
核心零部件成本居高不下带来的需求不及预期；
政策支持力度减弱带来的风险；
行业规模测算偏差风险；
研报使用的信息存在更新不及时风险。
先进产业组介绍
冯胜，中泰证券研究所中游制造组负责人，先进产业研究首席，执业编号：S0740519050004。硕士毕业于南开大学世界经济专业，本科毕业于南京航空航天大学飞行器制造工程专业；3年机械行业实业工作经验，7年证券公司机械行业研究经验；具备深厚的产业资源，熟悉企业发展规律和运营管理，对产业与资本的结合具有细致的观察和体会。2019年5月加入中泰证券研究所，2020年机械行业新财富入围团队。
杨帅，博士，加拿大卡尔加里大学金融学博士，2022年2月加入中泰证券研究所。重点覆盖光伏、储能、工程机械等先进产业领域。
齐向阳，北京大学软件工程硕士，2022年10月加入中泰证券研究所。重点覆盖工控设备、人形机器人、电动化等先进产业领域。
宋瀚清，悉尼大学金融学、商业分析硕士。2022年3月加入中泰证券研究所，目前覆盖锂电回收、钒液流电池等新兴产业领域研究。
白钰如，伦敦政治经济学院运筹学与分析学硕士，2021年12月加入中泰证券研究所。重点覆盖工商业储能、汽车零部件等先进产业领域。
蔡星荷，香港中文大学经济学硕士，2022年3月加入中泰证券研究所。重点覆盖人形机器人等先进产业领域。