机器人成本结构中，执行器所占比例最高，达到60-70%，所谓执行器，也可以叫关节模组，关节模组包括了电机、减速器、编码器、驱动器、离合器、力传感器。

特斯拉Optimus为代表的典型人形机器人的关节结构，共有28个执行器，其中线性和旋转执行器各占一半。旋转执行器结构主要由无框伺服电机+谐波减速器+电机驱动器+离合器+力传感器+编码器组成。线性执行器类似于人的肌肉，其结构主要由无框伺服电机+行星滚柱丝杠/梯形丝杠+电机驱动器+力传感器+编码器组成。特斯拉Optimus的28个关节中均搭载无框力矩电机作为动力源头。14个旋转关节结构为无框力矩电机+谐波减速器，14个直线关节结构为无框力矩电机+行星滚柱丝杠。宇树G1基础版配备23个无框电机（单价1300-2000元），总成本约3万至4.8万元。

强调高性能与高实时性的人形机器人通常采用工业以太网即EtherCAT拓扑，EtherCAT（Ethernet Control Automation Technology）是一种高性能实时以太网通信协议，用于工业自动化领域中进行实时控制和通信。它是由德国Beckhoff自动化公司在2003年开发的，并被国际电工委员会（IEC）标准化为IEC 61158标准。

EtherCAT由一个主站设备和多个从站设备组成。主站设备使用标准的以太网控制器，具有良好的兼容性，任何具有网络接口卡的计算机和具有以太网控制的嵌入式设备都可以作为EtherCAT的主站。对于PC计算机而言，主站控制器多采用倍福(Beckhoff)开发的TwinCAT软件。EtherCAT从站使用专门的从站控制器（ESC），如专用集成芯片ET1100和ET1200，或者是利用FPGA集成EtherCAT通信功能的的IP-Core。EtherCAT物理层使用标准的以太网物理层器件，如传输介质通常使用100BASE-TX规范的5类UTP线缆。

6口工业以太网交换机方案

工业以太网因为市场规模很小，因此价格非常高昂，这里的分支器实际就是以太网交换器。常见的工业以太网交换机芯片是倍福(Beckhoff)的ET1100，国内有对标ET1100的北方方芯的FCE1100。

机器人关节领域基本都使用无框电机，无框力矩电机（Frameless Torque Motor）属于永磁同步电机，是传统电机的主动扭矩和速度产生部分，但没有轴、轴承、外壳或尾夹。无框电机仅由两部分组成：转子和定子。转子通常是内部部件，由带有永磁体的旋转钢环形组件组成，直接安装在机器轴上。定子是外部部件，齿周围有钢叠片和铜绕组，可产生紧密安装在机器外壳体内的电磁力。

无框电机

无框力矩电机以输出扭矩为衡量指标，普通伺服电机以输出功率为评价指标。无框由驱动器供电，驱动器控制UVW三相电形成电磁场，永磁体的转子在此磁场的作用下转动，无框力矩电机可以通过霍尔元件作为反馈信号，也可以通过另外加装的编码器作为反馈，驱动器根据反馈信号反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度，达到伺服控制的目的。

无框电机衡量指标主要是输出密度高，核心在于“高功率/转矩密度”和“高体积/质量效率”，通过增大定子槽满率（嵌入更多铜线）和优化结构（轻量化、薄机身），在有限空间内提供强大扭矩，尤其适用于人形机器人等对尺寸、重量敏感且要求高动态性能的应用。其高密度特性体现在相同体积输出更高功率、同等功率输出尺寸更小、温升更低，同时得益于集成化设计和优化的灌封工艺，能效和可靠性也得到提升。

槽满率是无框力矩电机的核心指标，高槽满率意味着在相同体积内能容纳更多有效导体（铜线），提升电流承载力，降低电阻，从而支持更高持续/峰值扭矩输出。槽满率不仅关乎电机本身的功率密度，更直接影响关节模组的装配质量、运行一致性与长期可靠性。若某一相或某一块定子槽满率偏低，将导致三相不平衡、转矩脉动增大，轻则影响运动平滑性，重则触发控制器保护甚至造成早期失效。可以说，它从一项设计参数，演变为人形机器人关节能否顺利“装的上、跑得稳、用得久”的关键门槛。这也是我们看到机器人赛跑，有些人跑几步就歪歪斜斜，或者跑几步就摔倒，或者跑了1公里就坏了。无框电机价格差异很大，进口的优质无框电机是国内无框电机价格的5-7倍甚至10倍以上。

国产无框电机单机价格约500-800元人民币，加上驱动器、行星减速机、编码器、制动器、双编码器后价格大约1500元人民币。减速机也有很多种，谐波减速与行星减速之间价格差4-6倍甚至更多。宇树G1使用23个无框电机，电机系统总成本大约为3.5-4.8万元人民币。加上供电、线束、通讯，大约是3.8-5.1万人民币左右。

全球无框力矩电机市场主要玩家包括美国科尔摩根、德国威腾斯坦、日本电产Nidec尼得科、Maxon Motor等厂商。例如，科尔摩根拥有超过70年的运动控制研发经验。采用分布式的分数槽及碳纤维绑扎技术生产无框力矩电机，KBM系列无框电机广泛应用于高端制造、医疗设备等领域。除了机器人领域，医疗设备领域也是无框力矩电机的主要市场，展望未来，即使出货量大幅度增加，无框力矩电机的价格下降空间也很小，因为这是非常成熟的市场，且高端市场集中度很高。

无框电机的驱动部分比较复杂，微控制器是无框力矩电机控制系统的核心，负责处理传感器数据、执行控制算法并生成驱动信号。常见的MCU品牌包括STM32F103、TI的TMS320系列和NXP的Kinetis系列。

MCU的主要功能包括：

（1）位置检测与反馈：通过编码器或旋转变压器获取转子位置信息。

（2）速度控制：实现闭环控制，确保电机按设定的速度运行。

（3）电流检测与保护：实时监测电机电流，防止过流损坏。

功率驱动芯片用于放大MCU生成的PWM信号，以驱动电机绕组。常见的驱动芯片包括三相全桥驱动器，如IR2184、DRV8305等。栅极驱动器用于驱动功率MOSFET或IGBT的栅极，确保其快速、准确地开关。栅极驱动器的选择直接影响到电机的动态响应和能效。常见的栅极驱动器有UCC27511、ADP3120等。

接着我们来看灵巧手用的空心杯电机。

灵巧手示意图

典型的灵巧手本体有 19 个自由度， 6 个主动自由度，拇指有 3 个自由度（ 2 个主动自由度），可实现主动弯曲伸展与主动侧向摆动，四个手指均有 4 个自由度（ 1 个主动自由度），可实现主动弯曲伸展与被动侧向摆动。

特斯拉三代灵巧手对比

大拇指和小指有5个自由度，其余三指每个4个自由度，共22个自由度。其中主动自由度是17个，也就是说控制手指运动需要17个电机集成在前臂 —— 大拇指和小指是由4个电机驱动，其余3指由3个电机驱动。每个手指的远端关节（DIP）以及中间关节（PIP）是由一根腱绳耦合控制的，属于被动自由度。该灵巧手的腕部还有3个自由度，也可以说是，还有3个控制手腕的电机也集成在前臂。

宇树G1的灵巧手包含14个空心杯电机、14个多级行星减速机，12个触觉传感器，14个驱动器+编码器，另外还有部分辅助机构，公开成本约12000、4500、6000、7000、5000，合计总体成本约在35000元左右，这其中电机所占比例最高，单价约860元，国外品牌单价大约1800-3000元人民币。

空心杯电机（Coreless Motor）是一种特殊的直流电机，其转子没有传统铁芯，而是由自支撑的杯状线圈构成，具有体积小、重量轻、效率高、响应快、无齿槽效应等优点，广泛应用于航空航天、医疗器械、机器人、无人机、消费电子等领域，代表了微特电机的发展方向。转子是线圈绕成的空心杯，外部是磁铁。有刷型线圈旋转，无刷型磁铁旋转。无铁芯结构消除了铁芯涡流和磁滞损耗，提高了效率。转子惯量小，电流响应快，可实现快速启停和加减速。转矩输出平稳，低速运行时无振动。

空心杯电机可分为有刷空心杯电机和无刷空心杯电机。有刷空心杯电机结构简单，成本相对较低。转子上的碳刷和换向器接触，将电能转换为机械能。两者接触会产生火花，并在接触磨损过程中存在一定噪音和震动，同时也会影响电机性能导致电机寿命缩短。有刷空心杯电机适用于对体积和重量要求较低领域，如小型家电。无刷空心杯电机结构复杂，成本较高。由于无碳刷和换向器，无刷空心杯电机通过电子转换器实现电能转换，可根据转子位置自动调整电流方向，实现无花火运行，减少损耗延长电机寿命。无刷空心杯电机体积和重量相对较小，同时效率高、寿命长等特点。

2023年中国高功率空心杯电机下游应用领域占比前五分别为医疗器械（37%）、仓储物流（15%）、工业自动化（12%）、航天航空（11%）、机器人（8%）。实际目前手机领域也大量使用空心杯电机做对焦，但是力矩很小。全球高功率空心杯市场仍以海外厂商为主导，2023年国外制造商市占率为 85%。由于海外头部企业技术累积深厚，2022 年全球空心杯电机市场CR5为67%，全球前五企业分别为Faulhaber、Portescap、AlliedMotion Technologies、 Maxon Motor、Nidec Copal Corporation。

空心杯电机的绕线工艺是其核心技术壁垒之一。线圈的绕制过程直接影响电机的体积、转速、功率密度和良率等性能。无铁芯的自支撑绕组由漆包线制成，在制造过程中，通过施加压力和温度将相邻电线的漆融化在一起，形成坚固的绕组结构。空心杯电机线圈绕制技术按线圈绕法分为直绕形、马鞍形、斜绕形三种形式。其中，直绕形绕制方法工艺较为复杂，多用于较长绕组结构，常为多次绕制而成。斜绕形和马鞍形的绕制工艺简单，具有电枢重量轻、转动惯量小、时间常数小、拖动特性好、输出力矩大等优势，是国外先进空心杯电机厂商常用的两种线圈形式。例如，德国 Faulhaber 电机采用斜绕形线圈，瑞士 Maxon 电机采用马鞍形线圈，因而电机性能更加优越。

空心杯电机也是非常成熟的产品，医疗和航天领域用量巨大，是机器人领域的数百倍以上，这就意味着即使机器人放量，空心杯电机也没有多少降价空间。