< 電子報 >

人型機器人的關鍵零組件

| 2025年 - 9月| No.006

照片取自: 中國宇樹科技官網 Unitree G1

我們的服務 

提供國內、外自動化知名品牌: 關鍵零組件、控制監視系統、驅動控制系統、機械設計系統、變頻傳動系統、 感測器。

我們的產品

伺服馬達、無框馬達、DC無刷馬達、DC電動推桿、電動缸、滾珠螺桿、行星式滾柱螺桿、聯軸器、免鍵軸襯、諧波/擺線/行星式減速機、光電感測器..等。

       要深入探討人型機器人的關鍵零組件，首先必須理解其運動方式。根據不同關節的位置與功能，主要可分為直線運動與旋轉運動的組合。人體本身具備高度自由度，除了基本的移動外，還包含彎曲、扭轉等複雜動作。當機器人關節數量越多，所需的自由度也越高，結構自然更為複雜，而動作又要達到一定的精度及速度時，那實現難度也會隨之提升。

NEURA，為德國人型機器人

X plore I，台灣達明首款人型機器人

       人型機器人所使用的零組件在架構上與機械手臂相似，但在人型機器人的手部關節的設計上，則更具挑戰性。由於手部關節數量多、空間受限，若要達到類似人手的靈活性與精度，設計與選材都需格外講究。以 Tesla 的人型機器人為例，其全身包含 14 個旋轉關節與 14 個直線關節，手部就擁有 12 個獨立關節，可見其複雜程度。

人型機器人常見的核心零組件包括：

1. 馬達系統: 伺服馬達、DC無刷馬達（BLDC）、無框馬達、感應/永磁馬達
2. 減速機構：RV 擺線減速機與 HD 諧波減速機
3. 傳動元件：行星式滾珠螺桿與行星式滾柱螺桿

       在機械手臂中，常見的配置為：R1～R3 關節，多採用 HD 諧波減速機，R4～R6 關節，則偏好使用 RV 擺線減速機。人型機器人則因自由度高、關節密集，且空間與體積受限，對零組件的尺寸與靈活性要求更高。以直線關節的螺桿為例，若需在小空間內實現高扭矩輸出，一般的滾珠螺桿可能會因尺寸過大而不適用；而旋轉關節的減速機為例，兩段或多段的行星式減速機，雖能提升扭矩，但整合後整體體積仍偏大，不利於關節整合。因此，在某些高精度且空間受限的位置，關鍵零組件的選用上，常會選用高單價、高扭矩且性能更佳的零組件，以兼顧結構緊湊與動力輸出。

照片取自: 中國宇樹科技官網 Unitree G1

       從結構自由度出發，探討人型機器人的驅動核心馬達，延續上一章節以 Tesla Optimus Gen-3 為例，其人型機器人具備 14 個旋轉關節、14 個直線關節，手部更擁有 12 個獨立關節。而旋轉關節通常由「馬達 + 減速機」構成，直線關節則多為「馬達 + 螺桿」，也可能搭配聯軸器或直接驅動。由於人型機器人各關節的自由度與性能需求不盡相同，馬達的選型與搭配也需因應不同情況調整。本章節延伸自電子報 No.001《馬達之我見》，進一步探討人型機器人常用的馬達類型與其關鍵特性。Tesla Optimus Gen-3 配備 28 顆無框力矩馬達與 6 顆空心杯馬達，展現高整合驅動能力。那關節處共有40處，馬達為何只有34顆馬達呢? 因手指關節常採用「差動機構」或「滑輪系統」，一顆馬達可控制兩至三個指節。

DC 馬達：從有刷到無刷的演進
早期在小型驅動應用中，常採用 DC 有刷馬達，其原理為定子磁場固定、轉子磁場變化，透過電刷與換向器驅動線圈旋轉。然而，電刷的磨損不僅影響馬達壽命，也帶來噪音與維護成本。因此，DC 無刷馬達（BLDC）逐漸成為主流。其設計為轉子磁場固定，定子磁場變化，實際上是驅動定子磁鐵旋轉。由於無需電刷，BLDC 馬達在壽命、效率與靜音表現上，皆優於DC有刷馬達，特別適合人型機器人中高頻率、高精度要求高的關節驅動。

永磁無刷馬達：小型化與高效能的首選

人型機器人常採用 DC 永磁無刷馬達，其轉子為磁鐵，具備以下優勢：

• 體積小、重量輕（可減少約 50%）
• 轉動慣量低、反應速度快
• 高效率、低噪音

此類馬達常被稱為「空心杯馬達」，尺寸極小，尤其適合用於手部空間受限的關節。

DC永磁無刷馬達(空心杯馬達)

DC無刷馬達

無框馬達：結構整合的最佳解決方案
為了進一步縮小關節尺寸並提升扭矩輸出，部分應用會選用無框馬達（frameless motor）。此類馬達，動子與定子會分開選用，需依據實際負載與速度需求，進行客製化搭配，使用時，要固定動、定子，並利用機器人本體結構去整合馬達驅動輸出。這不僅能減少馬達外殼的重量與體積，也提升整體設計的靈活性與性能密度。

伺服馬達：精密控制的關鍵

人型機器人亦常使用伺服馬達，主要分為：

• 感應伺服馬達（異步伺服）：轉子磁場與定子不同步，控制速度的精度相對較低
• 同步伺服馬達  (永磁伺服)：轉子與定子磁場同步，適合精密定位與速度控制

在需要高精度動作協調的關節中，同步伺服馬達更具優勢；而感應伺服則多用於負載較大但精度要求較低的地方，馬達的設計，感應伺服馬達會是較大型的，同步伺服則一般不會做太大容量，因永磁產品會太重，金額太昂貴。

       高扭矩、高精度的關節機構傳動技術關鍵在減速機。在人型機器人與機械手臂的旋轉關節設計中，馬達雖具備高速運轉能力，但扭矩往往不足，因此必須搭配減速機來放大輸出扭矩，來進一步達到所需的驅動力與定位精度。沒有空間要求的位置，可以選用行星式減速機，但有空間限制場合且需要高速比的扭矩輸出時，可選用HD諧波減速機，因它具備「小型化、輕量化、高扭矩、高精度」等特性，它已廣泛被應用於機械手臂的六大關節中，尤其在空間受限且需高精度的部位表現尤為出色。

HD諧波減速機主要結構_資料取自: Harmonic Drive 型錄 (No.1806-16R-HD-TW)

       針對機械手臂中負載較大的 R4、R5、R6 關節位置，RV 擺線減速機為重載關節的首選。因機構需承受較高重量與剛性時，手臂製造商通常會選用 RV 擺線減速機。其「結構剛性強、耐用性高」等特性，特別適合重載與高頻率運作的場景。目前全球四大工業機器人品牌——ABB、YASKAWA、KUKA、FANUC——皆在其機械手臂產品中整合使用 RV 與 HD 減速機，形成業界標準配置。根據統計，全球機械手臂廠商對這兩類減速機的使用率已超過 90%，也促使眾多減速機製造商粉粉投入研發與量產，而誰可取得此關鍵零組件的成本較低，也成為巿場競爭力的關鍵因素。

減速機的品質挑戰：壽命與性能是驗證關鍵!

儘管市面上減速機生產製造廠商眾多，特別在中國巿場，但減速機要如何在長時間、高頻率運作下，性能仍持續穩定、壽命是否足夠，始終是減速機的一大挑戰。

尤其在人型機器人這類需求上，它是長時間執行重複性動作的應用，如減速機品質不穩定，那將直接影響整體系統的可靠度與維護成本。

如何確保您所生產的減速機，具備足夠的性能呢？
【自動化產品服務專家】推薦使用「巨克富科技」的減速機測試台。巨克富科技專業提供馬達、減速機、螺桿量測系統的整合廠商。透過專業檢測設備，全面驗證產品品質及性能，並與日本原廠Harmonic Drive 、Nabtesco 等國際減速機第一品牌產品，進行差異分析、比較，協助廠商產品品質的精進及有效提升，一起「出國打國際盃」。

被隙測試

啓動扭矩測試

剛性測試

效率測試

壽命或磨合測試

減速機測試項目及測試波型說明

       人型機器人如同一套高效的自動化設備，其各關節模組的運動，不僅仰賴精密的機構設計，更需搭配穩定且智慧的軟體控制。唯有在硬體與軟體高度系統整合控制下，才能達成預期的動作表現。若為了節省成本而選用不適宜的零組件，將可能導致機構運作失準，無法達成應有的功能與效率。

多功能HD減速機測試台

       品質不是口說無憑，也不是模仿就能達成。唯有透過嚴謹的測試設備把關與工程數據確認驗證，才能清楚說明產品的性能狀態與差異表現。透過測試設備的檢驗，可為人型機器人提供穩定可靠的產品驅動核心。為確保減速機品質，建議進行以下相關項目的測試，如下，減速機檢測項目一覽表:

減速機檢測項目一覽表

       在有限空間中實現高推力與高精度的線性驅動解決方案，推薦使用行星式滾柱螺桿。在人型機器人的直線關節設計中，如何在受限的空間內產生足夠的推力與扭矩，是一項極具挑戰性的工程課題。尤其在手臂、腿部或軀幹等部位，空間緊湊且性能要求高，傳動元件的選用至關重要。

行星式滾柱螺桿因其獨特的結構設計，具備以下優勢：

• 高扭矩輸出：適合重載與高推力需求
• 高精度定位：支援精密線性運動
• 高剛性結構：提升整體穩定性與抗變形能力
• 高速運作能力：適用於快速反應的動作場景

行星式滾柱螺桿 (外觀、結構) 示意圖

       相較於一般滾珠螺桿，行星式滾柱螺桿除了扭矩的差異外，在背隙控制、重複精度與負載能力上表現更為優異。根據技術比較表（如圖所示），滾柱螺桿在精度、力量、重覆性與反向驅動能力方面皆為最高等級，特別適合人型機器人中高性能直線關節的應用，Tesla也選用此零組件。由下方表格可以清楚呈現三種螺桿在性能上的差異，並特別凸顯滾柱螺桿在高精度與高負載應用中的優勢，當然成本也居高不下。

各式螺桿類型差異比較表

       未來人型機器人的發展，將如同今日的汽車產業般多元化。全球各大車廠擁有不同品牌與車種，如同人型機器人分別對應不同情境: 接待導覽、醫療陪伴、重覆搬運、運動訓練、保全監控、清潔工作、送餐服務到物流產線....等。人型機器人亦將依據應用場景，發展出適宜的機型與功能模組，如同汽車分類中的跑車、轎車、休旅車、計程車與卡車等。尺寸與功能有不同的性能需求差異，它都會直接影響零組件的選用與人型機器人的整體成本。舉兩個例子: 具備高載重能力的機器人，其結構與驅動系統需更強大，造價自然較高。另一個需要高度較高的機器人，機械人手臂可以運動範圍及空間相對較大，可以達到的性能會與較小尺寸機器人明顯差異，當然也會表現在價格上。

       性能與成本之間存在絕對關聯，並非所有人型機器人都需搭載高階 AI 晶片。若僅採用一般多軸運動控制器或CPU，也可以完成簡單的任務。人型機器人未搭載如 NVIDIA Jetson Thor 等具備 AI 學習能力的晶片，則機器人即無法進行學習與智能判斷。CPU/GPU 晶片猶如機器人的大腦，若僅需執行重複性任務，機械手臂即可勝任；但若期望機器人具備人較高的智慧，具類人的學習能力，能在多變情境中穩定表現，則其資料儲存容量與運算能力，勢必少不了人工智慧AI的協助。

台大機械所_搭載Intel CPU均具備自主定位導航能力。 (照片資料取自: ：NSTC)

       目前人型機器人的生產成本仍居高不下，主要原因在於整體產量有限，尚未形成規模化製造，導致零組件採購成本難以有效壓低。從高成本瓶頸走向技術普及，關鍵在於模組化設計與量產能力的突破。

       此外，為了模擬人類的自然動作，人型機器人通常搭載大量關節自由度，這也直接推升了驅動器、感測器與結構件的數量與複雜度。若為了降低成本而減少關節數量，雖可簡化設計，但動作將顯得僵硬，難以呈現人類般的柔軟與彈性。

整體而言，人型機器人的成本結構可概略分為以下六大核心區塊：

• 控制器
• 伺服系統
• 減速機

• 視覺 / 感測器
• 本體結構
• 系統整合

2025 台北自動化展，HIWIN展出一10kg負載機械手臂會應用到的關鍵零組件

       目前人型機器人若無法量產與標準化採購，依尺寸與功能差異，單機造價常落在新台幣 200 萬元上下，成為商業化推廣的主要門檻。單機價格推算：

• 原型機或客製化機型：造價常落在 15,000–50,000 美元（約 45–150 萬台幣）。
• 量產目標價：如 Tesla Optimus，目標售價為 20,000 美元（約 61 萬台幣），但尚未達成。
• 若考慮到AI 晶片、感測器、模組整合、非量產條件，這個200萬元台幣，應該是合理的。

       在智能製造與人機協作日益融合的時代，掌握技術趨勢不僅是突破成本瓶頸的關鍵，更是企業脫穎而出的核心競爭力。透過 AI 加值，讓人型機器人不再只是「能動」，而要能「動作更敏捷、操作更靈巧、決策更聰明」。為突破現有限制，技術正朝以下四大方向快速演進：

人型機器人四大技術發展方向

附註:

可重構模組架構（Reconfigurable Modular Architecture）

定義：指的是機器人系統中的各個功能模組（如驅動、感測、控制、通訊等）具備可拆卸、可替換、可重新排列的能力，讓整體架構具備高度彈性與擴充性。

可重組感知系統（Recomposable Perception System）

定義：指的是機器人感知系統中的各類感測模組（如視覺、語音、力覺、環境感測）可依任務或環境需求進行動態組合、替換或強化，形成最適化的感知架構。

       最後分享，根據 2025 年人型機器人技術指標，納入兩款尚未量產的美系機型評估綜合考量，其最新技術突破、量產能力、商業化進展與應用場景成熟度，可初步劃分出全球技術最領先的第一梯隊。

全球技術領先的第一梯隊

       美國的 Boston Dynamics 與 Tesla 所研發的人型機器人，雖在技術層面堪稱全球最先進，具備高度自由度、卓越運動性能與深度 AI 融合能力，但目前仍處於內部測試與早期量產階段，尚未全面進入商業化市場。確認一人型機器人的關鍵評估指標，包括：

人型機器人的關鍵評估指標

       2025 年，中國在人型機器人領域的技術發展已躍居全球領先地位。全中國的機器人產值達379億RMB，相當驚人。相關零組件的自製能力己高達70%。2024年，中國在全球的機器人專利申請，佔比約2/3。光做靈巧手的供應商，就有30家以上，舉例，中國智元為一靈巧手的知名供應商，智元Omnihand (2025年8月上巿價格$9800RMB)，當然它依選用型號不同，也被使用於智元機器人Agibot上面。其中深圳的 優必選（UBTECH）與台灣頂尖代工企業 鴻海集團 ，己正式簽訂長期合作協議，展現出強大的製造整合能力與商業化潛力，相信有鴻海集團的加持，UBTECH在相關實際代工落地應用的經驗會持續累積，中國人型機器人的相關應用技術發展，也一定會突飛猛進。

中國智元靈巧手 Omnihand

       未來人型機器人一定會如同車子一樣，依據不同品牌及產地，在全球被穩定地生產製造，使用車子的人將是關鍵。人型機器人公司所開放出來的 API（應用程式介面）如果能讓使用車子的人，能夠很容易地與機器人進行溝通、控制其行為、感知環境、甚至整合 AI 模型，那就太好了，那目前代工廠內人山人海的作業員，未來人山人海的機器人，將指日可待!