人形机器人新技术系列：电感式编码器，机器人关节位置测量核心部件

西部证券研发中心2026年06月22日 分析师|齐天翔S0800524040003邮箱地址：qitianxiang@research.xbmail.com.cn分析师|张磊S0800524070001邮箱地址：zhanglei@research.xbmail.com.cn 核心观点 特斯拉Optims全身编码器数量有望超过50个，价值量可观。拆解特斯拉Optimus二代的结构来看，机器人全身使用的编码器数量多达54个；其中，旋转关节上使用28个（一个电机使用2个编码器）、直线关节上使用14个（一个电机使用2个编码器）、灵巧手上使用12个。假设机器人总成本为5万美金，编码器成本占比3%，测算下来编码器价值量约1500美金，价值量大，而且编码器属于测量关节电机位置的必备传感器，使用确定性高。我们认为，随着Optimus产品不断迭代升级，身体及灵巧手自由度仍有提升空间，需要使用的编码器数量有望继续增加，单机配套价值量随之也会继续提高。 磁编码器为当前主流，电感编码器潜力大。磁编码器在测量精度、尺寸、装配成本、耐油污等方面优势较为明显，是当前机器人产品上应用的主流编码器方案，但其对强磁干扰的适应性较弱，尤其在电机分布较为密集的人形机器人产品中，大量杂散磁场可能导致其信号失真，产生定位误差。而电感式编码器工作在交变磁场中，对直流低频磁场具有较强免疫能力，其在人形机器人产品中有较大潜力。随着电感编码器规格尺寸不断做小，成本持续降低，电感编码器有望替代磁编成为人形机器人应用中主流编码器解决方案。 车用电感编码器应用广泛，技术成熟。电感式编码器已广泛应用于汽车底盘及线控系统、动力总成等部件中，如电动助力转向、电子制动助力器、电子节气门均使用了电感器编码器来测量电机角度位置，其中，电子制动助力器属于汽车最高功能安全等级（ASIL-D）的部件，说明了电感式编码器具备极高的安全性、可靠性及量产一致性。 车用电感编码器具备迁移到人形机器人关节编码器上的可能性。二者在芯片设计与感测原理、电路及磁路设计、结构设计、算法体系等方面均具有较强的技术同源性。我们认为，车用电感编码器厂商在技术上具备切入到人形机器人领域的潜力，而且车规产品的大批量生产制造经验也有望赋能人形机器人零部件产品的研发及制造体系构建。 【投资建议】 随着电感编码器的成本不断降低，同时凭借其在汽车应用中成熟稳定的量产表现，我们认为电感编码器有望成为人形机器人关节位置检测的核心部件，建议重点关注如下相关产业链公司：保隆科技（已覆盖）、云意电气等。 【风险提示】 人形机器人产业发展不及预期、编码器技术迭代风险、电感编码器降本不及预期。 人形机器人结构拆解：以TeslaOptimus为例 根据特斯拉Optimus Gen2的BOM拆解，其全身集成了28个核心执行器（14个旋转+14个直线）以及12个灵巧手电机。每个执行器至少配备1-2个编码器(Encoder)。 经测算，单台OptimusGen2共含有54个编码器。 成本占比：编码器约占总物料成本的约3%，在总额约为5万至6万美元的BoM中，每台机器人的编码器成本约为1500-1800美元。 市场空间测算：根据特斯拉的远期目标，Optimus Gen3定于2026年7-8月启动量产，五年内人形机器人年产量达到100万台。假设按Gen2的编码器数量及价值量测算，100万台机器人对应编码器的年需求量将超过5400万个，市场规模15–18亿美元。 编码器在人形机器人中的作用 编码器指检测旋转角度、线性位移及速度的传感器。通常作为安装在电机上的感应设备，将机械运动转换为电信号，用于监测电机的状态、速度和输出，并将精确反馈信号发送回执行器。 基于编码器的电机控制闭环：控制器(Controller)→驱动器(Driver)→电机(Motor)→编码器(Encoder)→反馈至驱动/控制层级。 特斯拉Optimus中的磁编码器：作为感知部件，紧邻电机转子上的永磁体，与电机、减速器、丝杠和轴承共同构成了人形机器人的执行器。 旋转关节的双编码器：用于肩膀、肘部、腰部、骨盆。每个执行器配备2个编码器，一个监测电机的输入状态，另一个监测经过减速器输出后的位置。配合无框电机和谐波减速器，以确保关节旋转的高精度和稳定性。 直线关节的单编码器：用于手臂、腿部、灵巧手。每个执行器配备1个编码器。直线执行器通过电机驱动行星滚柱丝杠或滚珠丝杠，将旋转运动转化为直线运动，并由该单编码器负责反馈控制。 资料来源：特斯拉ai day 2022、AKM官网、MOSRAC官网、西部证券研发中心 编码器基本原理与分类 编码器基本原理：将物理运动转化为电信号。 物理量变动检测：编码器通过内部的传感器元件检测运动过程中的物理变动量（如光强变化、磁场分布或电阻变化）。信号转换与处理：传感器检测到的物理变动首先被转化为初步的电信号。随后，编码器内部的电路会对这些电信号进行处理。信息输出：最终，编码器将旋转、角度或位移信息以数字或模拟电信号的形式向外部系统（如伺服放大器）发出。 常见编码器类型有： ①电感式编码器： 组成：转子是安装在轴上的感应线圈（励磁线圈）；定子是保持不动的固定线圈（检测线圈）。原理：利用电磁感应原理，读取线圈之间产生的磁场变化。其基本原理与变压器相同。 ②光学编码器： 组成：转子是电动机轴上的码盘，该圆盘在放射方向上开有规律的狭缝；定子是固定的光传感器。原理：当马达旋转时，光传感器检测光线是否透过狭缝。通过计算产生的光脉冲信号数量，即可得知旋转量。 ③磁编码器： 组成：转子是安装在电动机轴上的永磁体；定子是固定的磁传感器（如霍尔传感器）。原理：磁传感器读取磁铁随轴转动时产生的磁场分布变动，从而确定电动机轴的转动位置。 不同类型编码器对比分析 光学编码器(反射/透射式)：绝对精度高，但对油污、磁性粉尘与振动更敏感，环境适应性相对弱；装配与成本、易用性总体一般（反射略差、透射略好）。 磁编码器：当前主流方案，绝对精度中等；耐油污与装配表现突出，但对磁性粉尘、强磁干扰的适应性较弱，抗振动与耐静电处于中等水平；成本与易用性较好。 电感式编码器：综合性能表现突出。绝对精度范围较宽；在耐油污、磁性粉尘、抗振动、抗强磁、耐静电以及装配、成本、易用性等综合指标上整体最均衡、适应性最强。 磁编码器在人形机器人中的核心痛点 核心痛点：极易受磁场干扰。磁编码器依赖磁铁和霍尔/磁阻等敏感元件检测磁场变化。在人形机器人内部，密集的电机磁钢、动力线缆以及电机抱闸磁场会产生大量外部杂散磁场，这些干扰对磁编码器非常敏感，会导致信号失真，产生定位误差。 误差表现：在理想状态下，X轴和Y轴磁场合成的利萨如图形应为正圆形。外部磁场会使利萨如图形的中心发生偏移，导致相位滞后或超前，从而产生角度检测误差。 精度与分辨率受限 物理特性限制：传统磁编码器容易受到磁铁非线性和温度漂移的影响，这限制了其能够达到的最高精度。分辨率不足：在需要极高精度的关节控制中，普通磁编码器的精度水平不足。 环境适应性与长期可靠性问题 磁体退化风险：磁编码器存在磁体退化的物理风险，一旦磁性随时间或环境变化减弱，测量性能将大打折扣。 安装容忍度低：磁编码器对安装精度的要求通常十分严苛，且对偏心和间隙的容忍度较低。 资料来源：弓望传感公众号、AKM官网、西部证券研发中心 抗磁干扰解决方案及其代价 磁编码器减小磁场干扰的解决方案： 物理隔离：使编码器尽可能远离产生磁场的物体以及容易传导磁性的导磁体。材料优化：在电机的旋转轴上固定永磁体时，使用非磁性材料制作治具。磁屏蔽：利用导磁体对编码器周围进行密封处理，可以阻挡外部磁场的侵入，比如利用环形磁铁自屏蔽。 代价主要体现在空间占用、重量增加、系统复杂性以及设计自由度四个方面： ①紧凑空间的极致挑战：人形机器人的内部空间极其有限，尤其是在手指、手腕、踝关节等部位。物理隔离的局限：人形机器人的紧凑关节中，传感器必须紧贴电机安装，强行增加距离会导致关节体积增大，破坏机器人的仿人比例和运动灵活性。屏蔽结构的占用：采用导磁体密封或环形磁铁自屏蔽方案需要额外的结构空间来容纳屏蔽罩或更大尺寸的磁铁。②重量与能效的损失：人形机器人对重量非常敏感，磁屏蔽通常需要使用导磁材料，这直接影响其电池续航和动态响应速度。 ③零部件数量与装配复杂度 零件增多：磁编码器方案必须包含永磁体，且为了减小干扰，还需要额外的非磁性治具和屏蔽壳体。 装配难度：增加这些防护措施会增加零件数量和装配工序。在人形机器人拥有数十个关节的大规模生产中，这会导致组装成本上升，且维护难度加大。④磁场设计的鲁棒性与精度博弈：在电机旋转轴上使用非磁性材料，限制了工程师在选择机械材料时的自由度，必须在结构强度和无磁特性之间做取舍。 资料来源：弓望传感公众号、AKM官网、西部证券研发中心 电感式编码器的基本原理 定义：电感式编码器是一种利用电磁感应原理进行位置信号测量的非接触式传感器。 核心结构：由呈扁平环状的定子和转子组成。 定子：包含激励线圈、接收线圈、解码电路和通讯电路。 转子：PCB板或低导磁率金属，随机械部件移动，无需供电。 工作原理 ①高频激励产生：定子中的激励线圈通入特定频率的交流电流，在空间内激发出一个高频交变电磁场。②电磁耦合与调制：该磁场耦合到转子上。当转子旋转时，由于电涡流效应，会产生包含位置信息的电磁信号并反馈至定子。③信号感应：定子上的差分接收线圈感应到转子带来的磁场变化。随着转子位置的改变，接收线圈产生的感应信号幅值或相位会随之发生周期性改变。④解算与输出：解码电路通过对感应到的模拟信号进行放大、采样、解算及补正，将其转化为高精度的单圈绝对值角度信息，并通过通讯协议（如RS485、BiSS-C、SSI等）输出给上位机。 电感式编码器的优势 结构 超薄轻量化：电感式编码器采用两片式结构，厚度可压缩至几毫米，直径最小仅数毫米，极易嵌入紧凑的机器人仿人结构中。 大中空结构：其大口径通孔设计允许贯通轴、线缆、管道或光纤从中穿过，这对于需要复杂布线的人形机器人内部关节至关重要。 性能 微米级精度：它能够实现高达±5角秒的重复定位精度，对于机器人的关节姿态平衡和精细动作控制（如捏取细小物体）起到决定性作用。 实时捕捉：其响应延迟可达微秒级，通信频率高达上万赫兹，能够实时反馈关节的快速运动状态，支持高动态的平衡控制。 适应性 抗污染能力强：不同于光编码器，电感式传感器对灰尘、油污、水分和冷凝完全不敏感，无需密封在洁净壳体内。 抗强磁干扰能力强：机器人内含大量动力线缆、抱闸和高密度电机，产生复杂的杂散磁场。电感式工作在高频交变场，对这些直流或低频磁场具有极强的免疫力。使用寿命长：非接触式设计避免了机械磨损，且无光电老化的风险，大大降低了机器人的后期维护需求。 能效与热管理 能效优势：功耗极低，有助于延长人形机器人的电池续航时间。 散热优化：工作中基本不产生热量，避免了在散热空间有限的密闭关节内造成热量堆积，保护了电子元器件的稳定性，这对散热空间有限的仿人结构尤为重要。 电感式编码器在机器人中的应用场景 关节位置检测：在肩、肘、腕、膝、踝等核心关节，提供绝对角度反馈，确保运动轨迹的精准合规。灵巧手控制：微型电感传感器可集成在手指关节中，配合AI算法检测抓握力度，实现自适应抓握和精细操作。平衡控制：在机器人躯干或脚部检测与地面的距离和倾斜角度，为步态平衡提供关键位置参数。高速电机感知：支持极高的电转速，为机器人提供超低延迟（微秒级）的位置反馈，确保电机高效运行并精确管理扭矩。手术机器人：为精密的手术机械臂提供高精度的旋转位置反馈，确保手术器械微米级的精确定位。云台与天线指向：用于机器人的视觉云台、方位角/仰角调节机构以及天线指向设备，实现快速且稳定的目标锁定。恶劣工