人形機器人核心技術之行星滾柱絲杠應用

一、人形機器人風起

1927年，美國西屋公司制造了世界上第一臺人形機器人“Televox”。1972年早稻田大學開發全球全尺寸人形機器人WABOT-1，其具備雙腿步行和日語對話的能力。

2000年本田公司推出人形機器人ASIMO，其代表了人形機器人系統高度集成的發展階段，具備高度精細的仿人動作和人工智能。2016年，波士頓動力公司推出人形機器人Atlas，具有極強的平衡性和越障能力，能夠承擔危險環境搜救任務。

2020年，美國敏捷機器人公司成功推出第一款商業化出售的雙足機器人Digit，售價25萬美元，其能夠在無人干涉的環境下自行選定搬動箱子，適用于物流、倉儲、工業等多種應用場景。2022年，特斯拉人形機器人在AI Day亮相，再度掀起了人形機器人如何走向商業化、量產化的浪潮。

相比之下我國人形機器人起步較晚。2000年國防科技大學獨立研制中國第一臺具有人類外觀特征、可以模擬人類行走與基本操作功能的類人型機器人“先行者”。2018年，優必選發布第一代Walker機器人，實現了中國雙足機器人行走能力的突破。

2023年8月，宇樹科技發布國內第一臺能跑的全尺寸通用人形機器人H1，并預計于今年第四季度左右開始發貨。2023年11月，與總書記同框的傅利葉人形機器人GR-1從芯片到零部件國產化率超90%，目前已經在做小批量量產。2023年12月1日，深圳市優必選股份有限公司通過上市聆訊，即將在港交所主板上市，成為“人形機器人第一股”。

隨著優必選、傅利葉智能、達闥機器人、宇樹科技、小鵬、科大訊飛、智元機器人、追覓科技等公司，以及北京理工大學、浙江大學、國防科技大學、哈爾濱工業大學、上海理工大學機器智能研究院等科研院所的不斷鉆研，我國人形機器人產業迎來發展熱潮。

根據人民網研究院發布的《人形機器人技術專利分析報告》報告數據顯示，中國已累計申請6618件人形機器人技術專利領先歐美日韓等國家及地區，位居全球第一；中國企業優必選在人形機器人有效專利數量全球第一。

2023年10月，工業和信息化部印發《人形機器人創新發展指導意見》，指出到2025年，人形機器人創新體系初步建立，“大腦、小腦、肢體”等一批關鍵技術取得突破，確保核心部組件安全有效供給。整機產品達到國際先進水平，并實現批量生產，在特種、制造、民生服務等場景得到示范應用，探索形成有效的治理機制和手段。

《意見》明確了未來發展方向和重點任務，為人形機器人產業的有序發展提供了明確的路徑，我國人形機器人產業進入量產前夕。

二、順勢而起，關注行星滾柱絲杠等高價值環節

人形機器人集成人工智能、高端制造、新材料等先進技術，有望成為繼計算機、智能手機、新能源汽車后的顛覆性產品，將深刻變革人類生產生活方式，重塑全球產業發展格局。

當前，人形機器人技術加速演進，已成為科技競爭的新高地、未來產業的新賽道、經濟發展的新引擎，發展潛力大、應用前景廣。GGII認為，隨著人形機器人產業進入量產前夕，人形機器人高價值、高壁壘核心零部件環節將迎來發展機遇期。

行星滾柱絲杠是人形機器人“肢體”的核心組成部分，是我國人形機器人產業突破“肢體”關鍵技術的重要一環。以特斯拉機器人Optimus為例，Optimus軀干共有28個關節，旋轉關節和直線關節各14個，其中直線關節或采用了大、中、小三種共計14個反向式行星滾柱絲杠，行星滾柱絲杠價值量占比13.8%。

人形機器人行星滾柱絲杠應用示意圖

資料來源：新劍傳動官網，GGII整理

三、什么是行星滾柱絲杠？

行星滾柱絲杠是將旋轉運動轉化為直線運動，傳動單元為絲杠及螺母之間的滾柱，其由行星架、內齒圈、螺母、滾柱、絲杠等組成，克服了傳統液壓傳動裝置固有的“跑、冒、漏、滴”等環境適應性差、可靠性低、使用維護性差等缺點，且綜合了行星齒輪傳動、諧波齒輪傳動、滾珠絲杠、滾針軸承等機構的優點。

通過在主絲杠周圍布置若干行星螺紋滾柱，大幅增加絲杠傳動過程的接觸面和受力面，從而具備了“高承載、高效率、高精度、高可靠性”等優點。

行星滾柱絲杠內部結構示意圖

標準式行星滾柱絲杠運動簡圖

資料來源：《行星滾柱絲杠運動原理及有限元分析》，GGII整理

行星滾柱絲杠根據其結構組成及運動關系的不同可分為標準式行星滾柱絲杠、反向式行星滾柱絲杠、循環式行星滾柱絲杠、差動式行星滾柱絲杠、軸承環式行星滾柱絲杠。各自特點及應用場景如下所示：

行星滾柱絲杠的種類

資料來源：《行星滾柱絲杠傳動精度分析與設計》、新劍傳動產品技術手冊，GGII整理

行星滾柱絲杠與滾珠絲杠的主要區別是行星滾柱絲杠負載的傳遞單元使用螺紋滾柱而不是滾珠，能夠承受更高的靜態負載和動態負載，靜載為滾珠絲杠的3倍，壽命為滾珠絲杠的15倍。同時，具有更強的剛度和抗沖擊能力，可以提供更高的轉速及更大的加速度。

此外，行星滾柱絲杠為螺紋傳動，螺距設計范圍更廣，行星滾柱絲杠的導程可以比滾珠絲杠更小。

行星滾柱絲杠與滾珠絲杠對比情況

資料來源：《行星滾柱絲杠副滾柱塑性成形的探討》，GGII整理

四、行星滾柱絲杠技術壁壘在哪？

1、絲杠精度

行星滾柱絲杠副是通過螺紋嚙合來實現精密傳動，因此滾道表面粗糙度宜采用較高精度等級。同時，行星齒輪的齒形較小，為了保證行星滾柱絲杠副的裝配精度，齒輪副也應采用較高加工精度等級。

2、表面熱處理

熱處理的作用是改善行星滾柱絲杠副各零件的材料性能、切削性能以及消除殘余應力。熱處理工藝可分為兩大類：預備熱處理和最終熱處理。預備熱處理的作用是改善絲杠切削性能、消除殘余應力以及為最終熱處理做準備，主要工藝包括調質、退火、正火、時效處理等；最終熱處理的作用是提高螺紋的表面硬度以及耐磨性。

由于技術設備落后、熱處理工藝參數選擇不當等原因，導致熱處理質量較差、熱處理后變形較大，行星滾柱絲杠副的主要損壞形式是接觸疲勞磨損，不當的熱處理工藝會使得其壽命降低。

行星滾柱絲杠不同部位熱處理方法

資料來源：《精密行星滾柱絲杠副工藝制造與傳動性能研究》，GGII整理

3、加工制造

行星滾柱絲杠主要有形變誤差、制造誤差、安裝誤差等，制造工藝對減小誤差十分關鍵。其中制造環節包括螺紋螺距、螺紋牙型、齒輪齒距、齒輪齒廓、制造偏心等誤差，對制造提出了非常高的精度要求。行星滾柱絲杠加工工序如下所示：

行星滾柱絲杠加工工序

資料來源：《精密行星滾柱絲杠副工藝制造與傳動性能研究》，GGII整理

螺紋滾柱是傳動的關鍵部分，成形加工工藝和產品質量直接決定行星滾柱絲杠。當行星滾柱絲杠傳動機構工作時，多個螺紋滾柱共同承受載荷，避免任何一個螺紋滾柱因承載過大而造成損傷失效。螺紋滾柱作為行星滾柱絲杠傳動機構的關鍵部分，其成形加工工藝和產品質量直接決定行星滾柱絲杠傳動機構的裝配質量和性能。目前行星滾柱絲杠螺紋包括有軋制（滾軋）、磨制（磨削）等加工方式。

當前，磨削是高精度絲杠螺紋的主要加工方法，磨削的實質是砂輪的表面很多磨粒劃擦、刻劃和切削工件表面，使用螺紋磨床高速旋轉的成型砂輪對加工工件表面進行高速切削，進而獲得更高的精度，以滾珠絲杠為例，使用磨削加工最高可達到P1級。

注：根據國家標準《GB/T 17587.3—2017 滾珠絲杠副第3部分：驗收條件和驗收檢驗》，滾珠絲杠分為1、2、3、4、5、7、10共7個精度等級，其中1級（P1）為最高等級。

4、加工設備

滾柱絲杠生產過程中，螺紋磨床是提升絲杠精度的關鍵設備，主要包括內螺紋磨床與外螺紋磨床（或車磨一體），且多從日本、歐洲、美國等國家采購，交付周期長，設備到場后仍需要調試周期。目前國產磨床可以滿足C3-C4精度的中端絲杠加工，但批量加工高端絲杠（C0-C2）時，存在出品不穩定現象。

注：C精度等級為日本JIS精度等級標準，分為C0、C1、C3、C5、C7、C106種精度，C3任意300行程內變動量相當于國內P2精度等級，C2相當于國內P1標準。

內螺紋磨床與外螺紋磨床對比情況

資料來源：東吳證券，公開資料整理

五、國產行星滾柱絲杠處于起步階段，國產替代空間大

1942年，瑞典人Carl Bruno Strandgren首次申請了循環式行星滾柱絲杠專利，1954年申請了標準式和反向式行星滾柱絲杠專利。1970年，瑞士的Rollvis公司開始研制行星滾柱絲杠，瑞典的SKF也同時研制行星滾柱絲杠。國外行星滾柱絲杠企業經過多年技術積累與先發優勢，占據市場主導地位，根據相關數據顯示，外資企業Rollvis、GSA、Ewellix、Rexroth在國內市場份額占比分別26%、26%、14%、12%，而國內企業合計占比（含南京工藝、博特精工、臺灣優仕特）僅19%，國產替代空間大。

目前，盡管國內行星滾柱絲杠已有一定產業基礎，南京工藝、博特精工等廠商已能夠小規模生產行星滾柱絲杠，但是性能與國外的產品差距很大，主要體現在效率、承載能力和精度上。核心零部件的攻克是我國人形機器人量產化的先決條件，在此背景下國內企業不斷入局行星滾柱絲杠領域，推動國產替代，助力人形機器人產業量產化進程。

國內企業在行星滾柱絲杠領域的布局情況