人形機(jī)器人核心技術(shù)之行星滾柱絲杠應(yīng)用

一、人形機(jī)器人風(fēng)起

1927年，美國(guó)西屋公司制造了世界上第一臺(tái)人形機(jī)器人“Televox”。1972年早稻田大學(xué)開發(fā)全球全尺寸人形機(jī)器人WABOT-1，其具備雙腿步行和日語對(duì)話的能力。

2000年本田公司推出人形機(jī)器人ASIMO，其代表了人形機(jī)器人系統(tǒng)高度集成的發(fā)展階段，具備高度精細(xì)的仿人動(dòng)作和人工智能。2016年，波士頓動(dòng)力公司推出人形機(jī)器人Atlas，具有極強(qiáng)的平衡性和越障能力，能夠承擔(dān)危險(xiǎn)環(huán)境搜救任務(wù)。

2020年，美國(guó)敏捷機(jī)器人公司成功推出第一款商業(yè)化出售的雙足機(jī)器人Digit，售價(jià)25萬美元，其能夠在無人干涉的環(huán)境下自行選定搬動(dòng)箱子，適用于物流、倉(cāng)儲(chǔ)、工業(yè)等多種應(yīng)用場(chǎng)景。2022年，特斯拉人形機(jī)器人在AI Day亮相，再度掀起了人形機(jī)器人如何走向商業(yè)化、量產(chǎn)化的浪潮。

相比之下我國(guó)人形機(jī)器人起步較晚。2000年國(guó)防科技大學(xué)獨(dú)立研制中國(guó)第一臺(tái)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(jī)器人“先行者”。2018年，優(yōu)必選發(fā)布第一代Walker機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了中國(guó)雙足機(jī)器人行走能力的突破。

2023年8月，宇樹科技發(fā)布國(guó)內(nèi)第一臺(tái)能跑的全尺寸通用人形機(jī)器人H1，并預(yù)計(jì)于今年第四季度左右開始發(fā)貨。2023年11月，與總書記同框的傅利葉人形機(jī)器人GR-1從芯片到零部件國(guó)產(chǎn)化率超90%，目前已經(jīng)在做小批量量產(chǎn)。2023年12月1日，深圳市優(yōu)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(jī)器人第一股”。

隨著優(yōu)必選、傅利葉智能、達(dá)闥機(jī)器人、宇樹科技、小鵬、科大訊飛、智元機(jī)器人、追覓科技等公司，以及北京理工大學(xué)、浙江大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海理工大學(xué)機(jī)器智能研究院等科研院所的不斷鉆研，我國(guó)人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)迎來發(fā)展熱潮。

根據(jù)人民網(wǎng)研究院發(fā)布的《人形機(jī)器人技術(shù)專利分析報(bào)告》報(bào)告數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)已累計(jì)申請(qǐng)6618件人形機(jī)器人技術(shù)專利領(lǐng)先歐美日韓等國(guó)家及地區(qū)，位居全球第一；中國(guó)企業(yè)優(yōu)必選在人形機(jī)器人有效專利數(shù)量全球第一。

2023年10月，工業(yè)和信息化部印發(fā)《人形機(jī)器人創(chuàng)新發(fā)展指導(dǎo)意見》，指出到2025年，人形機(jī)器人創(chuàng)新體系初步建立，“大腦、小腦、肢體”等一批關(guān)鍵技術(shù)取得突破，確保核心部組件安全有效供給。整機(jī)產(chǎn)品達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，并實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，在特種、制造、民生服務(wù)等場(chǎng)景得到示范應(yīng)用，探索形成有效的治理機(jī)制和手段。

《意見》明確了未來發(fā)展方向和重點(diǎn)任務(wù)，為人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的有序發(fā)展提供了明確的路徑，我國(guó)人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)進(jìn)入量產(chǎn)前夕。

二、順勢(shì)而起，關(guān)注行星滾柱絲杠等高價(jià)值環(huán)節(jié)

人形機(jī)器人集成人工智能、高端制造、新材料等先進(jìn)技術(shù)，有望成為繼計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)、新能源汽車后的顛覆性產(chǎn)品，將深刻變革人類生產(chǎn)生活方式，重塑全球產(chǎn)業(yè)發(fā)展格局。

當(dāng)前，人形機(jī)器人技術(shù)加速演進(jìn)，已成為科技競(jìng)爭(zhēng)的新高地、未來產(chǎn)業(yè)的新賽道、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新引擎，發(fā)展?jié)摿Υ蟆?yīng)用前景廣。GGII認(rèn)為，隨著人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)進(jìn)入量產(chǎn)前夕，人形機(jī)器人高價(jià)值、高壁壘核心零部件環(huán)節(jié)將迎來發(fā)展機(jī)遇期。

行星滾柱絲杠是人形機(jī)器人“肢體”的核心組成部分，是我國(guó)人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)突破“肢體”關(guān)鍵技術(shù)的重要一環(huán)。以特斯拉機(jī)器人Optimus為例，Optimus軀干共有28個(gè)關(guān)節(jié)，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和直線關(guān)節(jié)各14個(gè)，其中直線關(guān)節(jié)或采用了大、中、小三種共計(jì)14個(gè)反向式行星滾柱絲杠，行星滾柱絲杠價(jià)值量占比13.8%。

人形機(jī)器人行星滾柱絲杠應(yīng)用示意圖

資料來源：新劍傳動(dòng)官網(wǎng)，GGII整理

三、什么是行星滾柱絲杠？

行星滾柱絲杠是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)單元為絲杠及螺母之間的滾柱，其由行星架、內(nèi)齒圈、螺母、滾柱、絲杠等組成，克服了傳統(tǒng)液壓傳動(dòng)裝置固有的“跑、冒、漏、滴”等環(huán)境適應(yīng)性差、可靠性低、使用維護(hù)性差等缺點(diǎn)，且綜合了行星齒輪傳動(dòng)、諧波齒輪傳動(dòng)、滾珠絲杠、滾針軸承等機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。

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(dòng)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(yōu)點(diǎn)。

行星滾柱絲杠內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

標(biāo)準(zhǔn)式行星滾柱絲杠運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

資料來源：《行星滾柱絲杠運(yùn)動(dòng)原理及有限元分析》，GGII整理

行星滾柱絲杠根據(jù)其結(jié)構(gòu)組成及運(yùn)動(dòng)關(guān)系的不同可分為標(biāo)準(zhǔn)式行星滾柱絲杠、反向式行星滾柱絲杠、循環(huán)式行星滾柱絲杠、差動(dòng)式行星滾柱絲杠、軸承環(huán)式行星滾柱絲杠。各自特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)景如下所示：

行星滾柱絲杠的種類

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資料來源：《行星滾柱絲杠傳動(dòng)精度分析與設(shè)計(jì)》、新劍傳動(dòng)產(chǎn)品技術(shù)手冊(cè)，GGII整理

行星滾柱絲杠與滾珠絲杠的主要區(qū)別是行星滾柱絲杠負(fù)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(tài)負(fù)載和動(dòng)態(tài)負(fù)載，靜載為滾珠絲杠的3倍，壽命為滾珠絲杠的15倍。同時(shí)，具有更強(qiáng)的剛度和抗沖擊能力，可以提供更高的轉(zhuǎn)速及更大的加速度。

此外，行星滾柱絲杠為螺紋傳動(dòng)，螺距設(shè)計(jì)范圍更廣，行星滾柱絲杠的導(dǎo)程可以比滾珠絲杠更小。

行星滾柱絲杠與滾珠絲杠對(duì)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(shù)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(shí)現(xiàn)精密傳動(dòng)，因此滾道表面粗糙度宜采用較高精度等級(jí)。同時(shí)，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(yīng)采用較高加工精度等級(jí)。

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(yīng)力。熱處理工藝可分為兩大類：預(yù)備熱處理和最終熱處理。預(yù)備熱處理的作用是改善絲杠切削性能、消除殘余應(yīng)力以及為最終熱處理做準(zhǔn)備，主要工藝包括調(diào)質(zhì)、退火、正火、時(shí)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(shù)設(shè)備落后、熱處理工藝參數(shù)選擇不當(dāng)?shù)仍颍瑢?dǎo)致熱處理質(zhì)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(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚂?huì)使得其壽命降低。

行星滾柱絲杠不同部位熱處理方法

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資料來源：《精密行星滾柱絲杠副工藝制造與傳動(dòng)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(duì)減小誤差十分關(guān)鍵。其中制造環(huán)節(jié)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(duì)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

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資料來源：《精密行星滾柱絲杠副工藝制造與傳動(dòng)性能研究》，GGII整理

螺紋滾柱是傳動(dòng)的關(guān)鍵部分，成形加工工藝和產(chǎn)品質(zhì)量直接決定行星滾柱絲杠。當(dāng)行星滾柱絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作時(shí)，多個(gè)螺紋滾柱共同承受載荷，避免任何一個(gè)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(dòng)機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部分，其成形加工工藝和產(chǎn)品質(zhì)量直接決定行星滾柱絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的裝配質(zhì)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(dāng)前，磨削是高精度絲杠螺紋的主要加工方法，磨削的實(shí)質(zhì)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(zhuǎn)的成型砂輪對(duì)加工工件表面進(jìn)行高速切削，進(jìn)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(dá)到P1級(jí)。

注：根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 17587.3—2017 滾珠絲杠副 第3部分：驗(yàn)收條件和驗(yàn)收檢驗(yàn)》，滾珠絲杠分為1、2、3、4、5、7、10共7個(gè)精度等級(jí)，其中1級(jí)（P1）為最高等級(jí)。

4、加工設(shè)備

滾柱絲杠生產(chǎn)過程中，螺紋磨床是提升絲杠精度的關(guān)鍵設(shè)備，主要包括內(nèi)螺紋磨床與外螺紋磨床（或車磨一體），且多從日本、歐洲、美國(guó)等國(guó)家采購(gòu)，交付周期長(zhǎng)，設(shè)備到場(chǎng)后仍需要調(diào)試周期。目前國(guó)產(chǎn)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(shí)，存在出品不穩(wěn)定現(xiàn)象。

注：C精度等級(jí)為日本JIS精度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，分為C0、C1、C3、C5、C7、C106種精度，C3任意300行程內(nèi)變動(dòng)量相當(dāng)于國(guó)內(nèi)P2精度等級(jí)，C2相當(dāng)于國(guó)內(nèi)P1標(biāo)準(zhǔn)。

內(nèi)螺紋磨床與外螺紋磨床對(duì)比情況

資料來源：東吳證券，公開資料整理

五、國(guó)產(chǎn)行星滾柱絲杠處于起步階段，國(guó)產(chǎn)替代空間大

1942年，瑞典人Carl Bruno Strandgren首次申請(qǐng)了循環(huán)式行星滾柱絲杠專利，1954年申請(qǐng)了標(biāo)準(zhǔn)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(shí)研制行星滾柱絲杠。國(guó)外行星滾柱絲杠企業(yè)經(jīng)過多年技術(shù)積累與先發(fā)優(yōu)勢(shì)，占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)地位，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，外資企業(yè)Rollvis、GSA、Ewellix、Rexroth在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)份額占比分別26%、26%、14%、12%，而國(guó)內(nèi)企業(yè)合計(jì)占比（含南京工藝、博特精工、臺(tái)灣優(yōu)仕特）僅19%，國(guó)產(chǎn)替代空間大。

目前，盡管國(guó)內(nèi)行星滾柱絲杠已有一定產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，南京工藝、博特精工等廠商已能夠小規(guī)模生產(chǎn)行星滾柱絲杠，但是性能與國(guó)外的產(chǎn)品差距很大，主要體現(xiàn)在效率、承載能力和精度上。核心零部件的攻克是我國(guó)人形機(jī)器人量產(chǎn)化的先決條件，在此背景下國(guó)內(nèi)企業(yè)不斷入局行星滾柱絲杠領(lǐng)域，推動(dòng)國(guó)產(chǎn)替代，助力人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)量產(chǎn)化進(jìn)程。

國(guó)內(nèi)企業(yè)在行星滾柱絲杠領(lǐng)域的布局情況

數(shù)據(jù)來源：公開資料，GGII整理

六、人形機(jī)器人領(lǐng)域行星滾柱絲杠市場(chǎng)空間廣闊

行星滾柱絲杠下游應(yīng)用場(chǎng)景廣泛，主要包含汽車及新能源、石油天然氣、醫(yī)療器械、光學(xué)儀器、工程機(jī)械、機(jī)器人、自動(dòng)化和機(jī)床設(shè)備，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2023年全球滾柱絲杠規(guī)模約21.5億元。

在人形機(jī)器人領(lǐng)域，行星滾柱絲杠主要用于直線關(guān)節(jié)部位，具有高承載、快響應(yīng)、體積小、噪音低、高精度等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)GGII測(cè)算，到2030年全球人形機(jī)器人領(lǐng)域行星滾柱絲杠市場(chǎng)需求量將近1800萬臺(tái)，市場(chǎng)規(guī)模將近130億元。

人形機(jī)器人領(lǐng)域行星滾柱絲杠市場(chǎng)規(guī)模測(cè)算

審核編輯：黃飛