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(fā)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(tǒng)高度集成的發(fā)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(huán)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(yè)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(huán)境下自行選定搬動箱子，適用于物流、倉儲、工業(yè)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(yè)化、量產(chǎn)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(yōu)必選發(fā)布第一代Walker機器人，實現(xiàn)了中國雙足機器人行走能力的突破。

2023年8月，宇樹科技發(fā)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(fā)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(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“人形機器人第一股”。

隨著優(yōu)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(yè)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(chǎn)業(yè)迎來發(fā)展熱潮。

根據(jù)人民網(wǎng)研究院發(fā)布的《人形機器人技術專利分析報告》報告數(shù)據(jù)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(qū)，位居全球第一；中國企業(yè)優(yōu)必選在人形機器人有效專利數(shù)量全球第一。

2023年10月，工業(yè)和信息化部印發(fā)《人形機器人創(chuàng)新發(fā)展指導意見》，指出到2025年，人形機器人創(chuàng)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(chǎn)品達到國際先進水平，并實現(xiàn)批量生產(chǎn)，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(fā)展方向和重點任務，為人形機器人產(chǎn)業(yè)的有序發(fā)展提供了明確的路徑，我國人形機器人產(chǎn)業(yè)進入量產(chǎn)前夕。

二、順勢而起，關注行星滾柱絲杠等高價值環(huán)節(jié)

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(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(chǎn)業(yè)的新賽道、經(jīng)濟發(fā)展的新引擎，發(fā)展?jié)摿Υ蟆们熬皬V。GGII認為，隨著人形機器人產(chǎn)業(yè)進入量產(chǎn)前夕，人形機器人高價值、高壁壘核心零部件環(huán)節(jié)將迎來發(fā)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(chǎn)業(yè)突破“肢體”關鍵技術的重要一環(huán)。以特斯拉機器人Optimus為例，Optimus軀干共有28個關節(jié)，旋轉關節(jié)和直線關節(jié)各14個，其中直線關節(jié)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(wǎng)，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(tǒng)液壓傳動裝置固有的“跑、冒、漏、滴”等環(huán)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(yōu)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(yōu)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(jù)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(huán)式行星滾柱絲杠、差動式行星滾柱絲杠、軸承環(huán)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(chǎn)品技術手冊，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)負載和動態(tài)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(xiàn)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(shù)選擇不當?shù)仍?，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?shù)臒崽幚砉に嚂沟闷鋲勖档汀?/p>

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(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(chǎn)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(chǎn)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(jù)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(chǎn)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(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，存在出品不穩(wěn)定現(xiàn)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(chǎn)行星滾柱絲杠處于起步階段，國產(chǎn)替代空間大

1942年，瑞典人Carl Bruno Strandgren首次申請了循環(huán)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(yè)經(jīng)過多年技術積累與先發(fā)優(yōu)勢，占據(jù)市場主導地位，根據(jù)相關數(shù)據(jù)顯示，外資企業(yè)Rollvis、GSA、Ewellix、Rexroth在國內市場份額占比分別26%、26%、14%、12%，而國內企業(yè)合計占比（含南京工藝、博特精工、臺灣優(yōu)仕特）僅19%，國產(chǎn)替代空間大。

目前，盡管國內行星滾柱絲杠已有一定產(chǎn)業(yè)基礎，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人形機器人量產(chǎn)化的先決條件，在此背景下國內企業(yè)不斷入局行星滾柱絲杠領域，推動國產(chǎn)替代，助力人形機器人產(chǎn)業(yè)量產(chǎn)化進程。

國內企業(yè)在行星滾柱絲杠領域的布局情況