人形機器人運動控制核心：行星滾柱絲槓

本文旨在通過對絲槓的研究，探討其技術特點、市場現狀以及未來展望。

本文7819字，約11.2分鍾

作者 | 融中研究

來源 | 水母研究

隨着科技的飛速發展以及人工智能領域的持續壯大，人形機器人憑藉其在醫療、服務等多個領域的廣泛應用，逐漸成為工業界的最新亮點。爲了進一步促進該行業的發展，各地政府紛紛出臺政策，加大對人形機器人及其關鍵零部件的支持力度。在人形機器人中，行星滾柱絲槓是其重要精密傳動零部件，如特斯拉Optimus人形機器人直線關節總共選用 14 個行星滾柱絲槓。本文旨在通過對絲槓的研究，探討其技術特點、市場現狀以及未來展望。

圖：每台特斯拉Optimus包含14個絲槓

絲槓及其技術原理

1、絲槓的工作原理及分類

絲槓是將旋轉運動轉化為直線運動、或將直線運動轉化為旋轉運動的理想的產品，是工具機械和精密機械上最常用的傳動元件。絲槓的主要結構由絲桿與螺母構成，其主要功能為將旋轉運動轉化成線性運動，或將扭矩轉換成軸向反覆作用力。

絲槓的工作原理：當螺桿作為主動旋轉體時，螺母就會隨螺桿的轉動角度按照對應規格的導程將螺桿的旋轉運動轉化成直線運動，參與做功的工件可以通過與螺母連接，從而實現對應的直運動。螺桿的旋轉角度與螺母的直線移動量成正比，比例關係由螺桿的導程(螺紋的螺距)決定。反之，如果螺母作為主動件移動，也可以使螺桿旋轉，這樣直線運動就被轉換成了旋轉運動。

圖：絲槓的分類及工作原理

絲槓的分類：按其摩擦特性，絲槓可分為三類：滑動絲槓、滾動絲槓及靜壓絲槓。

1）滑動絲槓是最普通的絲槓機械，牙型多為梯形，又稱梯形螺紋絲槓。它沒有滾動體，靠滑動摩擦傳遞推力，結構簡單，製造方便，具有自鎖性，在機牀上應用廣泛。它連續工作發熱嚴重，傳動效率較低（30-50%）。   

2）按照滾動體的不同，滾動絲槓可進一步劃分爲滾珠絲槓和行星滾柱絲槓兩類。目前特斯拉人形機器人主要使用的是行星滾柱絲槓，因此本文將重點介紹滾動絲槓。

3）靜壓絲槓需要增加一套供油/氣系統，通過在螺母和螺桿之間形成一層流體膜來實現無接觸或近乎無接觸的運動，大幅減少了摩擦和磨損，可以達到極高的定位精度，但其工藝複雜，加工非常困難，成本較高，應用較少。

表：不同絲槓類型對比

2、行星滾柱絲槓介紹  

行星滾柱絲槓憑藉其在效率、體積等方面獨特的優勢，成為人形機器人中的重要零部件，本文也將重點介紹行星滾柱絲槓。行星滾柱絲槓最早起源於1942年，一名瑞典的發明家Carl Bruno Strandgren（卡爾·布朗·斯特蘭德格倫） 申請了第一個循環式滾柱絲槓的專利。但是由於結構複雜、加工難度大和成本較高的原因，最初的階段並未得到廣泛的應用。從70年代起，隨着武器裝備技術發展以及石油、化工、數控機牀等對大推力、高精度、高效率、長壽命的需求提升，行星滾柱絲槓開始快速發展。    

行星滾柱絲槓的結構與工作原理：行星滾柱絲槓依託絲桿和滾柱的旋轉帶動螺母做直線運動。行星滾柱絲槓的結構與滾珠絲槓較為類似，包括絲槓、行星滾柱、保持架、內齒輪和螺母等，其中滾動元件為行星滾柱而非滾珠絲槓中的滾珠。滾柱通過保持架均勻的分佈在絲槓、螺母之間，爲了防止滾柱相對於螺母發生軸向竄動的現象，保持架與螺母之間軸向方向相對固定，另外滾柱兩邊加工有直齒輪，目的是爲了避免滾柱相對於螺母的滑動而產生零件偏斜現象。當絲槓旋轉時，滾柱通過與絲槓之間的螺紋齧合一方面會沿着絲槓軸線方向作直線運動，另一方面會在絲槓、螺母之間作行星運動，而螺母則通過保持架使其與滾柱之間無相對軸向位移，因此螺母與滾柱保持着相同的軸向移動速度。

行星滾柱絲槓通過齧合滾柱產生線接觸滾動摩擦，大幅增加絲槓傳動過程的接觸面和受力面，與以往用於精密傳動的滾珠絲槓相比，在傳動效率損失不大的前提下，又同時具備了高轉速、高載荷、高剛度、高範圍導程以及更小體積、更低噪音、更方便維護拆卸等特點。

圖：行星滾柱絲槓結構圖    

圖：行星滾柱絲槓工作原理圖示

相較滾珠絲槓，滾柱絲槓的具備承載能力強、體積小、壽命長等優點。

承載能力強：承載能力主要取決於滾動體之間接觸面的曲率半徑，接觸點數目以及接觸面硬度與光潔度。在相同接觸表面硬度、光潔度與精度的條件下，滾柱絲槓比滾珠絲槓具有更多的接觸點，滾柱接觸面的包絡圓曲率半徑亦遠大於滾珠絲槓鋼球的曲率半徑，這就決定了滾柱絲槓比普通的滾珠絲槓具有更高的承載能力。通常情況上，行星滾柱絲槓副軸向剛度比滾珠絲槓副大約50%。   

體積小：在提供相同負載的情況下，行星滾柱絲槓的體積更小，有助於減少機械設備的總體尺寸，使得設計更為緊湊。相同高載荷情況下，行星滾柱絲槓體積比滾珠絲槓小1/3的空間。

長壽命：根據赫茲壓力定律，行星滾柱絲槓的壽命可達到滾珠絲槓的15倍，這意味着在相同工況下，行星滾柱絲槓的維護周期更長，可靠性更高。

行星滾柱絲槓的具體分類：根據其結構組成及運動關係的不同，可以分為5種類型，包括標準式行星滾柱絲槓、反向式行星滾柱絲槓、循環式行星滾柱絲槓、差動式行星滾柱絲槓、軸承環式行星滾柱絲槓，它們以各自獨特的結構特點及其優勢適用於不同的場合。特斯拉Optimus人形機器人中所使用的正是反向式行星滾柱絲槓。

表：行星滾柱絲槓的分類與結構特點

3、行星滾柱絲槓壁壘分析  

行星滾柱絲槓副的技術壁壘主要體現在結構設計、工件材料、表面熱處理、加工工藝等方面。

（1）結構設計：行星滾柱絲槓的滾柱部分由螺紋和端部齒輪兩部分組成，在運行過程中同時存在螺紋齧合和齒輪齧合，因此二者參數匹配設計與建模比較複雜。此外，螺紋牙型參數對行星滾柱絲槓載荷分佈有很大的影響，並且牙型參數需滿足螺紋牙強度準則以防止螺紋牙根位置發生斷裂；需滿足螺紋牙接觸屈服準則以保證螺紋牙的接觸處於彈性階段，不會發生不可恢復的塑性變形，以提高行星滾柱絲槓疲勞壽命。因此需注意行星滾柱絲槓螺紋牙型的設計。

圖：不同螺紋牙型

（2）工件材料：行星滾柱絲槓副在工作時，絲槓、滾柱及螺母的螺紋滾道會受到連續性、周期性和頻繁的振動、衝擊及摩擦，導致絲槓副的温度升高，且隨着轉速和承載的提高，温升會顯著增大，最終導致滾道磨損、蠕變松弛、熱變形、疲勞、屈服等。因此，應選擇硬度高、耐磨性強、抗疲勞性強、承載力高、温度適應性較好、切削性能及經濟性較好的材料。

國外行星滾柱絲槓的材料以合金結構鋼為主。根據Ewellix官網，其標準絲槓軸主要由經過預處理的50CrMo4(或42CrMo4)製成，通過感應進行表面硬化；螺母和滾柱採用進行了全面硬化的100Cr6軸承鋼。合金結構鋼具有優良的淬透性和強度，調質后有較高的疲勞極限和抗多次衝擊能力，低温衝擊韌性良好。

國內行星滾柱絲槓的材料主要選用馬氏體不鏽鋼和奧氏體不鏽鋼。馬氏體不鏽鋼的淬性較好，可通過淬火、回火等熱處理工藝進行強化，從而獲得較高的硬度、強度以及耐磨性，但是在韌性和耐蝕性方面普遍有短板。奧氏體不鏽鋼具有較好的塑性、良好的耐腐蝕性能、抗氧化性能和優良的焊接性能，但強度相較其他鋼材較差。   

（3）表面熱處理：分為預備熱處理和最終熱處理兩大類。預備熱處理可以改善絲槓切削性能、消除殘余應力；最終熱處理可以提高螺紋的表面硬度及耐磨性。由於技術設備落后、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，行星滾柱絲槓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。

表：行星滾柱絲槓不同部位熱處理方法

（4）磨削工藝：行星滾柱絲槓依靠零件間的螺紋齧合實現傳動功能，螺紋的加工精度將直接影響系統的傳動精度、使用壽命、與平穩性，故優化螺紋的加工技術是提升行星滾柱絲槓整體性能的關鍵。目前，常用的絲槓螺紋加工方法有：滾壓、硬車削、旋風銑削和磨削，其中磨削加工精度最高，而冷軋、硬車削和旋風銑削多用於粗加工，因此，磨削是高精度絲槓螺紋的主要加工方法。

行星滾柱絲槓產業鏈

1、產業鏈概況分析  

行星滾柱絲槓產業鏈由三大環節組成：上游原材料與零部件供應、中游行星滾柱絲槓的專業製造，以及下游多元化的應用領域。   

在上游環節，產業鏈聚焦於高質量原材料的供應與關鍵零部件的精密製造。絲槓多采用合金結構鋼，而螺母與滾柱則優選高碳鉻軸承鋼。螺母等核心零部件的加工工藝則需要高度專業化的技術與設備支持。

產業鏈中游是行星滾柱絲槓產業鏈的核心，通過先進的生產技術和嚴格的質量控制體系，將上游的原材料與零部件轉化為高精度、高性能的行星滾柱絲槓產品，為下游應用提供了關鍵的動力傳輸與定位解決方案。

下游應用領域廣泛，從傳統的汽車製造、石油天然氣開採，到前沿的醫療器械、光學儀器，再到蓬勃發展的工程機械、機器人、自動化生產線及高端機牀設備，行星滾柱絲槓憑藉其優秀的傳動性能與穩定性，成爲了眾多行業不可或缺的關鍵部件。

圖：行星滾柱絲槓產業鏈圖譜

表：行星滾柱絲槓在典型行業應用

2、行星滾柱絲槓在人形機器人中的運用  

行星滾柱絲槓是人形機器人中線性執行器的重要部件。結構上，人形機器人一般可拆分為執行系統、感知系統和其他。其中，執行系統由線性執行器、旋轉執行器、靈巧手三部分組成。線性執行器是沿着直線移動物體，主要用於人形機器人的腕、肘、膝和踝等關節。特斯拉人形機器人的線性執行器主要由無框力矩電機、行星滾柱絲槓、力傳感器、編碼器、驅動器等組成。   

圖：特斯拉Optimus 直線關節拆解

特斯拉Optimus 直線關節使用的是反向式行星滾柱絲槓，滿足高承載、小體積需求。相同絲槓直徑下，反向式行星滾柱絲槓同滾珠絲槓比較具有更高的承載、更高的精度；而與標準式行星滾柱絲槓相比，反向式行星滾柱絲槓體積更小。目前，Optimus在肘部、手腕、髖部、膝蓋、腳踝共計使用14個反向式行星滾柱絲槓。在價值佔比方面未有官方數據，但根據我們對其各部位拆解對比，行星滾柱絲槓在整個人形機器人中佔比約為8%-10%，是目前人形機器人關鍵的降本環節。

行星滾柱絲槓市場規模

全球行星滾柱絲槓市場規模為十億美元級別市場。全球範圍來看，滾柱絲槓廣泛應用於汽車、數控機牀等行業，根據DATAINTELO數據，2022年全球行星滾柱絲槓市場規模為12.7億美元，依據2022年底美元兑人民幣匯率為6.91，計算得行星滾柱絲槓2022年全球市場規模87.8億人民幣。同時，2018-2022年間市場規模複合增速為4.5%。本文認為行星滾柱絲槓在承載、剛度、精度、小型化方面均具備競爭優勢，疊加在當前工業自動化和高端裝備製造業的需求拉動，在不考慮人形機器人帶來的增量情況下，2023——2030年行業市場規模能夠保持4.5%的複合增長。   

圖：行星滾柱絲槓市場規模及預測（億元）（注：不考慮人形機器人增量）

測算人形機器人領域未來能為行星滾柱絲槓帶來的增量，本文考慮如下假設：

（1）目前，人工智能的快速發展解決了機器人不智能、沒場景兩個核心難點，而人形機器人的硬件端也在快速迭代，國內產業鏈的佈局有利於快速降本，從而為人形機器人的普及奠定基礎。本文認為人形機器人市場增長將分為三個階段，第一階段：2024-2026年，主要由政策和資本驅動，預計企業將會逐漸進入人形機器人批量生產期，前三年商業應用場景落地預期以滿足工業市場非結構化需求為主，實現對於傳統工業生產線的補充，該階段預計人形機器人銷量複合增長率約為50%；第二階段：2027-2030年，供應鏈持續降本增效、技術持續突破，人形機器人會逐漸向着潛在的家用、服務市場領域擴散、普及，場景應用潛力不斷挖掘，該階段預計人形機器人銷量複合增長率約為100%；第三階段：2030年之后，養老、情感、陪伴、軍事場景需求將成為人形機器人增長的主要推動力，市場會因此呈現長期波動上行態勢，該階段預計人形機器人銷量複合增長率約為20%。   

（2）從價格角度看，人形機器人逐步放量能打開行星滾柱絲槓市場天花板，使用量提高攤低製造成本的同時，也可能帶來未來產業入局者的增加並進一步壓低產品價格。假設在當前人形機器人銷量1萬台情況下單根行星滾柱絲槓的價格約2000元；預期在2029年人形機器人銷量達18萬台時，單根行星滾柱絲槓的價格約下降到1500元；2032年人形機器人銷量達50萬台時，單根行星滾柱絲槓的價格約下降到1200元。

（3）假設單台人形機器人的行星滾柱絲槓用量與現在保持一致，即14個。

從測算結果看，2027年開始人形機器人領域帶來的行星滾柱絲槓市場規模增量就將達到十億元級；2030年開始人形機器人領域帶來的行星滾柱絲槓市場規模增量將超過其他領域市場規模之和的60%以上。

表：人形機器人帶來的行星滾柱絲槓市場規模增量測算

圖：考慮人形機器人增量后的行星滾柱絲槓市場規模及測算（億元）

行星滾柱絲槓競爭格局

在加工難度高的行星滾柱絲槓市場，外資品牌處於主導地位。GSA、Ewellix、Rollvis、Rexroth等國外企業代表滾柱絲槓製造一流水平，GSA和Rollvis各佔據26%的市場份額，其次是Ewellix和Rexroth分別佔據14%、12%市場份額，CR4為78%。南京工藝和博特精工作為國內滾柱絲槓企業各佔據8%市場份額。

圖：行星滾柱絲槓中國市場競爭格局    

國外主要參與者介紹：

瑞士GSA：GSA公司成立於1982年，基於GZ公司幾十年螺紋加工方面的經驗（GZ公司成立於1932年），致力於行星滾珠絲槓生產。產品型號齊全，包括滾柱非循環式、滾柱循環式、反轉行星滾柱絲槓。導程精度等級從KL5至KL10(G1-G3)。GSA公司本身為德國舍弗勒Schaeffler集團優秀的供應商且有控股，2016年由GSA公司牽頭於2016年對瑞士rollvis公司實現完全收購，至此GSA公司擁有了ROLLVIS品牌，和旗下代理公司LTK，美國3家，英國2家代理商的合作權。其產品主要銷售到航空航天、軍工設備以及鋼鐵冶金等行業中，也在嘗試開發一般工業領域的應用。

瑞士ROLLVIS公司：成立於1970年，總部位於瑞士日內瓦，專注於行星絲槓；產品包括四大系列滾柱絲槓，RV、RVR、RVI、RVD，型號齊全；公司可以提供直徑範圍從5mm至245mm，導程範圍從0.1mm至50mm的幾乎全系列研磨級高精度產品。Rollvis為航空保密認證單位，產品主要應用於航空航天、軍工設備、鋼鐵冶金等領域，近年來也面向普通工業應用如電動缸等提供批量化供貨。2016年，被瑞士GSA收購。   

瑞典Ewellix公司：Ewellix成立於五十多年前，前身為斯凱孚（SKF）線性技術部門「SKF運動技術」，是一家線性解決方案公司，是裝配自動化、醫療應用和移動機械領域直線運動和驅動解決方案的全球創新者和製造商。EWELLIX在全球設有16個銷售辦事處和250個工廠。外部淨銷售額約為1.25億歐。2023年1月，德國舍弗勒集團完成對Ewellix的收購。

德國Rexroth：公司和品牌隸屬於博世力士樂集團，是一家主要生產液壓系統、減速機、電控技術以及機電一體化產品的大型工業品公司。在線性傳動技術領域，Rexroth 提供直線導軌、滾珠和滾柱絲槓、電動缸和直線運動模組等產品，其滾柱絲槓產品是在近 10 年內推出的新產品，採用軋製成型技術以滿足追求更高經濟性的客户需求，但在有高精度和高壽命要求的場景下無法使用產品主要銷售到一般工業領域中，尤其在注塑機和伺服壓力機械等應用中業務成長速度快。

國內主要參與者介紹：

南京工藝：南京工藝創建於1952年，是南京新工投資集團有限責任公司控股子企業，是國家火炬計劃重點高新技術企業，工信部授予的製造業單項冠軍培育企業。公司主營以滾珠絲槓副、滾動導軌副為代表的滾動功能部件，產品廣泛應用於高檔數控機牀、人工智能、3C自動化、國防軍工等領域，是高端數控裝備智能製造的核心零部件。目前，南京工藝行星滾柱絲槓副在淬火后的硬度可 達 HRC58 以上，主要應用於伺服電動缸。   

博特精工：山東博特精工股份有限公司其前身是山東濟寧絲槓廠，始建於一九六六年，國家高新技術企業，國內滾動功能部件骨干專業化生產廠。50多年來，公司一直致力於滾動功能部件的研究與生產，是我國滾動功能部件標準(滾珠絲槓副、直線導軌副)主要起草單位，國家高速主軸標準主要起草單位，國家滾珠絲槓副標準工作組組長單位，中國機牀工具工業協會副理事長單位。21世紀初，公司先后成功開發了行星滾柱絲槓副、重載滾珠絲槓副、高速機械主軸、電主軸等新產品。

圖：博特精工BT-GZXS行星滾柱絲槓

新劍傳動：新劍傳動主營業務是為半導體通訊、計算機、電子、汽車、工程機械、人機協作及服務機器人等行業提供蝸輪、蝸桿傳動部件和精密零部件產品。公司與國內外多家研究機構成為戰略伙伴關係，併成立研發中心及新劍傳動（上海）聯合研發實驗室分部，研發方向為機械傳動技術和人工智能應用集成技術。目前公司絲槓產品汽車領域客户包括吉利、理想、華為、一汽等；機器人合作伙伴包括小米、小鵬、智元機器人、科沃斯機器人等。

公司行星滾柱絲槓產線於2022年3月批量化生產，目前已具備350萬套的批量化生產能力。2022年行星滾柱絲槓電動缸產線系列產品銷售收入為2,367.8萬元，同比增長100%，毛利率可達33.5%。目前公司的滾珠絲槓、行星滾柱絲槓產品已經成功應用於汽車底盤EMB制動系統和人形機器人線形驅動。   

圖：新劍傳動已佈局多種型號行星滾柱絲槓

貝斯特：貝斯特深耕精密零部件和智能裝備及工裝產品的研發、生產及銷售，具備精密零部件加工領域形成的技術優勢及自動化生產線的柔性加工能力。公司充分發揮「精密加工為特長、鑄造產業為支撐、智能裝備為驅動」的產業聯動發展的核心競爭優勢，高舉高打全面佈局直線滾動功能部件，導入「工業母機」新賽道。公司具備車削製造-微米級公差零件的大批量的生產能力，高精度加工方面有深厚沉澱。

2022年，子公司宇華精機成立，承載高端裝備核心滾動功能部件項目，主要包括高精度滾珠絲槓副、高精度滾動導軌副等產品製造。宇華精機滾動功能部件產品2023上半年已經完成送樣。目前，該項目已獲國家專項資金支持，總投資12億元，利用4.5萬平方米廠房，引進生產及檢測設備279台（其中研發設備70台），配套軟件及系統29套、公輔設施5套。達產后，具備年產15萬套高精度滾珠絲槓副以及24.8萬米高精度滾動導軌副部件的生產能力，年產值達15億元。截至2023年4月，部分進口設備已運抵車間，正在進行設備安裝調試，其余設備正陸續採購中。2023年上半年宇華精機已經成功完成了高精度滾珠絲槓副、直線導軌副等產品的首臺套下線，並已將部分產品送樣至戰略客户處進行驗證。   

從各家產品綜合對比看，國內廠家產品型號規格非常齊全，性能上處於領先地位。

表：部分廠家行星滾柱絲槓參數性能比較

國內眾多知名機構也紛紛入局，參與了對於行星滾柱絲槓板塊的投資。例如，上海亨升投資是南京工藝的第三大股東，佔股6.5%；邁瑞醫療旗下投資公司參與了鼎智科技的定增，邁瑞也是鼎智科技前十大股東之一；國開發展基金、山東省現代產投兩家機構在博特精工佔股接近20%；浙江省創投集團擁有新劍傳動2%的股份，其旗下浙創啟晨投資新劍傳動4%的股份；無錫市鑫石投資、全國社保基金也均是貝斯特的前十大股東。隨着市場需求的拉動，國內行星滾柱絲槓產業有望迎來顯著增長，國內眾多投資機構也將受益。   

結語-行星滾柱絲槓成長空間打開，國內企業迎頭追趕  

伴隨着將來人形機器人產品趨於成熟，疊加端到端AI大模型賦能，功能性、實用性兼顧，人形機器人有望成為「繼計算機、智能手機、新能源汽車后的顛覆性產品」。行星滾柱絲槓是人形機器人產業鏈的重要環節，成長空間也將得到極大的擴展。由於行星滾柱絲槓製造壁壘高，當前國內市場主要由外企佔據，但內資企業正迎頭追趕，產品性能與國外的差距在逐步減小，國產替代前景可期。在可預見的未來，本文認為行星滾柱絲槓將成為人形機器人賽道的重要細分投資賽道。