人形机器人运动控制核心：行星滚柱丝杠

本文旨在通过对丝杠的研究，探讨其技术特点、市场现状以及未来展望。

随着科技的飞速发展以及人工智能领域的持续壮大，人形机器人凭借其在医疗、服务等多个领域的广泛应用，逐渐成为工业界的最新亮点。为了进一步促进该行业的发展，各地政府纷纷出台政策，加大对人形机器人及其关键零部件的支持力度。在人形机器人中，行星滚柱丝杠是其重要精密传动零部件，如特斯拉Optimus人形机器人直线关节总共选用 14 个行星滚柱丝杠。本文旨在通过对丝杠的研究，探讨其技术特点、市场现状以及未来展望。

图：每台特斯拉Optimus包含14个丝杠

数据来源：特斯拉AI day

丝杠及其技术原理

1、丝杠的工作原理及分类

丝杠是将旋转运动转化为直线运动、或将直线运动转化为旋转运动的理想的产品，是工具机械和精密机械上最常用的传动元件。丝杠的主要结构由丝杆与螺母构成，其主要功能为将旋转运动转化成线性运动，或将扭矩转换成轴向反复作用力。

丝杠的工作原理：当螺杆作为主动旋转体时，螺母就会随螺杆的转动角度按照对应规格的导程将螺杆的旋转运动转化成直线运动，参与做功的工件可以通过与螺母连接，从而实现对应的直运动。螺杆的旋转角度与螺母的直线移动量成正比，比例关系由螺杆的导程(螺纹的螺距)决定。反之，如果螺母作为主动件移动，也可以使螺杆旋转，这样直线运动就被转换成了旋转运动。

图：丝杠的分类及工作原理

数据来源：融中研究整理

丝杠的分类：按其摩擦特性，丝杠可分为三类：滑动丝杠、滚动丝杠及静压丝杠。

1）滑动丝杠是最普通的丝杠机械，牙型多为梯形，又称梯形螺纹丝杠。它没有滚动体，靠滑动摩擦传递推力，结构简单，制造方便，具有自锁性，在机床上应用广泛。它连续工作发热严重，传动效率较低（30-50%）。

2）按照滚动体的不同，滚动丝杠可进一步划分为滚珠丝杠和行星滚柱丝杠两类。目前特斯拉人形机器人主要使用的是行星滚柱丝杠，因此本文将重点介绍滚动丝杠。

3）静压丝杠需要增加一套供油/气系统，通过在螺母和螺杆之间形成一层流体膜来实现无接触或近乎无接触的运动，大幅减少了摩擦和磨损，可以达到极高的定位精度，但其工艺复杂，加工非常困难，成本较高，应用较少。

表：不同丝杠类型对比

数据来源：融中研究整理

2、行星滚柱丝杠介绍

行星滚柱丝杠凭借其在效率、体积等方面独特的优势，成为人形机器人中的重要零部件，本文也将重点介绍行星滚柱丝杠。行星滚柱丝杠最早起源于1942年，一名瑞典的发明家Carl Bruno Strandgren（卡尔·布朗·斯特兰德格伦） 申请了第一个循环式滚柱丝杠的专利。但是由于结构复杂、加工难度大和成本较高的原因，最初的阶段并未得到广泛的应用。从70年代起，随着武器装备技术发展以及石油、化工、数控机床等对大推力、高精度、高效率、长寿命的需求提升，行星滚柱丝杠开始快速发展。

行星滚柱丝杠的结构与工作原理：行星滚柱丝杠依托丝杆和滚柱的旋转带动螺母做直线运动。行星滚柱丝杠的结构与滚珠丝杠较为类似，包括丝杠、行星滚柱、保持架、内齿轮和螺母等，其中滚动元件为行星滚柱而非滚珠丝杠中的滚珠。滚柱通过保持架均匀的分布在丝杠、螺母之间，为了防止滚柱相对于螺母发生轴向窜动的现象，保持架与螺母之间轴向方向相对固定，另外滚柱两边加工有直齿轮，目的是为了避免滚柱相对于螺母的滑动而产生零件偏斜现象。当丝杠旋转时，滚柱通过与丝杠之间的螺纹啮合一方面会沿着丝杠轴线方向作直线运动，另一方面会在丝杠、螺母之间作行星运动，而螺母则通过保持架使其与滚柱之间无相对轴向位移，因此螺母与滚柱保持着相同的轴向移动速度。

行星滚柱丝杠通过啮合滚柱产生线接触滚动摩擦，大幅增加丝杠传动过程的接触面和受力面，与以往用于精密传动的滚珠丝杠相比，在传动效率损失不大的前提下，又同时具备了高转速、高载荷、高刚度、高范围导程以及更小体积、更低噪音、更方便维护拆卸等特点。

图：行星滚柱丝杠结构图

数据来源：《行星滚柱丝杠电动缸应用现状》

图：行星滚柱丝杠工作原理图示

数据来源：融中研究整理

相较滚珠丝杠，滚柱丝杠的具备承载能力强、体积小、寿命长等优点。

承载能力强：承载能力主要取决于滚动体之间接触面的曲率半径，接触点数目以及接触面硬度与光洁度。在相同接触表面硬度、光洁度与精度的条件下，滚柱丝杠比滚珠丝杠具有更多的接触点，滚柱接触面的包络圆曲率半径亦远大于滚珠丝杠钢球的曲率半径，这就决定了滚柱丝杠比普通的滚珠丝杠具有更高的承载能力。通常情况上，行星滚柱丝杠副轴向刚度比滚珠丝杠副大约50%。

体积小：在提供相同负载的情况下，行星滚柱丝杠的体积更小，有助于减少机械设备的总体尺寸，使得设计更为紧凑。相同高载荷情况下，行星滚柱丝杠体积比滚珠丝杠小1/3的空间。

长寿命：根据赫兹压力定律，行星滚柱丝杠的寿命可达到滚珠丝杠的15倍，这意味着在相同工况下，行星滚柱丝杠的维护周期更长，可靠性更高。

行星滚柱丝杠的具体分类：根据其结构组成及运动关系的不同，可以分为5种类型，包括标准式行星滚柱丝杠、反向式行星滚柱丝杠、循环式行星滚柱丝杠、差动式行星滚柱丝杠、轴承环式行星滚柱丝杠，它们以各自独特的结构特点及其优势适用于不同的场合。特斯拉Optimus人形机器人中所使用的正是反向式行星滚柱丝杠。

表：行星滚柱丝杠的分类与结构特点

数据来源：《行星滚柱丝杠传动精度分析与设计》

3、行星滚柱丝杠壁垒分析

行星滚柱丝杠副的技术壁垒主要体现在结构设计、工件材料、表面热处理、加工工艺等方面。

（1）结构设计：行星滚柱丝杠的滚柱部分由螺纹和端部齿轮两部分组成，在运行过程中同时存在螺纹啮合和齿轮啮合，因此二者参数匹配设计与建模比较复杂。此外，螺纹牙型参数对行星滚柱丝杠载荷分布有很大的影响，并且牙型参数需满足螺纹牙强度准则以防止螺纹牙根位置发生断裂；需满足螺纹牙接触屈服准则以保证螺纹牙的接触处于弹性阶段，不会发生不可恢复的塑性变形，以提高行星滚柱丝杠疲劳寿命。因此需注意行星滚柱丝杠螺纹牙型的设计。

图：不同螺纹牙型

数据来源：金属加工

（2）工件材料：行星滚柱丝杠副在工作时，丝杠、滚柱及螺母的螺纹滚道会受到连续性、周期性和频繁的振动、冲击及摩擦，导致丝杠副的温度升高，且随着转速和承载的提高，温升会显著增大，最终导致滚道磨损、蠕变松弛、热变形、疲劳、屈服等。因此，应选择硬度高、耐磨性强、抗疲劳性强、承载力高、温度适应性较好、切削性能及经济性较好的材料。

国外行星滚柱丝杠的材料以合金结构钢为主。根据Ewellix官网，其标准丝杠轴主要由经过预处理的50CrMo4(或42CrMo4)制成，通过感应进行表面硬化；螺母和滚柱采用进行了全面硬化的100Cr6轴承钢。合金结构钢具有优良的淬透性和强度，调质后有较高的疲劳极限和抗多次冲击能力，低温冲击韧性良好。

国内行星滚柱丝杠的材料主要选用马氏体不锈钢和奥氏体不锈钢。马氏体不锈钢的淬性较好，可通过淬火、回火等热处理工艺进行强化，从而获得较高的硬度、强度以及耐磨性，但是在韧性和耐蚀性方面普遍有短板。奥氏体不锈钢具有较好的塑性、良好的耐腐蚀性能、抗氧化性能和优良的焊接性能，但强度相较其他钢材较差。

（3）表面热处理：分为预备热处理和最终热处理两大类。预备热处理可以改善丝杠切削性能、消除残余应力；最终热处理可以提高螺纹的表面硬度及耐磨性。由于技术设备落后、热处理工艺参数选择不当等原因，导致热处理质量较差、热处理后变形较大，行星滚柱丝杠副的主要损坏形式是接触疲劳磨损，不当的热处理工艺会使得其寿命降低。

表：行星滚柱丝杠不同部位热处理方法

数据来源：《精密行星滚柱丝杠副工艺制造与传动性能研究》

（4）磨削工艺：行星滚柱丝杠依靠零件间的螺纹啮合实现传动功能，螺纹的加工精度将直接影响系统的传动精度、使用寿命、与平稳性，故优化螺纹的加工技术是提升行星滚柱丝杠整体性能的关键。目前，常用的丝杠螺纹加工方法有：滚压、硬车削、旋风铣削和磨削，其中磨削加工精度最高，而冷轧、硬车削和旋风铣削多用于粗加工，因此，磨削是高精度丝杠螺纹的主要加工方法。

行星滚柱丝杠产业链

1、产业链概况分析

行星滚柱丝杠产业链由三大环节组成：上游原材料与零部件供应、中游行星滚柱丝杠的专业制造，以及下游多元化的应用领域。

在上游环节，产业链聚焦于高质量原材料的供应与关键零部件的精密制造。丝杠多采用合金结构钢，而螺母与滚柱则优选高碳铬轴承钢。螺母等核心零部件的加工工艺则需要高度专业化的技术与设备支持。

产业链中游是行星滚柱丝杠产业链的核心，通过先进的生产技术和严格的质量控制体系，将上游的原材料与零部件转化为高精度、高性能的行星滚柱丝杠产品，为下游应用提供了关键的动力传输与定位解决方案。

下游应用领域广泛，从传统的汽车制造、石油天然气开采，到前沿的医疗器械、光学仪器，再到蓬勃发展的工程机械、机器人、自动化生产线及高端机床设备，行星滚柱丝杠凭借其优秀的传动性能与稳定性，成为了众多行业不可或缺的关键部件。

图：行星滚柱丝杠产业链图谱

数据来源：融中研究整理

表：行星滚柱丝杠在典型行业应用

数据来源：《E公司滚柱丝杠产品营销策略研究》

2、行星滚柱丝杠在人形机器人中的运用

行星滚柱丝杠是人形机器人中线性执行器的重要部件。结构上，人形机器人一般可拆分为执行系统、感知系统和其他。其中，执行系统由线性执行器、旋转执行器、灵巧手三部分组成。线性执行器是沿着直线移动物体，主要用于人形机器人的腕、肘、膝和踝等关节。特斯拉人形机器人的线性执行器主要由无框力矩电机、行星滚柱丝杠、力传感器、编码器、驱动器等组成。

图：特斯拉Optimus 直线关节拆解

数据来源：特斯拉机器人2022 AI Day

特斯拉Optimus 直线关节使用的是反向式行星滚柱丝杠，满足高承载、小体积需求。相同丝杠直径下，反向式行星滚柱丝杠同滚珠丝杠比较具有更高的承载、更高的精度；而与标准式行星滚柱丝杠相比，反向式行星滚柱丝杠体积更小。目前，Optimus在肘部、手腕、髋部、膝盖、脚踝共计使用14个反向式行星滚柱丝杠。在价值占比方面未有官方数据，但根据我们对其各部位拆解对比，行星滚柱丝杠在整个人形机器人中占比约为8%-10%，是目前人形机器人关键的降本环节。

行星滚柱丝杠市场规模

全球行星滚柱丝杠市场规模为十亿美元级别市场。全球范围来看，滚柱丝杠广泛应用于汽车、数控机床等行业，根据DATAINTELO数据，2022年全球行星滚柱丝杠市场规模为12.7亿美元，依据2022年底美元兑人民币汇率为6.91，计算得行星滚柱丝杠2022年全球市场规模87.8亿人民币。同时，2018-2022年间市场规模复合增速为4.5%。本文认为行星滚柱丝杠在承载、刚度、精度、小型化方面均具备竞争优势，叠加在当前工业自动化和高端装备制造业的需求拉动，在不考虑人形机器人带来的增量情况下，2023——2030年行业市场规模能够保持4.5%的复合增长。

图：行星滚柱丝杠市场规模及预测（亿元）（注：不考虑人形机器人增量）

数据来源：DATAINTELO，融中研究整理

测算人形机器人领域未来能为行星滚柱丝杠带来的增量，本文考虑如下假设：

（1）目前，人工智能的快速发展解决了机器人不智能、没场景两个核心难点，而人形机器人的硬件端也在快速迭代，国内产业链的布局有利于快速降本，从而为人形机器人的普及奠定基础。本文认为人形机器人市场增长将分为三个阶段，第一阶段：2024-2026年，主要由政策和资本驱动，预计企业将会逐渐进入人形机器人批量生产期，前三年商业应用场景落地预期以满足工业市场非结构化需求为主，实现对于传统工业生产线的补充，该阶段预计人形机器人销量复合增长率约为50%；第二阶段：2027-2030年，供应链持续降本增效、技术持续突破，人形机器人会逐渐向着潜在的家用、服务市场领域扩散、普及，场景应用潜力不断挖掘，该阶段预计人形机器人销量复合增长率约为100%；第三阶段：2030年之后，养老、情感、陪伴、军事场景需求将成为人形机器人增长的主要推动力，市场会因此呈现长期波动上行态势，该阶段预计人形机器人销量复合增长率约为20%。

（2）从价格角度看，人形机器人逐步放量能打开行星滚柱丝杠市场天花板，使用量提高摊低制造成本的同时，也可能带来未来产业入局者的增加并进一步压低产品价格。假设在当前人形机器人销量1万台情况下单根行星滚柱丝杠的价格约2000元；预期在2029年人形机器人销量达18万台时，单根行星滚柱丝杠的价格约下降到1500元；2032年人形机器人销量达50万台时，单根行星滚柱丝杠的价格约下降到1200元。

（3）假设单台人形机器人的行星滚柱丝杠用量与现在保持一致，即14个。

从测算结果看，2027年开始人形机器人领域带来的行星滚柱丝杠市场规模增量就将达到十亿元级；2030年开始人形机器人领域带来的行星滚柱丝杠市场规模增量将超过其他领域市场规模之和的60%以上。

表：人形机器人带来的行星滚柱丝杠市场规模增量测算

数据来源：融中研究整理

图：考虑人形机器人增量后的行星滚柱丝杠市场规模及测算（亿元）

数据来源：融中研究整理

行星滚柱丝杠竞争格局

在加工难度高的行星滚柱丝杠市场，外资品牌处于主导地位。GSA、Ewellix、Rollvis、Rexroth等国外企业代表滚柱丝杠制造一流水平，GSA和Rollvis各占据26%的市场份额，其次是Ewellix和Rexroth分别占据14%、12%市场份额，CR4为78%。南京工艺和博特精工作为国内滚柱丝杠企业各占据8%市场份额。

图：行星滚柱丝杠中国市场竞争格局

数据来源：《E公司滚柱丝杠产品营销策略研究》

国外主要参与者介绍：

瑞士GSA：GSA公司成立于1982年，基于GZ公司几十年螺纹加工方面的经验（GZ公司成立于1932年），致力于行星滚珠丝杠生产。产品型号齐全，包括滚柱非循环式、滚柱循环式、反转行星滚柱丝杠。导程精度等级从KL5至KL10(G1-G3)。GSA公司本身为德国舍弗勒Schaeffler集团优秀的供应商且有控股，2016年由GSA公司牵头于2016年对瑞士rollvis公司实现完全收购，至此GSA公司拥有了ROLLVIS品牌，和旗下代理公司LTK，美国3家，英国2家代理商的合作权。其产品主要销售到航空航天、军工设备以及钢铁冶金等行业中，也在尝试开发一般工业领域的应用。

瑞士ROLLVIS公司：成立于1970年，总部位于瑞士日内瓦，专注于行星丝杠；产品包括四大系列滚柱丝杠，RV、RVR、RVI、RVD，型号齐全；公司可以提供直径范围从5mm至245mm，导程范围从0.1mm至50mm的几乎全系列研磨级高精度产品。Rollvis为航空保密认证单位，产品主要应用于航空航天、军工设备、钢铁冶金等领域，近年来也面向普通工业应用如电动缸等提供批量化供货。2016年，被瑞士GSA收购。

瑞典Ewellix公司：Ewellix成立于五十多年前，前身为斯凯孚（SKF）线性技术部门“SKF运动技术”，是一家线性解决方案公司，是装配自动化、医疗应用和移动机械领域直线运动和驱动解决方案的全球创新者和制造商。EWELLIX在全球设有16个销售办事处和250个工厂。外部净销售额约为1.25亿欧。2023年1月，德国舍弗勒集团完成对Ewellix的收购。

德国Rexroth：公司和品牌隶属于博世力士乐集团，是一家主要生产液压系统、减速机、电控技术以及机电一体化产品的大型工业品公司。在线性传动技术领域，Rexroth 提供直线导轨、滚珠和滚柱丝杠、电动缸和直线运动模组等产品，其滚柱丝杠产品是在近 10 年内推出的新产品，采用轧制成型技术以满足追求更高经济性的客户需求，但在有高精度和高寿命要求的场景下无法使用产品主要销售到一般工业领域中，尤其在注塑机和伺服压力机械等应用中业务成长速度快。

国内主要参与者介绍：

南京工艺：南京工艺创建于1952年，是南京新工投资集团有限责任公司控股子企业，是国家火炬计划重点高新技术企业，工信部授予的制造业单项冠军培育企业。公司主营以滚珠丝杠副、滚动导轨副为代表的滚动功能部件，产品广泛应用于高档数控机床、人工智能、3C自动化、国防军工等领域，是高端数控装备智能制造的核心零部件。目前，南京工艺行星滚柱丝杠副在淬火后的硬度可 达 HRC58 以上，主要应用于伺服电动缸。

博特精工：山东博特精工股份有限公司其前身是山东济宁丝杠厂，始建于一九六六年，国家高新技术企业，国内滚动功能部件骨干专业化生产厂。50多年来，公司一直致力于滚动功能部件的研究与生产，是我国滚动功能部件标准(滚珠丝杠副、直线导轨副)主要起草单位，国家高速主轴标准主要起草单位，国家滚珠丝杠副标准工作组组长单位，中国机床工具工业协会副理事长单位。21世纪初，公司先后成功开发了行星滚柱丝杠副、重载滚珠丝杠副、高速机械主轴、电主轴等新产品。

图：博特精工BT-GZXS行星滚柱丝杠

数据来源：博特精工官网

新剑传动：新剑传动主营业务是为半导体通讯、计算机、电子、汽车、工程机械、人机协作及服务机器人等行业提供蜗轮、蜗杆传动部件和精密零部件产品。公司与国内外多家研究机构成为战略伙伴关系，并成立研发中心及新剑传动（上海）联合研发实验室分部，研发方向为机械传动技术和人工智能应用集成技术。目前公司丝杠产品汽车领域客户包括吉利、理想、华为、一汽等；机器人合作伙伴包括小米、小鹏、智元机器人、科沃斯机器人等。

公司行星滚柱丝杠产线于2022年3月批量化生产，目前已具备350万套的批量化生产能力。2022年行星滚柱丝杠电动缸产线系列产品销售收入为2,367.8万元，同比增长100%，毛利率可达33.5%。目前公司的滚珠丝杠、行星滚柱丝杠产品已经成功应用于汽车底盘EMB制动系统和人形机器人线形驱动。

图：新剑传动已布局多种型号行星滚柱丝杠

数据来源：新剑传动官网

贝斯特：贝斯特深耕精密零部件和智能装备及工装产品的研发、生产及销售，具备精密零部件加工领域形成的技术优势及自动化生产线的柔性加工能力。公司充分发挥“精密加工为特长、铸造产业为支撑、智能装备为驱动”的产业联动发展的核心竞争优势，高举高打全面布局直线滚动功能部件，导入“工业母机”新赛道。公司具备车削制造-微米级公差零件的大批量的生产能力，高精度加工方面有深厚沉淀。

2022年，子公司宇华精机成立，承载高端装备核心滚动功能部件项目，主要包括高精度滚珠丝杠副、高精度滚动导轨副等产品制造。宇华精机滚动功能部件产品2023上半年已经完成送样。目前，该项目已获国家专项资金支持，总投资12亿元，利用4.5万平方米厂房，引进生产及检测设备279台（其中研发设备70台），配套软件及系统29套、公辅设施5套。达产后，具备年产15万套高精度滚珠丝杠副以及24.8万米高精度滚动导轨副部件的生产能力，年产值达15亿元。截至2023年4月，部分进口设备已运抵车间，正在进行设备安装调试，其余设备正陆续采购中。2023年上半年宇华精机已经成功完成了高精度滚珠丝杠副、直线导轨副等产品的首台套下线，并已将部分产品送样至战略客户处进行验证。

从各家产品综合对比看，国内厂家产品型号规格非常齐全，性能上处于领先地位。

表：部分厂家行星滚柱丝杠参数性能比较

数据来源：各公司官网，融中研究整理

国内众多知名机构也纷纷入局，参与了对于行星滚柱丝杠板块的投资。例如，上海亨升投资是南京工艺的第三大股东，占股6.5%；迈瑞医疗旗下投资公司参与了鼎智科技的定增，迈瑞也是鼎智科技前十大股东之一；国开发展基金、山东省现代产投两家机构在博特精工占股接近20%；浙江省创投集团拥有新剑传动2%的股份，其旗下浙创启晨投资新剑传动4%的股份；无锡市鑫石投资、全国社保基金也均是贝斯特的前十大股东。随着市场需求的拉动，国内行星滚柱丝杠产业有望迎来显著增长，国内众多投资机构也将受益。

结语-行星滚柱丝杠成长空间打开，国内企业迎头追赶

伴随着将来人形机器人产品趋于成熟，叠加端到端AI大模型赋能，功能性、实用性兼顾，人形机器人有望成为“继计算机、智能手机、新能源汽车后的颠覆性产品”。行星滚柱丝杠是人形机器人产业链的重要环节，成长空间也将得到极大的扩展。由于行星滚柱丝杠制造壁垒高，当前国内市场主要由外企占据，但内资企业正迎头追赶，产品性能与国外的差距在逐步减小，国产替代前景可期。在可预见的未来，本文认为行星滚柱丝杠将成为人形机器人赛道的重要细分投资赛道。

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