丝杠在灵巧手和人形机器人领域的应用
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2026-06-26 08:07:06
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来源:市场资讯

(来源:老司机驾新车)

1、人形机器人丝杠用量与选型分类

·人形机器人丝杠用量情况:人形机器人本体丝杠用量标准已基本统一,整体约14根,其中单腿4根、单臂3根,国内厂商技术路线下本体用量基本无差异。灵巧手丝杠用量随技术路线和自由度设置差异较大:早期灵巧手配置为5-7个自由度,当前技术路线可将手部自由度转移至小臂,单个灵巧手可实现近12个主动自由度,对应丝杠需求在12根以上。

·丝杠类型与人形适配性:丝杠主要分为梯形丝杠、滚珠丝杠、行星滚柱丝杠三类,不同类型适配性差异显著:a. 梯形丝杠效率仅30%,存在自锁、磨损快、耗电量大的问题,会抬升传动系统减速比、电机扭矩及功率要求,不适用于人形机器人;b. 滚柱丝杠应用占比最高,效率约87%,特斯拉等人形机器人主流主机厂要求将效率提升1-2个点,达到88%-89%;c. 滚珠丝杠效率更高,可达92%-93%,具备对应应用场景。

·不同部位丝杠选型差异:人形机器人不同部位丝杠选型需求差异明显:a. 本体部位丝杠选型已基本统一,采用反转式行星滚柱丝杠,其中腿部使用特殊的中空反转滚柱丝杠,加工难度较高;b. 灵巧手主打微型化需求,采用直径约Φ3mm级别的微型滚珠或微型滚柱丝杠,该规格丝杠加工难度高,此前仅1-2家日本厂商能够生产,国内目前真正实现批量供货的厂商也仅有1-2家;c. 灵巧手技术路线尚未统一,对应丝杠选型也存在多种方案,除微型滚珠、微型滚柱外,还存在循环式滚柱、行星滚柱、微分滚柱等类型,也有厂商推出反转滚珠类线性执行器,但暂未实现批量应用。

2、滚柱丝杠细分类型及技术特性

·常规与反转式行星滚柱丝杠:常规行星滚柱丝杠采用行星布置传动原理,运动逻辑为丝杠旋转、螺母前后移动,丝杠轴较长且表面均为螺纹结构,在工业领域的应用占比达90%。反转式行星滚柱丝杠的运动逻辑与常规款相反,为螺母旋转、丝杠轴不转且做前后移动,二者结构差异较大:反转式产品螺母更长、内置长内螺纹,丝杠轴相对更短,周围环绕5-8个滚柱,丝杠轴前端可直接连接推管。此前反转式行星滚柱丝杠用量较少,仅在汽车制造的电阻焊场景实现批量应用,加工难度相对更高。

·差分式与循环式滚柱丝杠:差分式滚柱丝杠采用差分传动原理,滚柱为两边细中间粗的结构,与丝杠、螺母的螺纹仅实现约一半啮合,属于性能低于常规行星滚柱丝杠的简化款,加工难度更低、价格也相对较低,此前主要应用于汽车线控转向场景,未全面进入工业领域。循环式滚柱丝杠不采用行星传动原理,滚柱每传动一圈就会通过台阶复位实现循环,核心优势是可做到1mm甚至零点几毫米的极小导程,传统应用于望远镜、军工陀螺仪、显微镜等高分辨率场景;早期曾被人形机器人厂商用于制作灵巧手的微型丝杠,适配空间有限场景下的小扭矩空心杯或微型无刷电机,满足50牛左右的拉力需求,当前该场景应用量已减少。

·微分式滚柱丝杠:微分式滚柱丝杠属于较为稀有的滚柱丝杠品类,核心优势是可实现零点几毫米的极小导程,此前全球仅瑞士Rollvis可实现量产,国内暂无批量生产该产品的企业。去年以来仅有少量人形机器人灵巧手厂商尝试寻找该类产品供应商,目前尚未实现批量应用。由于该产品生产难度高、可生产厂商数量极少,该技术路线未来发展空间有限,大概率不会得到规模化推广。

3、灵巧手丝杠技术路线趋势分析

·灵巧手现有应用方案:当前灵巧手领域应用的丝杠方案共有三类,分别为微型滚珠丝杠、普通行星滚柱丝杠、循环式滚柱丝杠,三类方案目前均有实际应用。其中微型滚珠丝杠可实现小导程设计,最小可做到0.5mm导程,适配不同灵巧手产品的性能需求。

·滚珠与滚柱优劣势对比:两类丝杠的优劣势可从多维度对比:a. 接触与承载:滚柱丝杠为线接触,滚珠丝杠为点接触,理论上滚柱承载能力更强,但灵巧手丝杠轴直径仅3mm甚至低至2点几毫米,该尺寸级别下两类产品的承载差异并不明显;b. 效率与散热:滚柱丝杠效率约为85%-87%,导程更小时效率仅80%左右,低于滚珠丝杠,高频运动状态下易发热,热量堆积会导致滚道表面硬度下降出现退火损坏,滚珠丝杠无该类问题;c. 润滑与导程限制:灵巧手只能采用润滑脂润滑,润滑条件一般,滚柱丝杠对润滑要求更高适配性更差;微型钢球最小仅0.2-0.3mm,供应以日本8-K S、美培亚等厂商为主,国内供应商较少,滚珠丝杠导程受钢球直径限制无法做到无限小,滚柱丝杠无钢球,通过螺纹即可实现更小导程。

·未来技术路线判断:从散热、润滑、噪音、维护性多个角度综合来看,滚珠丝杠理论上更适配灵巧手高频运动的应用场景;滚柱丝杠可实现更小导程,具备差异化性能优势,两类方案长期并存的可能性较高,当前行业尚未形成统一的技术路线共识,未来路线走向仍有待进一步验证。

4、人形机器人丝杠订单供需现状

·丝杠订单供需整体情况:当前人形机器人领域丝杠订单较此前有所增长,但实际规模低于市场预期。海外此前承诺的相关订单多数未落地,大多由海外厂商自行生产,未下放至中国供应链。国内丝杠厂商送样较为普遍,单纯送样无实际业务价值,目前仅少数企业可实现批量供货。

5、丝杠采购核心参数与指标要求

·核心采购参数排序:人形机器人丝杠采购的核心考核参数为效率、噪音、寿命,精度不属于核心考核指标。当前行业存在认知误区,常将传统机床领域的传动精度要求套用到人形机器人场景,实际上除机床等高精密定位领域外,绝大多数应用对丝杠精度无高要求,常规丝杠精度即可满(各行业公司调研纪要星球:73292698)足人形机器人使用需求,三级、五级等高精度等级参数在该场景无实际应用价值。除公开技术参数外,丝杠采购的隐性商业考核指标还包括生产效率、产能供应能力,只有掌握核心工艺know-how才能实现大批量生产,若厂商沿用传统螺纹模工艺,将无法支撑未来产能需求。

·效率指标当前水平:效率是丝杠核心优化方向,人形机器人采用电池供电,大量电能损耗在传动环节,效率提升直接关系电池续航表现。当前常规滚珠丝杠的传动效率为87%-89%,而人形机器人躯干(腿、胳膊)所用的反转式丝杠受接触原理限制,真实实测传动效率仅为77%-80%,显著低于常规滚珠丝杠水平。目前行业正尝试通过优化保持架、调整螺纹参数等内部结构变更方式,推动反转式丝杠效率提升1-3个百分点。

·寿命指标计算与实测:丝杠寿命计算核心参考额定动载荷(CA值),CA值是衡量轴向承载能力、推导理论寿命的核心常数,其数值由螺纹接触数量、滚柱长短、接触均匀性、螺纹接触角度、材料硬度等参数通过ISO公式计算得出,生产制造环节的硬度、精度差异也会导致真实CA值与理论值产生偏差。寿命计算公式为(CA值/实际负载)的三次方,计算结果单位为百万转,例如CA值为18千牛的产品,若实际负载为2000牛,理论寿命为125百万转。理论寿命基于额定负载推导,实际应用中丝杠寿命受冲击力、侧向力、散热情况等工况影响较大,若人形机器人运行过程中存在高处跳跃等强冲击场景、积存热量或受侧向力干扰,实测寿命仅能达到理论值的一半,目前主流客户会通过寿命测试同步验证噪音、研磨质量等其他参数表现。

6、丝杠行业核心技术壁垒分析

·本体大丝杠技术壁垒:本体用反转式滚柱丝杠的核心壁垒集中在设备、工艺与产品一致性三大维度:a. 设备端核心壁垒为高精度螺纹磨床,国内无锡晨光、秦川旗下汉江等厂商生产的磨床均达不到使用要求,丝杠厂商需自行改造导轨、主轴、数控系统后方可投入使用;b. 工艺方面,传统螺纹磨采用切削技术,成本偏高,目前国内厂商正在研发冷挤压(模仿德国博世力士乐轧制路线)、高频挤压等成型工艺以降低成本,相关工艺路线尚未形成行业共识;c. 长螺母内螺纹加工为核心难点,传统工艺需用前端带微型砂轮的细杆伸入磨削,耗时久、难度高,产品生产一致性不足,鲜有产品达到国际标准。

·微型丝杠技术壁垒:灵巧手用微型丝杠的技术瓶颈覆盖设备、零部件、检测全产业链环节:a. 设备端,95%的商用磨床加工极限为Φ4mm微型滚珠丝杠,更细规格的丝杠无成熟商用设备可采购,欧洲四大厂商均不生产该类微型产品,日本仅KSS等极少数厂商可生产,国内仅2-3家厂商布局且技术不成熟,设备需完全自主研发;b. 零部件端,μ级公差的微型钢球选型规划、小型循环器的设计选材加工难度高,无成熟供应链配套;c. 检测端,丝杠无免检规则,需全程在线检测,其中螺纹圆度、波纹度检测设备单台成本超100万元,检测工艺复杂,配套检具获取难度高。

·两类丝杠难度对比:两类丝杠加工难度存在显著差异:a. 本体用反转式滚柱丝杠门槛高于微型丝杠,核心难度来源于反转式结构的长螺母内螺纹加工,冷挤压工艺仅能加工外螺纹,长内螺纹仅可通过车削、磨削工艺加工,耗时久、良率低;b. 微型丝杠主要应用于灵巧手场景,基本采用正转结构(丝杠旋转、螺母移动),无需加工长内螺纹,加工难度更低;c. 反转式结构体积偏大,会挤占灵巧手狭小的小臂厚度空间,因此不适用于微型丝杠场景。

7、丝杠行业竞争格局与国产替代

·国内主要供应厂商布局:国内丝杠厂商按产品布局可分为三类,各厂商技术特点与业务侧重差异明显:a. 微型丝杠代表厂商:上海迪兹(KDG) 原为日本KSS做代工、代理及丝杠后加工服务,目前微型丝杠技术成熟,已布局大型滚柱丝杠产品线,两类产品均有涉及;诺仕机器人是成立不久的创业公司,专注微型丝杠领域;杭州新坐标为上市公司,旗下子公司九曜八近年切入微型丝杠赛道,自研新工艺适合大批量低成本生产,同时兼顾两类丝杠产品。b. 本体大丝杠代表厂商:恒立液压仅布局人形机器人关节所用大丝杠,不涉及微型产品,技术成熟度较高;常州润福、北方岐山均为大丝杠领域核心供应商;舍弗勒计划在太仓投建大规模生产基地,是国内大丝杠重要供应主体。c. 行业新进入者方面,斯菱股份、双环、北特等企业的丝杠布局偏噱头,未来实际发展空间有限。

·海外厂商布局与市场格局:海外丝杠龙头多集中在传统工业领域,当前全球人形机器人丝杠供应仍以海外厂商为主:a. 海外传统丝杠龙头覆盖全产品线,滚珠丝杠领域代表企业包括日本NSK、THK、黑田、KSS、NTN,德国博世力士乐,瑞典伊维莱,美国汤姆森,台湾上银、PMI、TPI;滚柱丝杠领域基本由欧美企业垄断,代表包括瑞典伊维莱、德国博世力士乐、英国PowerJet、Steinman,瑞士Rovis、GSA,美国Exlar、Nook。b. 全球供应格局方面,特斯拉在美国自建丝杠工厂,同时向沈斯顿采购,仅约一半订单由中国供应;国内本土机器人厂商基本采用国内供应链。c. 海外龙头未布局人形机器人丝杠领域的核心原因:一是原有工业领域业务体量庞大,企业转型决策流程长、转向慢;二是海外供应链以小体量高端作坊为主,无法支撑大批量降本生产的需求;三是海外市场人形机器人产业热度低,缺乏相关投资及布局动力。

·国内外技术差距与替代空间:国内外丝杠技术存在体系化差距,国产替代在人形机器人赛道具备明显优势:a. 核心技术差距体现在耐用性、精度一致性、使用寿命三方面,国内厂商标称可达到对应CN精度等级,但实际使用约2个月精度就会出现衰减,无法支撑工业设备长期稳定运行;差距来自多维度:一是生产设备、夹具需经多轮改造适配,国内相关经验积累不足;二是冷热处理、加工细节等工艺参数依靠长期试错沉淀,国内厂商检测维度仅覆盖螺距误差、波纹度等核心指标,缺乏全维度在线检测能力;三是国产钢材化学成分与海外高端牌号存在差异,底层材料性能不足。b. 替代空间方面,传统工业丝杠领域的技术差距预计10年左右才有望弥补,但人形机器人丝杠领域国内布局领先,海外龙头基本未切入该赛道,国内具备全产业链完善、新工艺研发速度快、成本控制能力强的优势,未来人形机器人丝杠供应链将以国内供应为主。

8、丝杠价格水平与降本趋势

·不同类型丝杠当前价格:不同类型丝杠当前价格差异较大,且受采购规模影响明显:a.人形用T型丝杠,小量采购单价为几十元,量大情况下单价为20-30元;b.本体腿部行星滚柱丝杠,小批量采购单价为1800-2000元,批量采购价为500-800元,市场传闻部分厂商报价低至200-300元,该价位为亏损出货,代表厂商如恒立;c.手部微型滚珠丝杠,小批量采购单价为1000-2000元,产品规格越小生产难度越高价格越高,大批量采购价可降至200-300元;d.手部微型滚柱丝杠目前市场出货量较少,单价为大几百到上千元,价格高于同部位滚珠丝杠产品。

·丝杠价格过往变化趋势:丝杠价格近年下降幅度显著,2023年之前外资品牌(如伊维莱、雪弗乐)的本体滚柱丝杠市场售价为1.5-2.2万元/根,对应生产成本约7000-10000元。2023年国产厂商同类产品生产成本为大几千元,售价低于外资品牌。当前丝杠成本较此前显著下降,核心驱动因素有两点:a.量产规模提升带来的规模效应;b.生产工艺迭代,从传统磨削工艺改为车削、新型成型工艺,生产周期大幅缩短。成本下降幅度与厂商工艺改进能力直接相关,已有厂商实现本体滚柱丝杠成本降至大几百元的水平。

·未来量产降本预期:未来人形机器人放量后丝杠价格仍有下降空间:在采用新工艺的前提下,本体滚柱丝杠未来批量价格有望降至300元左右,但该价位下厂商利润极低;500-800元为兼顾厂商合理利润、下游客户接受度的合理价格区间,该价格水平是人形机器人实现量产商业化的核心前提之一。目前手部微型滚柱丝杠市场极少,仅两家厂商有相关布局,新坐标也在研发布局该类产品但尚未实现量产,未来价格趋势暂不明确。

Q: 人形机器人整机中丝杠的用量分布情况如何?

A: 人形机器人身体部分丝杠用量基本固定为14根,其中每条腿4根、每条胳膊2-3根。灵巧手部分用量取决于自由度设计:早期方案为5-7个自由度对应5-7根丝杠;当前技术将部分功能移至小臂,单手主动自由度提升至约12个,需12根以上丝杠。国内厂商技术路线与国际主流基本一致,本体用量差异较小。

Q: 灵巧手与人形机器人本体在丝杠选型上有何核心差异?

A: 本体主要采用中空反转式滚柱丝杠;灵巧手则聚焦微型化,使用直径Φ3-Φ4级别的微型滚珠或微型滚柱丝杠,加工难度高。此前微型丝杠全球仅日本少数厂商量产,国内实现批量供货的厂商仅1-2家。

Q: 人形机器人中丝杠类型的应用现状及梯形丝杠是否适用?

A: 梯形丝杠因自锁特性、效率低、易磨损且耗电高而不适用。当前主流为滚柱丝杠与滚珠丝杠。本体已基本统一采用反转式行星滚柱丝杠;灵巧手方案尚未统一,存在微型滚珠、循环式滚柱、微分滚柱等多种技术路线。

Q: 滚柱丝杠主要分为哪些类型?各自特点与应用场景是什么?

A: 滚柱丝杠主要分为五类:常规行星滚柱;反转式行星滚柱;差分式;循环式;微分式。人形机器人本体采用反转式,灵巧手方案多样。

Q: 灵巧手领域未来可能主流采用哪种丝杠类型?行业是否存在共识?

A: 当前微型滚珠、微型滚柱及循环式滚柱均有应用,尚未形成统一共识。理论层面,因灵巧手丝杠轴径极细,点/线接触差异有限;滚珠丝杠在散热、脂润滑适应性、噪音及维护方面更具优势,更适合高频使用场景。但滚柱可实现更小导程,最终路线将取决于成本、工艺成熟度与实测可靠性。

Q: 近期人形机器人丝杠订单量变化趋势如何?

A: 丝杠订单量较前期有所增长,但增幅不及市场预期。部分海外订单由客户在美国自建工厂生产,未完全导入中国供应链;国内真正实现批量供货的厂商较少,多数处于送样验证阶段。本土机器人厂商的关节模组供应链基本由国内企业满足。

Q: 客户采购人形机器人用丝杠时最关注哪些核心参数?

A: 客户核心关注效率、噪音及寿命。生产效率与工艺know-how为隐性竞争点。传动精度在人形机器人场景中非关键参数,因应用不涉及高精密定位。

Q: 当前人形机器人用丝杠的效率与寿命参数实际水平如何?

A: 本体用反转式滚柱丝杠实测效率约77%-80%,行业正努力提升1-3个百分点;滚珠丝杠效率约87%-89%。寿命基于CA值与实际负载计算理论值,但真实工况导致实测寿命波动较大,部分测试仅达理论值一半。制造精度提升使部分产品可接近理论寿命,但复杂工况下表现仍存差异。

Q: 丝杠领域的主要技术壁垒体现在哪些方面?微型与本体丝杠壁垒有何差异?

A: 核心壁垒在于专用设备自研、精密设计、工艺一致性及全流程检测体系。本体丝杠早期受限于高精度螺纹磨床缺失,现聚焦工艺稳定性与新工艺降本;微型丝杠逼近加工极限,需自研超微型设备,涉及微米级钢球选型、循环器设计、在线检测等,产业链配套薄弱。材料与热处理工艺细节亦为关键差异点。

Q: 微型丝杠与本体用反转式滚柱丝杠,哪种工艺难度更高?

A: 在大型丝杠领域,反转式滚柱因螺母内螺纹加工长度大,难度高于常规滚珠丝杠;微型丝杠领域当前多采用正转式结构,其难度集中于超微型设备自研、钢球循环设计及精密检测,属不同维度挑战,整体工艺门槛均显著高于传统工业丝杠。

Q: 请介绍微型丝杠、本体丝杠领域及双线布局的代表性企业。

A: 微型丝杠领域:上海迪兹、诺仕机器人、杭州新坐标。本体丝杠领域:恒立液压、常州润福、北方崎山;海外含舍弗勒。双线布局企业包括迪兹、新坐标等,但各厂商仍有侧重。工业级海外龙头在人形机器人领域参与度低。

Q: 当前人形机器人丝杠全球供应链格局如何?国产替代空间与驱动力何在?

A: 全球供应链仍以海外为主,中国承接约半数订单但批量供货厂商有限;本土机器人厂商供应链基本实现国产化。国产替代空间较大,主因海外工业巨头战略重心在传统工业领域,缺乏人形机器人量产降本动力;中国厂商在冷挤压等新工艺、产业链配套、创业响应速度上具优势,且海外供应链灵活性与成本结构难以匹配人形机器人放量需求。

Q: 国产丝杠与海外龙头产品的主要差距及弥补时间预期?

A: 国产丝杠在耐用性、精度保持性及批次一致性上存在差距:标称精度短期使用后易衰减,实测寿命与稳定性不及进口产品。根源在于设备改造经验、热处理工艺细节、钢材成分差异及检测体系。弥补基础工业级差距预计需较长时间;但在人形机器人专用丝杠领域,因海外厂商未重点投入,国内通过工艺创新已实现应用级突破。

Q: 人形机器人领域国产丝杠相比海外供应商是否具备竞争力?

A: 在人形机器人专用丝杠(各行业公司调研纪要星球:73292698)领域,国内厂商因持续投入与工艺创新已形成先发优势;海外工业巨头未将该领域作为战略方向,缺乏量产降本动力。中国供应链在成本控制、响应速度及产业链配套上具显著优势,当前国产丝杠在性价比与定制化方面可满足商业化需求,具备实际竞争力。

Q: 不同类型丝杠的当前价格水平及未来价格趋势如何?

A: 梯形丝杠批量价约20-30元/根;本体用行星滚柱丝杠当前批量价500-800元/根,早期外资售价1.5-2.2万元;灵巧手微型滚珠丝杠批量价200-300元/根,微型滚柱丝杠价格更高。价格下降核心依赖新工艺。若人形机器人放量,本体丝杠合理价格区间预计500-800元/根,灵巧手丝杠因供应商少、工艺难度高,降价节奏待观察。

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