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人形机器人：线性关节四大核心零部件，产业格局全梳理

不见利就追

公社达人

2023-07-08 17:57:58

7月6日，2023世界人工智能大会在上海开幕。作为科技圈的明星代表，特斯拉首次应邀参展，现场展示了Tesla Bot人形机器人。

该人形机器人身高172cm，体重56.6kg，就是一个正常成年人的身形。机器人全身拥有28个自由度，就如同人体的关节。手部有11个自由度，可以更加灵活的抓握，且力大无比，可以单手举起一台钢琴。

马斯克认为，现在可能是人类历史上最深刻的一个时期，特斯拉的人形机器人还在开发阶段，处于比较早期的阶段，但未来将会有非常多的机器人。在现在看来，机器人和人类的比例在某个阶段将会超过1:1。

特斯拉机器人硬件部分三大核心部位在于旋转关节、线性关节、手部关节。

旋转关节：采用旋转式驱动器，主要由电机+谐波减速器+位置传感器+力矩传感器构成。

线性关节：采用线性驱动器，主要由无框力矩电机/步进电机+行星滚柱丝杠/滚珠丝杠+力矩传感器+编码器+轴承组成。

手部关节：由空心杯电机+螺纹丝杠+精密行星齿轮箱+编码器。

特斯拉驱动器图示：

资料来源：Tesla AI Day2022 发布会

其中，人形机器人的线型关节是实现机器人运动和动作控制的核心部件，包括行星滚柱丝杠、灵活传感器和智能编码器等。行星滚柱丝杠作为一种精准传动装置，具有高精度和高刚度，已经在机器人领域得到应用；灵活传感器可以适应不同的形状和变化，用于机器人的接触感知和力控制；编码器作为伺服系统的反馈装置，很大程度上决定伺服系统精度。

01 无框力矩电机

无框力矩电机一种特殊的力矩电机，但没有轴、轴承、外壳、反馈或端盖，只包含转子和定子。

定子是外部部件，外面包覆着能产生电磁力的铜绕组，整体紧凑地安装在机器外壳的主体内；转子是内部部件，由带永磁体的旋转钢圆环组件构成，直接固定于机器轴上。

人形机器人关节体积有限，需要在有限的体积内实现尽可能高的功率密度，从而达到最好的效果。无框力矩电机集成到机器人结构中，能够最大限度减小电机占用空间。

无框力矩电机能够很好地集成于机器人关节：

资料来源：特斯拉发布会

无框力矩电机相较于标准伺服电机技术难度更高，因为无框力矩电机属于低压电机，但其要求输出的功率较大，同时又要求体积较小，便于安装和节约空间。

从收入体量看，海外品牌实力强劲，国产品牌规模仍较小。

国外参与企业主要是科尔摩根、Moog、Maxon Motor等。

国内具有先发优势的厂商主要有步科股份、昊志机电、汇川技术、禾川科技等。

步科股份全新第三代FMC 无框力矩电机系列系自主研发设计，性能优于同业产品，产品尺寸可实现与国际接轨，相较于外资品牌成本优势明显，且可提供定制化解决方案。

昊志机电的 DD直驱电机运用独创的模块化定子结构、创新设计的电机冷却结构，使得电机的冷却效率最大化，进而提升了电机的输出特性。

02 行星滚柱丝杠：国产替代蓝海市场

机器人传动装置包括齿轮传动（圆柱齿轮传动、锥齿轮传动、齿轮链传动、齿轮齿条传动、蜗轮蜗杆传动等）、丝杠传动、行星齿轮传动和RV减速器传动外，还常用柔性元件传动（谐波齿轮传动、绳传动和同步齿形带传动等）。

其中滚珠丝杠在机器人上大量应用（低成本机器人也会采用普通丝杠）。

行星滚柱丝杠最早在1942年发明，但是由于结构复杂、加工难度大和成本高，一直没有得到广泛应用。

相比滚珠丝杠副，行星滚柱丝杠在承载能力、传动效率、寿命方面具有显著优势，基于行星滚柱丝杠开发的电动缸性能更优。

行星丝杠与滚珠丝杠主要的区别在于负载的传递单元使用螺纹滚柱而不是滚柱。

行星丝杠通过螺纹滚柱来传递负载：

来源：《行星滚柱丝杠副产品产业化应用分析》

人形机器人、精密机床等行业的发展带动了国内企业在行星滚柱丝杠方面的投入。

特斯拉“Optimus”采用行星丝杠作为下肢的线性驱动器：

国内行星滚柱丝杠目前还处于早期阶段，生产难度较大，国内企业较少布局。近年来以华中科技大学、西北工业大学、南京理工大学为代表的高校力量逐步推动底层研究。

中国目前的主要参与企业包括秦川机床、鼎智科技（江苏雷利子公司）、新剑传动等厂商。

秦川机床子公司汉江机床在滚柱传动系统方面布局较早，2014年汉江机床取得整体注塑滚柱直线导轨副专利。此后，公司进一步拓展滚柱导轨类新产品，并逐步就滚柱丝杠副进行研究。2020年，汉江机床完成滚柱直线导轨副等15项丝杠产业新产品开发，完成滚柱丝杠副可靠性试验等基础性能试验5项。

鼎智科技产品包括线性执行器、混合式步进电机等，是全球线性执行器产品领域内较少数具备丝杠部件和螺母部件独立生产能力的企业。其中，公司线性执行器包括滑动丝杠、滚动丝杠，行星滚柱丝杠。公司在微型行星滚柱丝杠的研发与生产上已有里程碑式达成。该产品与滚珠丝杠相比负载能力更高、使用寿命更长，可以适应更极端的环境；与梯形丝杠相比精度和效率更高。

新剑传动公司行星滚柱丝杠电动缸产线系列产品已于2022年3月实现批量化生产。该产品是省级首台套，替代进口卡脖子工程，将成为液压驱动、滚珠丝杠电动缸的未来技术主力替代方案。公司建有国内行星滚柱丝杠首条批量化生产线，行星滚柱丝杠已建成350万套的批量化生产能力，并在汽车行业首先进行了应用。