在人形機器人行業飛速發展的今天，要說產業鏈中最重要的增量市場，那必然離不開行星滾柱絲杠。

行星滾柱絲杠最早在20世紀40年代被發明，最初應用于航空航天等領域。這種精密的傳動部件通過行星傳動和螺紋滾柱的結合，實現了高負載和高精度的傳動效果。

然而，由于其加工難度大、成本高，長期以來市場規模相對較小。直到近兩年人形機器人行業的爆發，行星滾柱絲杠才逐漸受到更廣泛的關注。

那么，行星滾柱絲杠究竟在人形機器人中扮演著怎樣的角色？在發展過程中又面臨著哪些挑戰？開普勒機器人硬件研發總監張敏梁在近期的一場技術直播中進行了精彩分享。

01.

兩大巨頭驗證，

人形機器人最具潛力核心零部件

據張敏梁介紹，行星滾柱絲杠是一種將旋轉運動轉化為直線運動的精密傳動部件，通過“行星傳動+螺紋嚙合”的復合原理實現高負載、高精度傳動，具有多體、多副、多點的運動特點。一般可分為5類，分別是標準式、反向式、循環式、軸承式及差動式。

業內通過對各型行星滾柱絲杠優缺點進行綜合分析發現，行星滾柱絲杠在尺寸、承載能力、壽命、噪音等多個方面表現優秀，反向式行星滾柱絲杠更是與人形機器人的關節運動高度適配。

以特斯拉人形機器人為例，Optimus共選用14個行星滾柱絲杠，主要分布在機器人的大臂（2個）、小臂（4個）、大腿（4個）和小腿（4個）部位。通過優化行星滾柱絲杠的設計和制造工藝，Optimus在負載能力、運動精度和能效方面都有出色表現。

除特斯拉外，開普勒是國內率先自研并且批量將滾柱絲杠執行器應用在人形機器人上的企業。

開普勒在人形機器人領域起步較早。2023年11月，開普勒正式對外發布搭載了其自研行星滾柱絲杠執行器和旋轉型執行器的先行者系列人形機器人，成為全球第二家成功自研多種型號行星滾柱絲杠執行器，并將其成功應用于機器人本體的企業。

從2023年公司成立起，歷經多次迭代，開普勒于去年四季度發布了第五代量產版的人形機器人K2“大黃蜂”，目前正圍繞該產品做改善和量產沖刺準備。

據了解，開普勒K2“大黃蜂”身高175厘米，重量75公斤，全身加上靈巧手共52個自由度，強調仿生概念，開普勒K2“大黃蜂”采用自研行星滾柱絲杠執行器，其獨有的運動特性，可以達到動態作業提升節能率，靜態功耗近乎歸零，為機器人的續航能力提供保障。

經實測，K2“大黃蜂”憑借創新的“串并聯結構”設計與自研滾柱絲杠執行器相結合，其單臂負載達15千克，雙臂協同負載30千克，能夠充電1小時，連干8小時，覆蓋工業場景中幾乎所有手工搬運需求。

此外，開普勒也自研了峰值扭矩達220N.m的旋轉執行器，該執行器通過高扭矩電機結合智能算法，為人形機器人提供了強大驅動支持、持久輸出和更高效穩定的運行，其重復定位精度能達到0.01度。

在之前的張江具身智能開發者大會上，開普勒K2“大黃蜂”在“人形機器人工業應用場景挑戰賽”中，以20kg負載記錄勇奪冠軍，展現了行星滾柱絲杠在人形機器人中的巨大潛力。

02.

大負載、高精度、長續航，

打造人形機器人“鋼鐵身軀”

行星滾柱絲杠為何能得到特斯拉與開普勒的青睞？開普勒硬件總監張敏梁表示，行星滾柱絲杠在人形機器人中的優勢可概括為三大點：大負載、高精度、長續航。

首先，大負載。行星滾柱絲杠采用線接觸方式，相比傳統的滾珠絲杠（點接觸），能夠承受更高的靜態和動態負載，其承載能力比同規格的滾珠絲杠高出3-6倍，最高超過10倍。

其次，高精度。行星滾柱絲杠的螺紋結構設計采用了小導程角的非圓弧螺紋，能夠實現極高的傳動精度，可使導程精度達到較高水平。行星滾柱絲杠通過嚙合滾柱產生線接觸滾動摩擦，與滾珠絲杠的點接觸相比，線接觸方式在傳動過程中能更均勻地傳遞力和運動，減少因接觸點少而產生的局部誤差和受力不均現象，從而提高運動精度和穩定性。

再有，長續航。機器人工作過程中，小負載工作時長占比大，直線執行器在不同負載條件下效率波動較小，而諧波執行器的傳動效率受負載影響較大，在小負載條件下諧波執行器能耗偏高；直線執行器因為行星滾柱絲杠在機器人關節保持不動或承受反驅負載時具有較好的“自鎖”性能，電機能耗減小，而旋轉執行器承受反驅負載時能耗更大，因此直線執行器綜合能耗更小。

例如，開普勒K2“大黃蜂”便充分利用直線執行器反驅制動的特性，合理進行動作控制策略優化，能夠實現“充電1小時，連干8小時”。通過行星滾柱絲杠的直線運動，結合連桿機構設計，K2“大黃蜂”能夠實現類似人類肌肉的伸縮運動，從而更靈活地模擬人類姿態和動作。

03.

攻克技術難點，

探索人形機器人領域無限可能

由于行星滾柱絲杠售價較高，目前整體市場規模還相對較小，特別是國內市場才剛剛起步。數據顯示，2022年全球行星滾柱絲杠市場規模約12.7億美元，主要應用于汽車、數控機床、工程機械等行業，預計2024年超過15億美元，我國行星滾柱絲杠市場規模僅在4.5億元左右，占全球規模不到5%，市場體量更是微不足道。

在實際應用中，行星滾柱絲杠方案也面臨著一些挑戰。例如：

加工難度高：反向式行星滾柱絲杠的螺母較長，螺紋加工精度要求極高，需要多達120道工藝才能完成。其螺距誤差需控制在±3微米以內，螺旋線角一致性誤差需小于10角秒，傳統加工設備難以滿足要求。

材料性能要求高：行星滾柱絲杠工作在高負載、高溫等惡劣工況下，需要材料具備高硬度、高耐磨性和良好的熱穩定性。目前常用的軸承鋼在高溫下硬度會下降，導致磨損加劇。

裝配與檢測復雜：行星滾柱絲杠的裝配需要保證多個滾柱與絲杠、螺母的同步嚙合，裝配精度要求極高。檢測方面，由于其螺紋結構復雜，傳統的檢測方法效率低下，且檢測環境要求苛刻。

成本投入高：行星滾柱絲杠的加工設備昂貴，生產周期長，廢品率和返工率較高，導致其成本居高不下。目前，其加工設備單價高，且加工工序繁多，生產周期長達數周。

值得一提的是，開普勒通過自主研發和創新，逐步攻克了行星滾柱絲杠在設計、加工、檢測和成本方面的難題。

高精度行星滾柱絲杠參數匹配技術是其中的關鍵。執行器的傳動精度直接影響人形機器人的運動精度及承載能力。開普勒以設計端參數匹配設計方案指導生產過程，提高行星滾柱絲杠副多點、多體、多副運動的一致性問題，在解決傳動精度問題的同時，提高機器人運動一致性和承載能力。

在材料與設計方面，為了兼顧高速與高負載的需求，開普勒對行星滾柱絲杠的結構進行了優化設計，通過采用新型材料和創新的結構形式，在保證高承載能力的同時，減輕了機器人的整體重量，提高了其靈活性和響應速度。開普勒也探索了更穩定的材料，以提升行星滾柱絲杠在高溫環境下的性能。

在成本方面，現階段行星滾柱絲杠生產良品率與生產效率低且單價高，這限制了其大規模應用。開普勒在2022年便注意到到行星滾柱絲杠在人形機器人中的應用前景，走自研自制之路，與國內設備廠家合作，打破現有通用工藝方式，積極探索新的制造工藝，通過解決絲杠副冗余運動的不一致性與成產效率低等問題，從而提高行星滾柱絲杠性價比，這也為開普勒人形機器人的大規模商業化生產奠定了堅實的基礎。

此外，公司還建立了完善的檢測標準和規范，以確保產品質量的一致性。行星滾柱絲杠作為開普勒人形機器人的核心部件，不僅為其機器人提供了強大的動力支持和精準的運動控制，還通過其獨特的優勢為開普勒人形機器人在工業、特種行業和科研教育等領域帶來了廣闊的應用前景。盡管面臨諸多挑戰，但開普勒機器人憑借其技術實力和創新能力，正在逐步克服這些難題，為人形機器人產業的發展帶來無限可能。

04.

結語與未來

隨著人形機器人技術的不斷發展，行星滾柱絲杠作為核心零部件的重要性將日益凸顯。開普勒將繼續在這一領域深耕，通過技術創新和工藝改進，進一步提升行星滾柱絲杠的性能和可靠性。未來，開普勒計劃將行星滾柱絲杠應用于更多場景，包括服務行業和家庭場景，推動人形機器人技術廣泛應用。

在可預見的未來，隨著市場需求的不斷增長和技術的進一步成熟，開普勒等攻克這一關鍵肢體技術的人形機器人企業也將迎來更廣闊的發展空間，推動我國人形機器人產業走向世界前列。

免責聲明

文章來源：中國機器人網
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