机器人研究系列16-从手部微型丝杠进展谈新坐标的几个预期。
$新坐标(SH603040)$ $XD浙江荣(SH603119)$ $雷迪克(SZ300652)$
【新坐标-手部微型丝杠研究】
A. 特斯拉机器人手部方案研究：
1. 手共有24个自由度：人手 24 个自由度包含拇指5个自由度，其余 4指各 4 个自由度，另外手腕2个，手掌1个。
2. 特斯拉手部自由度：
a) GEN1:特斯拉人形机器人第一代单手拥有 6 个自由度。
b) GEN2:第二代 11 个自由度。
c) GEN3: 第三代 22 个自由度。驱动器装载在了手腕部位。若远指关节和近指关节耦合，则需要 17 个主动自由度，若不耦合则最多需要 22 个主动自由度；每个主动自由度对应所需微型丝杠为1个。在如上自由度假设下，特斯拉单手需要 17-22 个丝杠。
d) 特斯拉单个主动自由度配备了1个微型电机+1个微型丝杠+1个腱绳+1 个传感器。
B. 手部方案研究：
1. 传统传动：腱绳+连杆传动为行业主流
1) 腱绳传动：腱绳通过模仿人的肌腱进行传动，是目前灵巧手研究中应用最广泛的传动方式，具有远距离传动、传动效率高、可自适应抓取等优势，但同时存在精度有限、生产难度大、寿命较短等弊端。
2) 连杆传动：连杆传动多采用平面四杆机构传动，铰链将各构件相互连接，通过各个连杆实现运动变换和动力传递，具有负载力强、精度高、生产成本低等优点，但也具有结构冗杂、灵活度低、抗冲击性差等不足。
2. 新型传动：微型丝杠唤醒传动新生，微型丝杠+腱绳复合传动有望成为灵巧手主流
1) 微型丝杠+腱绳复合传动：
a) 原理：为顺应灵巧手高精度、高稳定性的趋势，微型丝杠被逐步引入灵巧手传动中，微型丝杠+腱绳复合传动有望成为未来灵巧手传动主流方案。在该复合传动方案中，置于灵巧手前臂中的电机通过齿轮箱驱动滚珠丝杠，并通过滚珠丝杠上的螺母将转动转化为平动。螺母旋转带动套在其上的腱环旋转，拉动连接在灵巧手手指指骨上的腱绳，实现手指绕关节轴的转动运动。
b) 特斯拉方案：前微型丝杠+腱绳复合传动的方案已应用于特斯拉 Optimus 灵巧手中。Optimus 灵巧手采取驱动器外置的三级传动方案，该方案在一级传动中采取行星齿轮箱，二级传动中采取传动精度更高的丝杠作为线性运动的零部件，由于手臂模组到手指的距离较远，三级传动依然选择了腱绳的方案。
c) 微型丝杠+腱绳复合传动方案的优点：灵巧手的传动系统中，微型丝杠与腱绳的复合传动呈现加乘效应：丝杠凭借高精度、低摩擦特性实现刚性关节的精准定位，腱绳则通过柔顺性适应多自由度运动和复杂场景。两者功能互补——腱绳弥补丝杠灵活性不足，丝杠解决腱绳的精度衰减与张力控制难题，协同突破单一传动在动态响应、负载能力等方面的局限。通过结构优化，丝杠承担高精度线性驱动，腱绳负责空间运动传递与缓冲，显著提升整体性能。
2) 微型丝杠目前有三种方案：根据工作原理，丝杠可分为滑动（梯形）丝杠、滚珠丝杠、行星滚柱丝杠三类
a) 梯形丝杠：因其牙型截面为梯形而得名。梯形丝杠通过滑动摩擦进行传动，工作时温升较大且磨损严重，使用寿命和传动速度较低。
b) 滚珠丝杠：相较于梯形丝杠具有更小的摩擦系数，效率和精度更高，能够提供高速供给,被广泛应用于汽车、数控机床、机械等行业。
c) 行星滚柱丝杠：以滚柱代替滚珠，在传动效率、精度等方面较滚珠丝杠实现性能进一步提升，是灵巧手传动的首选丝杠类型。
3. 滚珠丝杠：
1) 组成：滚珠丝杠一般由螺杆、螺母、钢球、预压片、反向器、防尘器六个部分组成
2) 通常情况下，电机作为动力源，通过联轴器将旋转力矩传递给丝杠，当丝杠受到旋转力的作用时，螺母与丝杠之间螺纹配合，螺母在丝杠上沿轴向移动，实现将旋转运动转化为平移运动。
C. 滚柱丝杠研究：
1. 组成：行星滚柱丝杠是一种高精度、高效率的传动装置，主要由滚柱、丝杠、螺母、内齿圈和保持架构成。
2. 工作原理：基于滚动摩擦，通过滚柱在丝杠和螺母之间的行星运动实现运动和力的传递。具体而言，滚柱在丝杠和螺母的螺纹牙之间滚动，同时与两者的螺纹牙啮合，从而将旋转运动转化为直线运动，使螺母沿丝杠的轴向做平移运动，同时保持架和内齿圈分别承担着定位支撑和动力传输的作用。这种设计不仅显著降低了摩擦损耗，还提高了传动效率和精度。
3. 与滚珠丝杠相比的优势：
1) 体积更小，尺寸减小1/3：从尺寸上看，由于导程与行星滚柱丝杆的节距成函数关系，行星滚柱丝杆导程可低于 0.5mm，在相同载荷的情况下，行星滚柱丝杠体积比滚珠丝杠小 1/3的空间。
2) 承载力提高3-10倍：从承载能力上看，行星滚柱丝杠能够将承载力平均分散在更大的表面，其承载力比同规格滚珠丝杠副高出3倍以上（最高超过 10 倍）。
3) 寿命增加15倍：从寿命上看，行星滚柱丝杠承载力分散，可减小摩擦力，根据 Hertz pressure(赫兹压力)定律，行星滚柱丝杠能承受的静载为滚珠丝杠的3倍，寿命是滚珠丝杠的15倍。
4) 噪音大幅下降：噪音上看，滚珠丝杠内的珠子在辊道内需要在某一点上做方向切换，而滚柱则与主丝杠同步做圆周运动，因此行星滚柱丝杠振动和噪音和噪声更小。
4. 滚柱丝杠分类：
1) 标准式行星滚柱丝杠是目前应用最广泛的类型。适用于环境恶劣、高负载、高速等场合。
2) 反向式行星滚柱丝杠用于中小负载、小行程和高速的应用场景。
3) 循环式行星滚柱丝杠在高刚度、高承载、高精度的场合下得到广泛应用。
4) 差动式行星滚柱丝杠可应用于传动比较大，承载能力较高的情境下。
5) 轴承环式行星滚柱丝杠则多应用于高承载、高效率等场合。
5. 滚柱丝杠价格：
1) 根据两种微型丝杠的性能比较，可以看出行星滚柱丝杠在承载力、使用寿命、效率等方面均优于滚珠丝杠，但价格仍是阻碍行星滚柱丝杠生产应用的最大壁垒。
2) 行星滚柱丝杠价格：以全球最大的行星滚柱丝杠公司之一 Rollvis 为例，Rollvis 单个行星滚柱丝杠价格约2000元/个，且国内尚不具备批量生产能力。
3) 滚珠丝杠价格：滚珠丝杠国产化进程已初步完成，国内产品价格已从2014 年的 225 元/个下降至 2020 年的 185 元/个，远低于行星滚柱丝杠。
6. 滚柱丝杠价格高的原因：
1) 国产化率低：目前世界范围内生产行星滚柱丝杠并参与市场竞争的厂家主要有：Ewellix、Rollvis、GSA、Rexroth、CMC、南京工艺、济宁博特、优仕特等，以外资为主，2022 年国产化率不足 10%。
2) 市场需求有限：IHS Market 根据 2019 年数据进行预测，2022 年全球行星滚柱丝杠销售数量预计为 86000 个，其中中国预计销售 10000 个。市场需求不足导致无法形成量产摊薄制造成本。
3) 生产工艺复杂：行星滚柱丝杠从生产工艺角度区分为轧制滚柱丝杠和研磨滚柱丝杠，其中研磨法生产的滚柱丝杠性能高但成本也相对较高，目前人形机器人中的行星滚柱丝杠多采用此种方法进行制造，导致成本较高。
7. 滚柱丝杠目前原材料不是问题：
1) 行星滚柱丝杠在工作时需要承受较大的轴向力和扭矩，合金结构钢如 42CrMo 具有较高的屈服强度和抗拉强度，能够保证丝杠在承受高负荷时不发生变形或断裂，确保传动的准确性和稳定性。
2) 行星滚柱丝杠的螺母和滚柱则采用高碳铬轴承钢 GCr15 作为原材料。
3) 产制造商和原材料供应商在基础材料端的研发、应用已经实现突破。在材料研发方面，第三代轴承钢已经具备较强的耐高温、耐腐蚀性，第四代轴承钢将聚焦于其耐极端高温和轻量化的特性，目前尚处于科研与开发阶段。一些新钢种的成功研发填补了国内高端轴承钢领域的空白。
【新坐标-手部微型丝杠竞争对手对比研究】
A. 人形机器工艺路线研究：
1. 目前精密丝杠加工主要分为车铣磨、冷锻+磨削两类工艺路线。其中车铣磨工艺路线又分为磨削、硬态车削、旋风铣削。
2. 磨削：目前磨削工艺为市场上精密丝杠加工的主流技术方案，精度可达 P0-P1 级，为超精密丝杠主流工艺，但工序复杂、效率偏低。
3. 硬态车削：较低精度领域则采用半精加工方案如硬态车削和旋风铣削。硬车（P2-P3 级，Ra<1.6μm）效率优于磨削，但存在刀具损耗问题。
4. 旋风铣削（P3 级，Ra≈0.4μm）兼顾效率与表面质量，但高精度领域仍依赖磨削，且需关注铣刀寿命。
5. 冷锻：冷轧通过模具塑性变形高效成形，但精度较低（P5-P10 级），表面粗糙度 Ra 值 0.8-1.6μm，需要通过磨削进一步精加工以提升产品精度。
B. 微型丝杠加工与维护难度比普通丝杠更大：
1. 功能上，微型丝杠的设计初衷是为了满足高精度、高灵敏度的需求；普通丝杠主要承受较大的负载，完成大范围的位移，因此相比普通丝杠，微型丝杠在应用场景、材料选型、热处理、安装和维护上有很大不同。
2. 从应用场景上看：微型丝杠范围更窄。微型丝杠的设计初衷是为了满足高精度、高灵敏度的需求。微型丝杠的螺纹非常细密，能够提供非常平稳的运动和精准的控制。
3. 材料上看：微型丝杠由于工作环境相对精密，对材料的要求很高。其通常采用高硬度的合金钢或者不锈钢，能够在长期使用中保持高精度和耐磨性。
4. 从热处理上看：是微型丝杠的生产痛点。热处理工序是为了给丝杠校直，防止弯曲变形。但是校直本身会产生内应力，而内应力有逐渐消失的倾向。由于内应力的消失会引起丝杠的变形，这就影响了微型丝杠精度的保持。
5. 从安装上和维护上看：微型丝杠的难度也相对较高。由于它体积小、精度高，在安装时需要非常精密的对准和校正，稍有偏差就可能影响整个系统的运行。而普通丝杠相对简单，虽然也需要精准安装，但尺寸更大，误差容忍度也更高。
C. 不同技术路线下的竞争玩家：
1. 研磨法：精度高，能够做到 C0，并且产品寿命长、运行噪音较低。但是研磨法工艺繁杂，加工耗时长，导致成本很高。使用研磨法进行加工的典型是 GSA。该公司通过一系列收购，完成了对使用研磨法加工行星滚柱丝杠的厂商的垄断。
2. 轧制法：精度较低，一般只能做到 C7，寿命较短，运行噪音较高，但是加工时间非常短，对成本能够进行有效控制。国内诺仕机器人采用轧制法，能够在微小型丝杠上做到 C5 精度，且打样时间可以控制在两周内。
3. 同时采用研磨法和轧制法进行微型丝杠的加工，例如：日本 KSS、THK，国内 KGG、TGB等。
4. TGB（雷迪克）：誊展精密科技诞生于台湾中部精密加工重镇。其自主品牌为 TGB，主要服务于研发设计 XXY 系列对位平台、滚珠丝杆、直线导轨等，目前全系列产品品项超过 100 种。该公司设有 4000m² 的制造工厂，以发展高精密直线传动产品为主要目标，生产的滚珠丝杆精度可达 JIS 标准的 C0 级，产品水准与国际级品牌相当。产品通过多国认证，行销世界各地。
雷迪克：现金1.35亿元收购誊展精密51%股权。誊展精密成立于2012年7月,专注于滚珠丝杆、行星滚柱丝杆、精密直线模组滑台、精密对位平台、精密气浮平台、微型电动滑台等研发、生产和销售。创始人杨总来自中国台湾，技术团队具备台系成熟丝杠制造经验（台湾地区是上银、银泰等全球一流丝杠厂产业聚集地），标的公司收入体量7-8000万元。
D. 主要竞争玩家介绍：
1. 德国舍弗勒集团是一家全球性的汽车和工业产品供应商，生产用于动力总成和底盘应用的高精度组件和系统，以及用于大量工业应用的滚动轴承和滑动轴承解决方案。
1) GSA：GSA 是舍弗勒控股子公司，在装配、加工工艺、材料及热处理工艺上有深厚的积累，其前身 Gewinde Zaire AG 公司自 1932 年以来一直致力于螺纹磨削，能够制造任何类型的螺纹。GSA AG 一直从事高精度行星滚柱丝杠（RGT）的生产，其设备可以为中小型工件进行包括内圆、外圆、侧面的磨削工艺。最小主丝杆直径，3.5mm（滚柱），导程精度，C0-3（滚柱），导程范围0.5-50mm。
2) ROLLVIS：2017 年，舍弗勒收了瑞士 ROLLVIS。ROLLVIS 是成立于 1970 年的瑞士另一家行星滚柱丝杠公司；并购之后 GSA 公司综合实力和制造能力进一步提升。最小主丝杆直径，1mm（滚柱），导程范围0.1-50mm。
3) 根据 GSA 及其收购公司的官网数据，公司目前已经批量生产螺杆直径为 3.5mm 与 5mm 的微型行星滚柱丝杠，其转速最大能够达到 6000 转，精度范围保持在 G1-G3。
4) 根据王有雪《E 公司滚柱丝杠产品营销策略研究》和上海欧克电子科技有限公司的数据，2022 年，GSA 公司在中国行星滚柱丝杠市场份额高达 52%，其中 Rollvis 市占率 35%。
2. 浙江荣泰（KGG）：
1) KGG 成立于 2008 年，与日本 KSS、台湾 CPC 达成深度合作，成为当时率先采用日本品质标准进行轴端加工的国内厂家。2014 年，电气部门的成立，标志着上海狄兹开始转型成为整体工程解决方案提供商。2016 年成功成为 Apple 供应链中的一员，并成为日本知名品牌的单轴机械手 OEM 工厂。
2) 公司的打样时间控制在一周内，批量交货则是 20-30 天。
3) 在 2024 年北京机器人展览上，KGG 展出 4mm 直径的行星滚柱丝杠，以及直径 1.8mm 的行星滚珠丝杠；此外 KGG 还展出了集成了行星滚柱丝杠方案的灵巧手。
4) 滚珠丝杠的批量订单价格在400-500块左右，预计未来能做到200块/根。
5) 行星滚柱丝杠:
a) 目前主要给特斯拉送样，还未有反馈，主要是做关节用的大丝杠，后续可能会通过荣泰和小鹏机器人做接触。
b) 目前给到客户验证的话，狄兹的样品价格在1-1.5w/根。
c) 狄兹在行星滚柱丝杠上有2000套/月的生产能力。
3. 诺仕机器人：
1) 诺仕机器人是一家以独特的轧制工艺制造高精度行星滚柱丝杠的中国公司。公司采用了独特的高精度金属成型工艺，可以满足行星滚柱丝杠 C5 精度稳定量产，实现低成本完成高强度、高耐久和高精度产品的生产交付，为具身机器人产业量产、汽车及智能制造产业提供可靠的解决方案。
2) 诺仕机器人于 2024 年 8 月份北京世界人形机器人大会上首发了全球最小的可量产行星滚柱丝杠，一些头部人形机器人公司开始采用该解决方案，最小外径可以做到 6.5mm，丝杠 2.5mm，行程能做到 50mm 以上，最大负载可达 30kg 左右，且丝杠精度达 C5 级别，是目前体型最小，该体型负载最大的行星滚柱丝杠（内有 6 个滚柱围绕主丝杠）。
3) 进一步，公司还研发出更加小型的尺寸。其丝杠直径仅为 1.6mm，螺母直径 6mm，寿命 300 万次以上，极大增加了线性执行器空间利用率，为灵巧手等狭小空间精确控制提供线性执行器方案，解决绳驱寿命差、梯形丝杠效率低、连杆负载不够等问题。
4) 在价格方面，机器人关节用反式行星滚柱丝杠与汽车 EMB 滚柱丝杠已是诺仕机器人的成熟产品，10 万套时的报价可分别低至 483 元人民币与 345 元人民币。
5) 交付周期方面:打样时间低至 14 天，现有工厂可年产 50 万套滚柱丝杠。
4. 其他：
1) KSS：最小主丝杆直径，1.8mm（滚珠），导程精度C0-C5（研磨）/C7（冷锻），导程范围0.5-30mm。
2) THK：最小主丝杆直径，4mm（滚珠），导程精度C0-C5（研磨）/C7-C10（冷锻），导程范围1-20mm。
3) TGB（雷迪克）：最小主丝杆直径，1.8mm（滚珠），导程精度C3-C5（研磨）/C5-C7（冷锻），导程范围0.5-50mm。产能:目前丝杠综合产能为月产4-5万套(包含对位平台所需丝杠);其中灵巧手微型产能约2万套，计划2026年提升至每月5-6万套，一两倍产能增长。
E. 总结：
1. 结论一：手部微型滚柱丝杠凭借其更小的尺寸（减小三分之一），更高的承载力（提高3倍），更长的寿命（增加15倍），更低的噪音（大幅下降）等各种优势，未来是机器人手部方案的主流。
2. 结论二：微型丝杠加工与维护难度比普通丝杠更大，可以认为微型丝杠技术水平做的好的厂家，做关节大型丝杠也是降维打击。
3. 结论三：目前主流的微型滚柱丝杠最小主丝杆直径，GSA-3.5mm 与 5mm（量产-磨削）；浙江荣泰（KGG）-4mm（未量产-冷锻）；诺仕机器人-2.5mm（量产-冷锻）；TGB（雷迪克）-不详，主流区间在4-5mm，越小越好。
4. 结论四：目前主流的微型滚柱丝杠最小导程精度，GSA-C0（量产-磨削）；浙江荣泰（KGG）-不详；诺仕机器人-C5（量产-冷锻），TGB（雷迪克）-C3（磨削）/C5（冷锻），综上可以认为导程精度达到C5即可实现大规模量产应用。
5. 结论五：目前主流的微型滚柱丝杠价格，浙江荣泰（KGG）-400-500元（滚珠）；诺仕机器人-483元（滚柱-10万根量产价），因此考虑微型滚柱丝杠的优异性能，未量产时500-1000元有优势，大规模量产后500元以下有优势。
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