在人形機(jī)器人行業(yè)飛速發(fā)展的今天，要說產(chǎn)業(yè)鏈中最重要的增量市場(chǎng)，那必然離不開行星滾柱絲杠。

行星滾柱絲杠最早在20世紀(jì)40年代被發(fā)明，最初應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。這種精密的傳動(dòng)部件通過行星傳動(dòng)和螺紋滾柱的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了高負(fù)載和高精度的傳動(dòng)效果。

然而，由于其加工難度大、成本高，長(zhǎng)期以來市場(chǎng)規(guī)模相對(duì)較小。直到近兩年人形機(jī)器人行業(yè)的爆發(fā)，行星滾柱絲杠才逐漸受到更廣泛的關(guān)注。

那么，行星滾柱絲杠究竟在人形機(jī)器人中扮演著怎樣的角色？在發(fā)展過程中又面臨著哪些挑戰(zhàn)？開普勒機(jī)器人硬件研發(fā)總監(jiān)張敏梁在近期的一場(chǎng)技術(shù)直播中進(jìn)行了精彩分享。

01.

據(jù)張敏梁介紹，行星滾柱絲杠是一種將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)的精密傳動(dòng)部件，通過“行星傳動(dòng)+螺紋嚙合”的復(fù)合原理實(shí)現(xiàn)高負(fù)載、高精度傳動(dòng)，具有多體、多副、多點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。一般可分為5類，分別是標(biāo)準(zhǔn)式、反向式、循環(huán)式、軸承式及差動(dòng)式。

業(yè)內(nèi)通過對(duì)各型行星滾柱絲杠優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行綜合分析發(fā)現(xiàn)，行星滾柱絲杠在尺寸、承載能力、壽命、噪音等多個(gè)方面表現(xiàn)優(yōu)秀，反向式行星滾柱絲杠更是與人形機(jī)器人的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)高度適配。

以特斯拉人形機(jī)器人為例，Optimus共選用14個(gè)行星滾柱絲杠，主要分布在機(jī)器人的大臂（2個(gè)）、小臂（4個(gè)）、大腿（4個(gè)）和小腿（4個(gè)）部位。通過優(yōu)化行星滾柱絲杠的設(shè)計(jì)和制造工藝，Optimus在負(fù)載能力、運(yùn)動(dòng)精度和能效方面都有出色表現(xiàn)。

除特斯拉外，開普勒是國(guó)內(nèi)率先自研并且批量將滾柱絲杠執(zhí)行器應(yīng)用在人形機(jī)器人上的企業(yè)。

開普勒在人形機(jī)器人領(lǐng)域起步較早。2023年11月，開普勒正式對(duì)外發(fā)布搭載了其自研行星滾柱絲杠執(zhí)行器和旋轉(zhuǎn)型執(zhí)行器的先行者系列人形機(jī)器人，成為全球第二家成功自研多種型號(hào)行星滾柱絲杠執(zhí)行器，并將其成功應(yīng)用于機(jī)器人本體的企業(yè)。

從2023年公司成立起，歷經(jīng)多次迭代，開普勒于去年四季度發(fā)布了第五代量產(chǎn)版的人形機(jī)器人K2“大黃蜂”，目前正圍繞該產(chǎn)品做改善和量產(chǎn)沖刺準(zhǔn)備。

據(jù)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(gè)自由度，強(qiáng)調(diào)仿生概念，開普勒K2“大黃蜂”采用自研行星滾柱絲杠執(zhí)行器，其獨(dú)有的運(yùn)動(dòng)特性，可以達(dá)到動(dòng)態(tài)作業(yè)提升節(jié)能率，靜態(tài)功耗近乎歸零，為機(jī)器人的續(xù)航能力提供保障。

經(jīng)實(shí)測(cè)，K2“大黃蜂”憑借創(chuàng)新的“串并聯(lián)結(jié)構(gòu)”設(shè)計(jì)與自研滾柱絲杠執(zhí)行器相結(jié)合，其單臂負(fù)載達(dá)15千克，雙臂協(xié)同負(fù)載30千克，能夠充電1小時(shí)，連干8小時(shí)，覆蓋工業(yè)場(chǎng)景中幾乎所有手工搬運(yùn)需求。

此外，開普勒也自研了峰值扭矩達(dá)220N.m的旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器，該執(zhí)行器通過高扭矩電機(jī)結(jié)合智能算法，為人形機(jī)器人提供了強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)支持、持久輸出和更高效穩(wěn)定的運(yùn)行，其重復(fù)定位精度能達(dá)到0.01度。 

在之前的張江具身智能開發(fā)者大會(huì)上，開普勒K2“大黃蜂”在“人形機(jī)器人工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景挑戰(zhàn)賽”中，以20kg負(fù)載記錄勇奪冠軍，展現(xiàn)了行星滾柱絲杠在人形機(jī)器人中的巨大潛力。

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(jiān)張敏梁表示，行星滾柱絲杠在人形機(jī)器人中的優(yōu)勢(shì)可概括為三大點(diǎn)：大負(fù)載、高精度、長(zhǎng)續(xù)航。

首先，大負(fù)載。行星滾柱絲杠采用線接觸方式，相比傳統(tǒng)的滾珠絲杠（點(diǎn)接觸），能夠承受更高的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)負(fù)載，其承載能力比同規(guī)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用了小導(dǎo)程角的非圓弧螺紋，能夠?qū)崿F(xiàn)極高的傳動(dòng)精度，可使導(dǎo)程精度達(dá)到較高水平。行星滾柱絲杠通過嚙合滾柱產(chǎn)生線接觸滾動(dòng)摩擦，與滾珠絲杠的點(diǎn)接觸相比，線接觸方式在傳動(dòng)過程中能更均勻地傳遞力和運(yùn)動(dòng)，減少因接觸點(diǎn)少而產(chǎn)生的局部誤差和受力不均現(xiàn)象，從而提高運(yùn)動(dòng)精度和穩(wěn)定性。

再有，長(zhǎng)續(xù)航。機(jī)器人工作過程中，小負(fù)載工作時(shí)長(zhǎng)占比大，直線執(zhí)行器在不同負(fù)載條件下效率波動(dòng)較小，而諧波執(zhí)行器的傳動(dòng)效率受負(fù)載影響較大，在小負(fù)載條件下諧波執(zhí)行器能耗偏高；直線執(zhí)行器因?yàn)樾行菨L柱絲杠在機(jī)器人關(guān)節(jié)保持不動(dòng)或承受反驅(qū)負(fù)載時(shí)具有較好的“自鎖”性能，電機(jī)能耗減小，而旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器承受反驅(qū)負(fù)載時(shí)能耗更大，因此直線執(zhí)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(zhí)行器反驅(qū)制動(dòng)的特性，合理進(jìn)行動(dòng)作控制策略優(yōu)化，能夠?qū)崿F(xiàn)“充電1小時(shí)，連干8小時(shí)”。通過行星滾柱絲杠的直線運(yùn)動(dòng)，結(jié)合連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，K2“大黃蜂”能夠?qū)崿F(xiàn)類似人類肌肉的伸縮運(yùn)動(dòng)，從而更靈活地模擬人類姿態(tài)和動(dòng)作。

由于行星滾柱絲杠售價(jià)較高，目前整體市場(chǎng)規(guī)模還相對(duì)較小，特別是國(guó)內(nèi)市場(chǎng)才剛剛起步。數(shù)據(jù)顯示，2022年全球行星滾柱絲杠市場(chǎng)規(guī)模約12.7億美元，主要應(yīng)用于汽車、數(shù)控機(jī)床、工程機(jī)械等行業(yè)，預(yù)計(jì)2024年超過15億美元，我國(guó)行星滾柱絲杠市場(chǎng)規(guī)模僅在4.5億元左右，占全球規(guī)模不到5%，市場(chǎng)體量更是微不足道。

在實(shí)際應(yīng)用中，行星滾柱絲杠方案也面臨著一些挑戰(zhàn)。例如：

加工難度高：反向式行星滾柱絲杠的螺母較長(zhǎng)，螺紋加工精度要求極高，需要多達(dá)120道工藝才能完成。其螺距誤差需控制在±3微米以內(nèi)，螺旋線角一致性誤差需小于10角秒，傳統(tǒng)加工設(shè)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(fù)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(wěn)定性。目前常用的軸承鋼在高溫下硬度會(huì)下降，導(dǎo)致磨損加劇。

裝配與檢測(cè)復(fù)雜：行星滾柱絲杠的裝配需要保證多個(gè)滾柱與絲杠、螺母的同步嚙合，裝配精度要求極高。檢測(cè)方面，由于其螺紋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)的檢測(cè)方法效率低下，且檢測(cè)環(huán)境要求苛刻。

成本投入高：行星滾柱絲杠的加工設(shè)備昂貴，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，廢品率和返工率較高，導(dǎo)致其成本居高不下。目前，其加工設(shè)備單價(jià)高，且加工工序繁多，生產(chǎn)周期長(zhǎng)達(dá)數(shù)周。

值得一提的是，開普勒通過自主研發(fā)和創(chuàng)新，逐步攻克了行星滾柱絲杠在設(shè)計(jì)、加工、檢測(cè)和成本方面的難題。

高精度行星滾柱絲杠參數(shù)匹配技術(shù)是其中的關(guān)鍵。執(zhí)行器的傳動(dòng)精度直接影響人形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度及承載能力。開普勒以設(shè)計(jì)端參數(shù)匹配設(shè)計(jì)方案指導(dǎo)生產(chǎn)過程，提高行星滾柱絲杠副多點(diǎn)、多體、多副運(yùn)動(dòng)的一致性問題，在解決傳動(dòng)精度問題的同時(shí)，提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)一致性和承載能力。

在材料與設(shè)計(jì)方面，為了兼顧高速與高負(fù)載的需求，開普勒對(duì)行星滾柱絲杠的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過采用新型材料和創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)形式，在保證高承載能力的同時(shí)，減輕了機(jī)器人的整體重量，提高了其靈活性和響應(yīng)速度。開普勒也探索了更穩(wěn)定的材料，以提升行星滾柱絲杠在高溫環(huán)境下的性能。

在成本方面，現(xiàn)階段行星滾柱絲杠生產(chǎn)良品率與生產(chǎn)效率低且單價(jià)高，這限制了其大規(guī)模應(yīng)用。開普勒在2022年便注意到到行星滾柱絲杠在人形機(jī)器人中的應(yīng)用前景，走自研自制之路，與國(guó)內(nèi)設(shè)備廠家合作，打破現(xiàn)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(yùn)動(dòng)的不一致性與成產(chǎn)效率低等問題，從而提高行星滾柱絲杠性價(jià)比，這也為開普勒人形機(jī)器人的大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

此外，公司還建立了完善的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，以確保產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。行星滾柱絲杠作為開普勒人形機(jī)器人的核心部件，不僅為其機(jī)器人提供了強(qiáng)大的動(dòng)力支持和精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)控制，還通過其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)為開普勒人形機(jī)器人在工業(yè)、特種行業(yè)和科研教育等領(lǐng)域帶來了廣闊的應(yīng)用前景。盡管面臨諸多挑戰(zhàn)，但開普勒機(jī)器人憑借其技術(shù)實(shí)力和創(chuàng)新能力，正在逐步克服這些難題，為人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來無限可能。

隨著人形機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)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(xù)在這一領(lǐng)域深耕，通過技術(shù)創(chuàng)新和工藝改進(jìn)，進(jìn)一步提升行星滾柱絲杠的性能和可靠性。未來，開普勒計(jì)劃將行星滾柱絲杠應(yīng)用于更多場(chǎng)景，包括服務(wù)行業(yè)和家庭場(chǎng)景，推動(dòng)人形機(jī)器人技術(shù)廣泛應(yīng)用。

在可預(yù)見的未來，隨著市場(chǎng)需求的不斷增長(zhǎng)和技術(shù)的進(jìn)一步成熟，開普勒等攻克這一關(guān)鍵肢體技術(shù)的人形機(jī)器人企業(yè)也將迎來更廣闊的發(fā)展空間，推動(dòng)我國(guó)人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)走向世界前列。