人形機器人核心零部件之 "螺桿"

Optimus 機器人身體 28 個運動關節方案: 分為旋轉和線性 2 大類執行器, 每類包括 3 種旋轉執行器和 3 種線性執行器. 14個旋轉執行器: 由電機+諧波減速器+力矩傳感器+位置傳感器+交叉滾子軸承+向心止推滾珠軸承構成.  14 個線性執行器: 由電機+行星/梯形/滾珠螺桿+力矩傳感器+位置傳感器構成.

 
螺桿是工具機械和精密機械上最常用的傳動元件, 其主要功能是將旋轉運動轉換成線性運動, 或將扭矩轉換成軸向反覆作用力, 同時兼具高精度, 可逆性和高效率的特點. 螺桿種類眾多, 滾動螺桿優勢明顯. 按其摩擦特性, 螺桿可分為滑動螺桿, 滾動螺桿和靜壓螺桿三類.

螺桿(對岸稱絲杠) 是基於螺旋傳動以實現回轉運動與直線運動轉換的元件, 主要有梯形螺桿, 滾珠螺桿和行星滾柱螺桿三種類型.  梯形螺桿和滾柱螺桿是未來有可能應用在主流通用人形機器人上的兩種產品, 針對兩者差異可以簡單梳理成以下表格.

滾珠螺桿是利用直線滾動軸承原理, 實現電機的旋轉運動與螺母軸向直線運動相互轉換的精密傳動機構. 滾珠螺桿主要由螺桿, 螺母, 滾珠和回程引導裝置組成; 螺桿屬於轉動部件, 其上加工有半圓形的螺紋槽滾道用於滾珠滾動.

行星滾柱螺桿是一種基於螺紋嚙合和齒輪嚙合之複合運動的新型線性傳動機構. 行星滾柱螺桿的基本部件包括螺桿, 滾柱, 螺母和行星支架; 行星支架支撐 6~12 個小滾柱均布於螺桿與螺母之間, 在傳動過程中滾柱圍繞螺桿做行星式運動.

行星滾柱螺桿的結構尺寸小, 接觸線長, 傳動間隙小, 具有結構尺寸小, 承載能力大, 傳動精度高等優點, 尤其在動載荷工況下, 行星滾柱螺桿的多根滾柱可以將沖擊分散到螺紋接觸線上, 具有更好的剛度與抗沖擊能力.

行星滾柱螺桿由於同樣利用滾動摩擦, 其傳動效率與滾珠螺桿相當. 兩者主要區別在於行星滾柱螺桿杠以螺紋滾柱而非滾珠來傳遞負載, 更多的接觸點以及接觸點的特殊幾何結構使得行星滾柱螺桿在承載能力, 使用壽命, 剛度和強度上都優於滾珠螺桿.

行星滾柱螺桿下游應用場景廣泛, 在人形機器人領域, 主要用於直線關節部位, 具有高承載, 快響應, 體積小, 噪音低, 高精度等優點. 在數控機床上, 行星滾柱螺桿主要用於實現機床各軸的精密運動控制, 行星滾柱螺桿所屬的機床傳動系統價值量占比約為 20%.

目前生產滾柱螺桿並參與市場競爭的廠家主要有:  GSA (瑞士), Ewellix (瑞典), Rollvis (瑞士), Rexroth (德國), CMC (美國),  日本 THK, NSK, 台灣有優仕特,  上銀, 銀泰. 除這些品牌外, 還有 Moog (美國), Power Jacks (英國) 也有生產滾柱螺桿的能力, 但產品不外銷.

估計單台人形機器人可能搭載 14 個線性執行器, 其中需要使用到 4 個梯形螺桿及 10 個行星滾柱螺桿, 後續可能隨著人形機器人規模上量, 降本需求進一步提升而減少單台使用量, 對於手臂區域, 可能考慮使用 2 個梯形螺桿在負載及精度要求較低的手肘部替換原本的滾柱螺桿方案, 進一步降低成本.

以特斯拉 Optimus 為例, 2023 年人形機器人核心零部件價值量排名前三的是無框力矩電機, 減速器和力傳感器;  2030 年無框力矩電機價值量占比下降, 力傳感器, 減速器價值量占比上升, 且力傳感器將超過減速器, 排名第二, 三者合計占比仍超過 50%.