在人工智能與機(jī)器人技術(shù)深度融合的浪潮中，人形機(jī)器人正從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化。其核心關(guān)節(jié)部件——無框力矩電機(jī)與行星滾柱絲杠，作為“動(dòng)力心臟”與“傳動(dòng)神經(jīng)”，成為制約國產(chǎn)機(jī)器人突破的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。當(dāng)前，國內(nèi)企業(yè)正通過材料創(chuàng)新、工藝突破與產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同，在這兩大領(lǐng)域發(fā)起國產(chǎn)化攻堅(jiān)戰(zhàn)。

一、技術(shù)壁壘：從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)化的“卡脖子”難題

人形機(jī)器人關(guān)節(jié)對電機(jī)與絲杠的性能要求近乎苛刻：無框力矩電機(jī)需在直徑50mm的空間內(nèi)輸出5N·m扭矩，且具備±0.1°的位置精度;行星滾柱絲杠則需承受5000N的軸向載荷，同時(shí)實(shí)現(xiàn)0.01mm的定位精度。這些指標(biāo)遠(yuǎn)超工業(yè)機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)，直接導(dǎo)致海外廠商占據(jù)90%以上市場份額。

以特斯拉Optimus為例，其關(guān)節(jié)采用的無框力矩電機(jī)功率密度達(dá)8kW/kg，而國內(nèi)同類產(chǎn)品僅5kW/kg;行星滾柱絲杠的導(dǎo)程精度要求達(dá)到G1級(≤5μm/300mm)，而國內(nèi)主流產(chǎn)品仍停留在G3級(≤15μm/300mm)。這種性能差距直接反映在成本上：海外供應(yīng)商的行星滾柱絲杠單價(jià)超2萬元，而國產(chǎn)產(chǎn)品因良率不足50%，成本居高不下。

二、無框力矩電機(jī)：從“跟跑”到“并跑”的技術(shù)躍遷

國內(nèi)企業(yè)通過三大技術(shù)路徑實(shí)現(xiàn)突破：

磁路設(shè)計(jì)革新

鳴志電器獨(dú)創(chuàng)的“分布式磁鋼陣列”技術(shù)，將電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)從±8%降至±2%，使機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)更平滑。拓普集團(tuán)研發(fā)的“Halbach陣列+軸向磁通”結(jié)構(gòu)，在相同體積下將扭矩密度提升至7.2kW/kg，接近日本多摩川水平。

熱管理優(yōu)化

方正電機(jī)通過在定子鐵芯中嵌入微通道冷卻結(jié)構(gòu)，使電機(jī)連續(xù)工作溫度從120℃降至85℃，壽命延長3倍。這種設(shè)計(jì)尤其適用于人形機(jī)器人高動(dòng)態(tài)工況，例如連續(xù)完成100次后空翻動(dòng)作。

驅(qū)動(dòng)控制算法

步科股份開發(fā)的“模型預(yù)測控制+自適應(yīng)前饋補(bǔ)償”算法，將電機(jī)響應(yīng)時(shí)間縮短至2ms，較傳統(tǒng)PID控制提升40%。在機(jī)器人抓取雞蛋等精密操作中，該算法使力控精度達(dá)到0.1N。

三、行星滾柱絲杠：從“替代”到“超越”的工藝突破

行星滾柱絲杠的國產(chǎn)化面臨三大技術(shù)挑戰(zhàn)：材料、加工與裝配。國內(nèi)企業(yè)通過以下創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)破局：

材料創(chuàng)新

三花智控研發(fā)的“高碳鉻軸承鋼+稀土改性”材料，使絲杠疲勞壽命從50萬次提升至200萬次。該材料在特斯拉50萬套/年訂單中驗(yàn)證，良率達(dá)90%，較海外供應(yīng)商高15個(gè)百分點(diǎn)。

加工工藝升級

秦川機(jī)床子公司漢江機(jī)床突破“冷鍛+磨削”復(fù)合工藝，將絲杠導(dǎo)程精度從G3級提升至G2級(≤10μm/300mm)。其開發(fā)的“六軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控磨床”，使單件加工時(shí)間從8小時(shí)縮短至2.5小時(shí)。

裝配技術(shù)突破

貝斯特通過“預(yù)緊力自適應(yīng)調(diào)節(jié)”技術(shù)，將絲杠傳動(dòng)效率從85%提升至92%。在機(jī)器人膝關(guān)節(jié)應(yīng)用中，該技術(shù)使能量損耗降低30%，續(xù)航時(shí)間延長2小時(shí)。

四、產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同：從“單點(diǎn)突破”到“生態(tài)構(gòu)建”

國產(chǎn)化進(jìn)程離不開產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同創(chuàng)新：

上游材料國產(chǎn)化

寶鋼特鋼研發(fā)的“真空感應(yīng)熔煉+電渣重熔”工藝，使軸承鋼純凈度達(dá)到ASTM E45-A級標(biāo)準(zhǔn)，滿足行星滾柱絲杠對材料均勻性的嚴(yán)苛要求。

中游裝備升級

華中數(shù)控與華中科技大學(xué)聯(lián)合研發(fā)的“七軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)”，實(shí)現(xiàn)絲杠螺紋的納米級加工精度。該系統(tǒng)已應(yīng)用于鼎智科技的行星滾柱絲杠產(chǎn)線，使產(chǎn)品合格率從40%提升至75%。

下游應(yīng)用驗(yàn)證

智元機(jī)器人的靈犀X2人形機(jī)器人，搭載國產(chǎn)無框力矩電機(jī)與行星滾柱絲杠，完成“連續(xù)行走10公里+連續(xù)抓取1000次”的極限測試，驗(yàn)證了國產(chǎn)部件的可靠性。

五、降本路徑：從“奢侈品”到“消費(fèi)品”的蛻變

技術(shù)突破直接推動(dòng)成本下降：

規(guī)模效應(yīng)

拓普集團(tuán)寧波基地的行星滾柱絲杠產(chǎn)線，年產(chǎn)能達(dá)100萬套，單套成本較海外低40%。其無框力矩電機(jī)通過模塊化設(shè)計(jì)，使不同扭矩規(guī)格的產(chǎn)品共享70%零部件，開發(fā)周期縮短60%。

國產(chǎn)替代

在特斯拉Optimus的BOM成本中，無框力矩電機(jī)與行星滾柱絲杠占比從35%降至25%。國內(nèi)供應(yīng)商的介入，使這兩大部件的采購價(jià)較海外低30%-50%。

設(shè)計(jì)優(yōu)化

長盛軸承開發(fā)的“金屬基復(fù)合材料+表面織構(gòu)化”技術(shù)，使絲杠摩擦系數(shù)從0.12降至0.08，減少潤滑油使用量50%，維護(hù)成本降低20%。

六、未來展望：從“中國制造”到“中國創(chuàng)造”

當(dāng)前，國內(nèi)企業(yè)已實(shí)現(xiàn)三大里程碑：

性能達(dá)標(biāo)

綠的諧波的諧波減速器與行星滾柱絲杠組合方案，在某型人形機(jī)器人上實(shí)現(xiàn)“負(fù)載自重比”達(dá)5:1，超過Atlas機(jī)器人的3:1。

標(biāo)準(zhǔn)制定

南京工藝牽頭制定的《人形機(jī)器人用行星滾柱絲杠技術(shù)規(guī)范》，填補(bǔ)國內(nèi)空白，其導(dǎo)程精度分級標(biāo)準(zhǔn)被納入工信部《人形機(jī)器人創(chuàng)新發(fā)展指導(dǎo)意見》。

生態(tài)構(gòu)建

以拓斯達(dá)為代表的機(jī)器人本體廠商，聯(lián)合上下游30余家企業(yè)成立“人形機(jī)器人關(guān)節(jié)聯(lián)盟”，推動(dòng)從芯片到整機(jī)的全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同。

在2025年的人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)藍(lán)圖中，無框力矩電機(jī)與行星滾柱絲杠的國產(chǎn)化率將從當(dāng)前的15%提升至50%。當(dāng)特斯拉Optimus的“中國心”與“中國腿”完成適配，當(dāng)國產(chǎn)機(jī)器人開始批量出口歐美，這場持續(xù)五年的技術(shù)攻堅(jiān)戰(zhàn)，終將改寫全球機(jī)器人產(chǎn)業(yè)格局。

這場攻堅(jiān)戰(zhàn)的深層意義，不僅在于技術(shù)突破，更在于中國制造業(yè)從“代工者”到“定義者”的角色轉(zhuǎn)變。當(dāng)無框力矩電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)軟件、行星滾柱絲杠的磨削工藝數(shù)據(jù)庫掌握在中國企業(yè)手中，我們看到的不僅是零部件的國產(chǎn)化，更是一個(gè)國家在高端制造領(lǐng)域的戰(zhàn)略突圍。