在人工智能與機器人技術(shù)深度融合的浪潮中，人形機器人正從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化。其核心關節(jié)部件——無框力矩電機與行星滾柱絲杠，作為“動力心臟”與“傳動神經(jīng)”，成為制約國產(chǎn)機器人突破的關鍵技術(shù)瓶頸。當前，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，在這兩大領域發(fā)起國產(chǎn)化攻堅戰(zhàn)。

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

人形機器人關節(jié)對電機與絲杠的性能要求近乎苛刻：無框力矩電機需在直徑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，同時實現(xiàn)0.01mm的定位精度。這些指標遠超工業(yè)機器人標準，直接導致海外廠商占據(jù)90%以上市場份額。

以特斯拉Optimus為例，其關節(jié)采用的無框力矩電機功率密度達8kW/kg，而國內(nèi)同類產(chǎn)品僅5kW/kg;行星滾柱絲杠的導程精度要求達到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：海外供應商的行星滾柱絲杠單價超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：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)路徑實現(xiàn)突破：

磁路設計革新

鳴志電器獨創(chuàng)的“分布式磁鋼陣列”技術(shù)，將電機轉(zhuǎn)矩波動從±8%降至±2%，使機器人關節(jié)運動更平滑。拓普集團研發(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

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

驅(qū)動控制算法

步科股份開發(fā)的“模型預測控制+自適應前饋補償”算法，將電機響應時間縮短至2ms，較傳統(tǒng)PID控制提升40%。在機器人抓取雞蛋等精密操作中，該算法使力控精度達到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/年訂單中驗證，良率達90%，較海外供應商高15個百分點。

加工工藝升級

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

裝配技術(shù)突破

貝斯特通過“預緊力自適應調(diào)節(jié)”技術(shù)，將絲杠傳動效率從85%提升至92%。在機器人膝關節(jié)應用中，該技術(shù)使能量損耗降低30%，續(xù)航時間延長2小時。

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

國產(chǎn)化進程離不開產(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“真空感應熔煉+電渣重熔”工藝，使軸承鋼純凈度達到ASTM E45-A級標準，滿足行星滾柱絲杠對材料均勻性的嚴苛要求。

中游裝備升級

華中數(shù)控與華中科技大學聯(lián)合研發(fā)的“七軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)”，實現(xiàn)絲杠螺紋的納米級加工精度。該系統(tǒng)已應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%。

下游應用驗證

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

五、降本路徑：從“奢侈品”到“消費品”的蛻變

技術(shù)突破直接推動成本下降：

規(guī)模效應

拓普集團寧波基地的行星滾柱絲杠產(chǎn)線，年產(chǎn)能達100萬套，單套成本較海外低40%。其無框力矩電機通過模塊化設計，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，無框力矩電機與行星滾柱絲杠占比從35%降至25%。國內(nèi)供應商的介入，使這兩大部件的采購價較海外低30%-50%。

設計優(yōu)化

長盛軸承開發(fā)的“金屬基復合材料+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%，維護成本降低20%。

六、未來展望：從“中國制造”到“中國創(chuàng)造”

當前，國內(nèi)企業(yè)已實現(xiàn)三大里程碑：

性能達標

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

標準制定

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

生態(tài)構(gòu)建

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

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

這場攻堅戰(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。當無框力矩電機的電磁設計軟件、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，更是一個國家在高端制造領域的戰(zhàn)略突圍。