反向式行星滚柱丝杠工作长度比标准式更长。
行星滚柱丝杠：高精度、高承载、高效率的新型传动机构。行星滚柱丝杠作为一种新型传动机构，将螺旋 运动和行星运动两种运动方式结合，实现旋转运动转化为直线运动，有着传动精度高、承载能力强、效率高、 运行速度高、可靠性高和服役时间长等特点，非常适合综合性能要求较高的场合。行星滚柱丝杠与滚珠丝杠相 比，用滚柱取代滚珠，不需要滚珠返回器，滚柱之间没有碰撞和噪音问题，而且滚柱螺纹不受尺寸限制，滚柱 螺距可以做到很小，从而提供更多的啮合点，提高精度、轴向刚度和承载能力，在恶劣的工况下也有很高的可 靠性。
行星滚柱丝杠的基本结构和工作原理。以标准式行星滚柱丝杠为例，其基本结构主要包括丝杆、滚柱、内 齿圈、保持架和螺母等主要零件，原理是丝杆旋转，带动滚柱绕丝杆轴向公转同时绕自身轴线自转，然后滚柱 带动螺母做轴向运动。其中，滚柱与螺母螺旋升角相等以实现二者之间无相对轴向位移，而丝杆螺旋升角大于 滚柱螺旋升角以实现轴向和周向运动。 安装空间相同时，滚珠丝杠副由于滚珠直径的限制，滚珠与丝杠滚道之间的啮合点数量远小于行星滚柱丝 杠副中滚柱螺纹与丝杠螺纹间的啮合点数量，而啮合点数量增多会使得丝杠副承载能力变强，说明在安装空间 一定的条件下，行星滚柱丝杠副的承载能力大于滚珠丝杠副。
反向式行星滚柱丝杠工作长度比标准式更长。行星滚柱丝杠按照结构和运动特点分类，有标准式行星滚柱 丝杠、反向式行星滚柱丝杠、循环式行星滚柱丝杠、差动式行星滚柱丝杠和轴承环式行星滚柱丝杠五种形式。 反向式行星滚柱丝杠旋转和直线运动的零部件与标准式相反，工作时螺母旋转，丝杆直线运动，工作长度比标 准式的大得多。
A I 模型迭代加速人形机器人商业化落地。自 Tesla 于 2021 年宣布推出人形机器人“擎天柱”，到现在 Tesla 即将推出第三代人形机器人、Figure 推出搭载了 Helix 模型的新款、1X 推出人工智能算法优化的 NEO GAMMA 等， 国内的宇树、智元、优必选等步态、动作优化，我们看到模型迭代、训练算法优化，正在加速人形机器人商业 化落地，目前多家人形机器人产品已经在下游工业客户展开实训，预计未来人形机器人市场规模将远超汽车、 3C 行业。 机器人关节执行器结构呈现多样化特点。目前机器人有多种品牌、多种形态，关节执行器的选择也呈现多 样化，整体分为线性执行器和旋转执行器两种，其中只有线性执行器需要用到丝杠。
线性执行器 VS 旋转执行器：负载、成本、精度等为重要考量因素。两类执行器各具优劣势，在实际选型 中，需根据机器人产品定位、综合成本、工作场景等因素，选择具体的执行器。我们认为，两种执行器的优劣 势仍在变化当中，如丝杠的降本速度有望加快，或新型材料出现会增强减速器的扭矩密度，以及新工艺路线的 出现（如磁驱等），这些都会影响本体厂商的选择。本文中对于丝杠的单体价值测算基于特斯拉方案。
2.1 躯干部位：丝杠在线性执行器中模拟肌肉收缩，是核心传动部件
Tesla 人形机器人共有 14 个线性执行器。根据 2022 年特斯拉 AI 日，新版本的 Tesla Bot 依然拥有 40 个机 电执行器——手臂 8 个、躯干 8 个、手部 12 个、腿部 12 个；其中采用线性执行器的有 14 个，分别为腕部、踝 部的俯仰（pitch）、偏航（yaw）角，髋部、肘部、膝部的俯仰（pitch）角，主要为受力要求较大的部位。
线性执行器主要采用“电机+行星滚柱丝杠+轴承+传感器”实现，反向行星滚柱丝杠是核心部件之一。从结 构来看，线性执行器包括无框力矩电机、行星滚柱丝杠、力传感器、四点接触轴承、球轴承、位置传感器。从工 作原理来看，以膝盖处为例，行星滚柱丝杠处于人形机器人的“大腿”位置，当腿需要伸直时，丝杠收缩，拉动 A 点，通过其他连杆，小腿即可伸直，具体流程如下：①无框力矩电机驱动螺母旋转；②螺母此时因轴向固定， 不做直线运动，推动丝杠进行直线运动（此为反向行星滚柱丝杠的表现）；③丝杠推或者拉 A 点，即可带动腿 部运动。力传感器和位置传感器负责采集、反馈、矫正，使控制更精准。
Optimus Gen-1 和 Gen-2 小臂都具备 3 个自由度，但是丝杠类型不同。①Optimus Gen-1 和 Gen-2 在小臂处 都有三个执行器，其中 a、b 为线性执行器，c 为旋转执行器。a、b 两个线性执行器相互配合，使得 Optimus 小 臂具备俯仰角(pitch)和偏航角(yaw)自由度；旋转执行器 c 使得 Optimus 小臂具备滚动角（roll）自由度。②在线 性执行器 a、b 中均有丝杠，不过 Optimus Gen-1 使用滑动丝杠，Gen-2 使用行星滚柱丝杠，后者的设计使得小 臂线性执行器机械间隙更小、功率密度更大。
2.2 灵巧手：预计 Optimus G en-3 将有更多线性执行器和腱绳模块，推动微型丝杠需求扩张
Optimus Gen-1 灵巧手方案：空心杯电机驱动+腱绳蜗轮蜗杆传动，具备自适应能力和防反驱特性。根据特 斯拉在 2022 年人工智能日上展示的结构设计，Optimus Gen-1 灵巧手采取欠驱动设计，单手拥有 6 个执行器， 可以实现 11 个自由度。Optimus Gen-1 灵巧手的执行器主要包括空心杯电机、蜗轮蜗杆、绳驱，食指到小拇指 的四根手指分别被一个空心杯电机模组驱动，四个空心杯电机模组沿手指方向纵置在手掌内，拇指有两个空心 杯电机模组，驱动拇指的电机横置在手掌内；空心杯电机输出端连接蜗杆，带动蜗轮旋转，同时蜗轮上有绳驱 的绕线轴会随其转动，当电机转动时，绕线轴会转动通过卷线来实现手指运动。这样设计的手指具有防反驱特 性，可以避免电机在抓握物体时长时间堵转发热。
Optimus Gen-2 灵巧手采用全手指触觉传感器，性能优化明显。2023 年 12 月 13 日，特斯拉展示了最新迭 代的人形机器人 Optimus Gen-2，该版本性能提升明显。Optimus Gen-2 的单手自由度仍然是 11 个，但是响应速 度和执行速度更快，其中手指部分使用了全手指触觉传感器，帮助人形机器人实现精细化操作。根据特斯拉展 示视频，Optimus Gen-2 手部活动更加连贯拟人，能够精准抓握细小易碎物品。
Optimus Gen-3 灵巧手预计有 22 个自由度。2024 年 10 月 11 日，特斯拉在 We Robot 会议结束后展示第三 代灵巧手模型。根据展示视频，该灵巧手共有 22 个自由度，其中灵巧手的食指、中指、无名指分别具有 4 个自 由度，拇指以及小指分别具有 5 个自由度。具体来看，每根手指有三个关节，分别是远端关节（DIP），中间关 节（PIP），近端关节（MCP），其中 DIP&PIP 具有一个自由度，可以弯曲和伸展，MCP 具有两个自由度，可以 进行弯曲伸展，以及内收和外展。 Optimus Gen-3 灵巧手的灵活度较前一代提升明显。与第二代灵巧手相比，Optimus Gen-3 灵巧手在每个手 指环节增加了远端关节和中间关节自由度，近端关节增加了外展和内收自由度。此外，在小指处，新一代灵巧 手增加了一个转轴，使得该灵巧手具备 2 个对掌关节（Opposition）。目前，行业中大部分灵巧手都是使用一个 对掌关节（即拇指的对掌关节），双对掌关节的设计使得 Optimus 新一代灵巧手小指拥有更高的灵活度，有利于 自适应抓取和进一步手内操作潜力的发掘。
Optimus Gen-3 灵巧手运动系统预计主要包括线性执行器模块和腱绳模块。根据特斯拉展示视频和腱驱动 相关学术研究，我们判断，Optimus Gen-3 灵巧手中驱动系统包括线性执行器模块+腱绳模块，其中线性执行器 模块预计为“电机系统+丝杠”或者“电机系统+减速器+丝杠”的方案，腱绳模块预计包括腱绳导管、腱绳、腱 张力传感器、腱端连接器等部件。每根手指的 DIP 和 PIP 关节由同一根腱绳控制，关节的回弹依靠手指背后的 回弹腱绳。
Optimus Gen-3 灵巧手的线性执行器模块预计放置在手腕，分为上下两层。①Optimus Gen-3 灵巧手的线性 执行器模块预计共 17 个，其中上层有 5 个，下层有 12 个：②下层的 12 个线性执行器控制拇指、食指、无名指 和小指各自的 DIP&PIP 关节和 MCP 关节，每根手指对应 3 个线性执行器，这些线性执行器连接的腱绳模块也 三个一组通过手腕通道交叉进入手掌内，即，左边电机引出的腱绳模块控制右边的手指，右边的腱绳模块控制 左边的手指，中间的腱绳控制中指，这样设计是为了避免腱绳有较大的弯曲角度，减小摩擦力。③上层的 5 个 线性执行器中，3 个对应中指的 DIP&PIP 关节和 MCP 关节，2 个对应拇指和小指的对掌关节。
2.3 人形机器人丝杠在 2030 年市场空间有望达到 500 亿元以上
在人形机器人大规模应用前，行星滚柱丝杠市场规模较小，下游应用较窄。行星滚柱丝杠因具有高精度、 高承载、高效率特点，当前主要应用于望远镜、医疗器械、航空航天等行业。受限于制造工艺难度高，生产设 备、市场需求有限，市场规模远低于滚珠丝杠；根据 Persistence Market Research 的统计数据，2022 年滚柱丝杠全球市场规模接近 2.85 亿美元，2023 年约 3 亿美元，行业约呈现 5-10%左右的年化增长。
丝杠约占人形机器人价值量的 19%。三大执行器（线性执行器、旋转执行器、灵巧手）占人形机器人主要 零部件价值量的 73%，主要由丝杠、无框力矩电机、减速器、力传感器、空心杯电机及轴承构成。丝杠为其中 的核心零部件之一，约占人形机器人价值量的 19%。
人形机器人丝杠在 2030 年市场空间有望达到 500 亿元。在全球人形机器人产量于 2025、2027、2030、2035 年分别达到 1 万台、100 万台、300 万台、800 万台的假设下，同时考虑因大规模上产及工艺成熟带来的成本降 低，2030 年人形机器人领域行星滚柱丝杠需求有望达到 545.76 亿元，是传统行业对行星滚柱丝杠需求的 10 倍 以上，为行业带来较大增量空间。
