具身智能的物理基石：行星滚柱丝杠行业深度调研与国产化突围报告

1. 摘要：从“大脑”到“小脑”，具身智能的硬件大考

随着大语言模型（LLM）的爆发式增长，人工智能正在经历从“文本智能”向“具身智能”（Embodied AI）的历史性跨越。如果说ChatGPT赋予了机器以“大脑”，那么人形机器人则是承载这一智慧的“物理身体”。在这一轮科技革命中，全球产业格局呈现出鲜明的 G2 特征：以美国为首的科技力量（Tesla, Figure AI, OpenAI）在 AI 算法、多模态感知及系统架构设计上占据主导地位，定义了“机器人的灵魂”；而中国则依托长三角、珠三角深厚的精密制造底蕴，正在承接并重塑“机器人的躯体”——即硬件本体的制造与成本控制。

在人形机器人的硬件成本结构中，以行星滚柱丝杠（Planetary Roller Screw, PRS）为核心的线性执行器成为了 BOM（物料清单）成本最高、技术壁垒最深、国产化替代空间最大的关键环节。作为将电机旋转运动转化为高负载直线运动的精密传动部件，PRS 不仅决定了机器人的爆发力、负重能力和行走稳定性，更直接关乎 Tesla Optimus 能否实现 2 万美元售价这一商业化临界点。

本报告将基于全球视野与中国本土视角，对行星滚柱丝杠行业进行全维度的深度拆解。我们将深入探讨反向行星滚柱丝杠（Inverted PRS）的技术原理与其在一体化关节中的不可替代性，剖析“以车代磨”与精密磨削之间的工艺博弈，测算百亿级市场爆发的时间节点，并梳理中国企业在设备、材料、工艺三维壁垒前的突围路径。

2. 行业背景：G2格局下的具身智能与硬件军备竞赛

2.1 具身智能的崛起与中美分工

具身智能是指能够通过传感器感知环境、通过执行器与物理世界交互的智能系统。人形机器人作为最具通用性的具身智能载体，其发展逻辑已从单一的“自动化”转向了“智能化”。

• 美国模式（AI 定义硬件）： Tesla 的 Optimus 计划是这一模式的典型代表。Tesla 复用了其在 FSD（完全自动驾驶）积累的视觉感知与神经网络算法，试图打造一个通用的物理劳动力。其核心策略是“算法先行，硬件跟随”，即通过强大的软件能力降低对硬件绝对精度的依赖，但在硬件设计上依然追求极致的集成度与性能密度。
• 中国模式（供应链定义成本）： 中国企业如优必选（Ubtech）、宇树科技（Unitree）、傅利叶智能（Fourier）等，充分利用国内在电机、减速器、丝杠等领域的全产业链优势，通过快速迭代与规模化生产来实现降本增效。中国政府亦出台了一系列政策，鼓励核心零部件的国产替代，旨在打破高端精密传动部件的进口依赖，解决劳动力短缺问题。

2.2 核心矛盾：高性能与低成本的博弈

目前，人形机器人商业化的最大阻碍在于成本。一台具备实用功能的人形机器人，其核心零部件（关节执行器、传感器、电池、芯片）占据了整机成本的 70% 以上。其中，线性关节（Linear Actuator）是实现双足行走、深蹲、搬运重物等高爆发动作的关键。

Tesla CEO 埃隆·马斯克提出，若要实现人形机器人的大规模普及（百万台量级），整机售价需降至 2 万美元（约 14 万元人民币）以下，这一价格甚至低于一辆 Model 3 汽车。

然而，目前仅单台机器人所需的 14 根行星滚柱丝杠，若采用瑞士 Rollvis 或 GSA 的航空级产品，采购成本即高达 2 万-3 万美元，直接击穿了整机的目标售价。因此，行星滚柱丝杠的“车规级”量产与大幅降本，成为了行业能否爆发的胜负手。

3. 技术全景：行星滚柱丝杠——精密传动的皇冠

3.1 行业定义与工作原理

行星滚柱丝杠（Planetary Roller Screw, PRS）是一种将旋转运动转换为直线运动的机械传动装置。与传统的滚珠丝杠（Ball Screw）通过钢球滚动不同，PRS 在丝杠螺纹轴与螺母之间配置了一组螺纹滚柱（Roller）。这些滚柱在丝杠周围做行星式运动，既围绕自身轴线旋转，又围绕丝杠轴线公转。

这种结构设计的核心优势在于“线接触”代替了“点接触”。滚珠丝杠的承载依赖于钢球与滚道的点接触，在高负载下容易产生应力集中，导致压痕或疲劳剥落。而行星滚柱丝杠通过众多的螺纹接触线分担载荷，从而具备了极其优异的性能特征。

表 3-1：行星滚柱丝杠与滚珠丝杠、梯形丝杠的技术性能对比

性能维度	梯形丝杠 (Trapezoidal Screw)	滚珠丝杠 (Ball Screw)	行星滚柱丝杠 (Planetary Roller Screw)	具身智能适配性分析
传动原理	滑动摩擦	滚动摩擦（点接触）	滚动摩擦（线接触）	机器人需高频启停，滑动摩擦效率过低，不仅发热且响应慢。
额定动载荷	低	中	极高（同体积下是滚珠的 3-15 倍）	双足机器人行走时膝关节需承受数倍体重的瞬间冲击，PRS 优势明显。
刚度	低	中	高	高刚度保证了机器人控制的带宽和精度，减少抖动。
最高转速	低	受限于滚珠返向装置（DN 值限制）	极高（可达 5000-8000rpm）	允许电机高速运转以提高功率密度，且无返向器失效风险。
抗冲击性	差	较差（钢球易碎裂）	极强	适应摔倒、跳跃等非结构化环境的冲击。
使用寿命	短	中	长（约为滚珠丝杠的 15 倍）	超长（约为滚珠丝杠的 15 倍）降低机器人的全生命周期维护成本。
成本（单价）	极低 (<$50)	中低 ($100-$500)	极高 (>$2000，航空级)	当前最大痛点，需降至 $100 以内。
典型应用	简单升降台、台虎钳	数控机床、自动化设备	航空航天、注塑机、重载机器人	性能完美匹配，但价格需大幅下探。

3.2 技术分类与人形机器人的选择

PRS 根据结构形式主要分为标准式（Standard）、反向式（Inverted）、循环式（Recirculating）和差动式（Differential）。在人形机器人的应用场景中，反向行星滚柱丝杠（Inverted PRS） 成为了绝对的主流选择。

3.2.1 标准式行星滚柱丝杠结构：

结构： 螺母作为输出端做直线运动，丝杠轴旋转且轴向固定。滚柱随螺母移动。

局限： 在机器人腿部设计中，如果丝杠轴旋转，需要电机通过联轴器连接丝杠端部，这会增加关节的轴向长度，使得结构松散，不利于紧凑集成。

3.2.2 反向行星滚柱丝杠（Inverted PRS）：人形机器人的终极方案

结构创新： 其结构相当于将标准式“翻转”。螺母非常长，作为电机转子（Rotor）的一部分；丝杠轴则仅在与滚柱啮合的一小段有螺纹，其余部分为光轴（推杆）。

工作模式： 电机直接驱动螺母旋转（螺母外壁贴磁钢，作为空心杯电机或无框力矩电机的转子），螺母的原地旋转驱动内部的丝杠轴做直线伸缩运动。

核心优势：

• 极致集成（机电一体化）： 实现了“电机即螺母，螺母即转子”的融合设计，省去了联轴器和额外的减速箱空间，形成了同轴的电缸（Electric Cylinder），极大地缩小了体积与重量。
• 推杆定制化： 丝杠轴（推杆）的大部分是非螺纹区，可以根据具体的关节连接需求设计成各种形状（如 U 型叉口），便于与机器人连杆机构连接。

制造噩梦： 反向式设计的螺母是一个深孔内螺纹结构。在狭长的内孔中进行高精度的螺纹加工（尤其是磨削），受限于刀杆刚性（悬臂梁变形）和排屑困难，是整个行业最大的工艺瓶颈。

4. 产业链结构与市场规模测算

4.1 产业链全景图

行星滚柱丝杠的产业链呈现出“上游重设备材料、中游重精密加工、下游重场景验证”的特点。

• 上游（原材料与设备）：

  • 原材料： 主要是高纯度轴承钢（如 GCr15）和特种合金钢。钢材的纯净度、碳化物分布直接决定了丝杠的疲劳寿命。国内主要供应商包括抚顺特钢、宝钢股份等，但高端丝杠仍倾向使用进口钢材。
  • 核心设备： 螺纹磨床是制造高精度丝杠的“母机”。目前全球顶级市场被瑞士 Reishauer、英国 Matrix、日本三井精机等垄断。中国企业汉江机床（秦川机床子公司） 正在加速研发国产高精度螺纹磨床，试图打破设备卡脖子局面。
• 中游（制造环节）： 涉及车削、热处理（淬火）、粗磨、精磨、硬车、组装检测等环节。中游企业包括传统的丝杠厂商（如 Rollvis, Ewellix）和正在转型的汽车零部件/液压件厂商（如恒立液压、贝斯特、五洲新春）。
• 下游（应用场景）：

  • 传统市场： 航空航天（副翼控制、起落架）、石油石化（阀门控制）、高端机床、注塑机。
  • 新兴市场： 人形机器人（线性关节）、新能源汽车（线控刹车 EMB）、电动缸替代液压缸市场。

4.2 市场规模测算：百亿蓝海的爆发前夜

对于行星滚柱丝杠的市场规模，需要区分“存量工业市场”与“增量机器人市场”。

4.2.1 存量市场（稳健增长）

根据 DataIntelo 等机构数据，2023 年全球行星滚柱丝杠市场规模约为 24 亿美元，预计到 2032 年增长至 41 亿美元，CAGR 约为 6.2%。这一增长主要由工业自动化和电动化替代液压（如电动注塑机、电动压机）驱动。

4.2.2 增量市场（指数级爆发）

人形机器人将彻底重塑这一细分行业的量级。基于以下假设进行测算：

• 单机用量： Tesla Optimus 目前方案为 14 个线性执行器（全部采用反向行星滚柱丝杠）。
• 单价演变： 假设 2024 年单价为 2000 元人民币（小批量国产），2030 年降至 500-800 元人民币（大规模量产）。
• 机器人销量： 参考高盛预测，2035 年人形机器人出货量可能达到 140 万台。

测算模型：

• 2025 年（小批量验证期）： 假设全球人形机器人出货量 2 万台。

  • 需求量： $2 \text{万台} \times 14 \text{根/台} = 28 \text{万根}$。
  • 市场规模： $28 \text{万根} \times 1500 \text{元/根} = 4.2 \text{亿元人民币}$。
• 2030 年（成长期）： 假设全球出货量 100 万台。

  • 需求量： $100 \text{万台} \times 14 \text{根/台} = 1400 \text{万根}$。
  • 市场规模： $1400 \text{万根} \times 600 \text{元/根} = 84 \text{亿元人民币}$。
• 2035 年（成熟期）： 若出货量达到 500 万台以上。市场规模将轻松突破 300 亿-500 亿元人民币。

此外，根据东海证券的拆解，到 2030 年，行星滚柱丝杠在人形机器人核心零部件中的价值占比预计高达 19%，超过减速器（13%）和无框力矩电机（16%），成为价值量最高的单一机械部件。这解释了为何资本市场对该赛道给予了极高的关注度。

5. 制造壁垒与 BOM 成本深度拆解

Tesla Optimus 能否实现 2 万美元售价，核心在于能否将目前单套成本高达数万元的线性执行器 BOM 成本压缩 90% 以上。这不仅是采购压价的问题，更是制造工艺的革命。

5.1 制造工艺壁垒：磨削 vs. 硬车

行星滚柱丝杠的加工难点在于硬度高（HRC 58-62）、精度要求高（P1-P3 级）、几何结构复杂（多头螺纹、长深孔）。

表 5-1：主流加工工艺对比

工艺路径	技术原理	优势	劣势	适用场景
精密磨削 (Grinding)	使用成型砂轮对淬火后的工件进行磨削加工。	精度极高（P0/P1 级），表面粗糙度极低（Ra<0.2），一致性好。	效率极低（材料去除率低），加工长内螺纹时刀杆易变形，砂轮损耗大，设备昂贵。	航空航天、高端机床丝杠（Rollvis 等采用）。
硬车削 (Hard Turning)	使用 PCBN（聚晶立方氮化硼）或陶瓷刀具直接切削硬化钢。	效率高（比磨削快 60% 以上），一次装夹完成多道工序，设备投资相对较低。	表面质量略逊于磨削，可能产生加工变质层（白层），刀具磨损快，难以达到顶级精度。	汽车零部件、中低端工业丝杠、未来机器人降本方向。
旋风铣/硬旋铣 (Whirling)	刀盘高速旋转包络切削，常用于外螺纹或特定内螺纹加工。	效率极高，排屑好，适合长螺纹加工。	刀具系统复杂，内螺纹旋铣对刀具尺寸限制极大。	批量化生产螺杆轴。

行业痛点深度解析：内螺纹磨削的物理极限

对于反向行星滚柱丝杠的螺母，其内部也是螺纹结构。在加工一个长径比（长度/直径）很大的深孔内螺纹时，磨削面临巨大的物理挑战：

1. 刚性不足： 伸入孔内的砂轮轴（Quill）必须很细，导致刚性差，磨削时容易产生让刀和振动，造成锥度误差或波纹度。
2. 线速度受限： 砂轮直径受孔径限制（如孔径 30mm，砂轮只能做 20mm），要达到磨削所需的线速度（如 60m/s），主轴转速需高达 50,000 转/分以上，这对电主轴的热稳定性和动平衡要求极高。
3. 排屑困难： 磨削产生的微小磨屑和冷却液在深孔内难以排出，容易划伤已加工表面。

因此，"以车代磨"（用硬车替代磨削） 或 "车磨复合" 成为了国产厂商实现降本量产的关键技术路线。通过优化 PCBN 刀具材料和切削参数，国内企业力图在保证 P3 级精度的前提下，大幅提升生产效率。

5.2 核心装备依赖与国产替代

目前，国内能生产高精度行星滚柱丝杠的企业，其核心螺纹磨床大多依赖进口（如瑞士 Studer、Drake 等）。这些设备价格动辄数百万人民币，且交货期长达 1-2 年，部分高端型号甚至面临出口管制风险。

国产机床的机遇： 汉江机床（秦川机床子公司）是国内螺纹磨床的领军者，其 S74 系列螺纹磨床已具备加工 P3 级滚珠/滚柱丝杠的能力。宇环数控等企业也在研发针对丝杠端面和外圆的高精度磨床。设备端的国产化是实现丝杠成本从“千元级”下探至“百元级”的先决条件。只有当设备折旧成本大幅降低，大规模工业化生产才具备经济性。

5.3 BOM 成本下降曲线

根据摩根士丹利和高盛的分析，人形机器人硬件成本的下降将遵循类似光伏和电动车电池的“莱特定律”（产量翻倍，成本下降固定比例）。

• 当前阶段（2023-2024）： 依赖进口丝杠，单套线性执行器成本约 $2000-$3000。
• 国产化导入期（2025-2026）： 恒立液压、贝斯特等企业通过车磨复合工艺实现小批量供货，单价有望降至 $500-$800。
• 规模爆发期（2027-2030）： 随着专用设备的普及和自动化产线的建立，以及设计端的优化（如减少丝杠规格种类），单价目标为 $100-$200。

6. 头部企业梳理与竞争格局

全球行星滚柱丝杠市场呈现出明显的“金字塔”结构：塔尖是被欧美垄断的航空航天级市场，塔基是亟待开发的机器人消费级市场。

6.1 海外巨头：技术天花板

• Rollvis (瑞士) & GSA (瑞士)： 行业绝对霸主。GSA 收购了 Rollvis，两者合计占据全球高端市场 50% 以上的份额。其产品精度高、寿命长，是 Tesla Optimus 早期原型机的独家供应商。其技术壁垒在于百年的工艺积累和对材料热处理的深刻理解。

  • SWOT 分析： 优势是技术和品牌；劣势是产能有限、价格昂贵、定制化响应慢，难以适应汽车工业级别的降本要求。
• Ewellix (瑞典，舍弗勒收购)： 原 SKF 运动技术部门，拥有强大的工业级反向丝杠技术储备，在电动缸领域具有深厚积淀。被舍弗勒收购后，其汽车工业背景有助于其向机器人领域渗透。
• Moog (美国)： 专注于军工和航空航天，擅长高可靠性设计，但其成本结构完全不适合民用机器人市场。

6.2 中国力量：破局者与追赶者

中国企业正依托庞大的汽车和工程机械供应链，试图通过“降维打击”进入该市场。

• 恒立液压 (601100.SH)：

  • 核心逻辑： 液压油缸的全球龙头，拥有深厚的精密杆件加工、热处理和大规模量产经验。
  • 进展： 已成立线性驱动事业部，购置了大量进口磨床，成功试制出样品并送样头部客户。恒立的优势在于资金实力雄厚，敢于重资产投入，且具备极强的成本控制能力（曾成功将挖掘机油缸国产化）。
• 贝斯特 (300580.SZ)：

  • 核心逻辑： 精密零部件（涡轮增压器叶轮）专家，工装夹具起家，工艺理解力强。
  • 进展： 子公司“宇华精机”专注于滚动功能部件，已实现高精度滚珠丝杠和行星滚柱丝杠的量产，并向机床和机器人客户出货。其优势在于工艺响应速度快，是最早实现量产突破的国内企业之一。
• 五洲新春 (603667.SH)：

  • 核心逻辑： 轴承磨削专家。由于行星滚柱丝杠的结构与轴承高度相似（滚柱、内外圈），五洲新春具备天然的跨界优势。
  • 进展： 布局了上游的轴承钢管和套圈制造，以及中游的磨削环节，试图打造垂直一体化产业链以最大化压缩成本。其与多家高校和主机厂合作，研发进度处于第一梯队。
• 南京工艺 (Nanjing Process Equipment)：

  • 核心逻辑： 老牌国企，国内功能部件的元老。
  • 进展： 在中高端机床丝杠领域有较高市占率，正积极通过技术改造扩充产能，并在资本运作上有所动作（如通过南京化纤重组上市的传闻），旨在抓住百亿级的新增量市场。

7. 核心投资逻辑与未来爆发机会

7.1 投资逻辑：寻找“瓶颈资产”

在人形机器人产业链中，投资价值往往向技术壁垒最高、产能最紧缺的环节集中。行星滚柱丝杠正是这样的“瓶颈资产”。

1. 价值量占比高： 如前所述，其 BOM 占比接近 20%，是单一价值量最大的部件。
2. 技术护城河深： 相比于电机（容易同质化）和减速器（已有绿的谐波等成熟企业），行星滚柱丝杠的各种工艺 Know-how（如修形、导程设计、硬车工艺）仍处于探索期，先发企业的领先优势难以被快速复制。
3. 国产替代确定性强： 中美 G2 格局下，出于供应链安全和成本考量，Tesla 及国内人形机器人厂商必须扶持本土供应商。这意味着国内头部企业一旦通过验证，将获得巨大的订单确定性。

7.2 行业主要困境与风险

1. 验证周期长： 丝杠的疲劳寿命测试需要数月时间。机器人厂商对核心运动部件极为谨慎，认证周期可能长达 1-2 年。
2. 设备交付风险： 如果中美贸易摩擦加剧，关键的进口磨床可能面临断供，这将严重拖累国产扩产进度。
3. 技术路线被颠覆： 虽然概率较小，但如果液压技术（Boston Dynamics 路线）通过新材料实现突破，或者低成本的滚珠丝杠通过算法补偿达到了性能要求，昂贵的行星滚柱丝杠可能会面临需求被分流的风险。

7.3 未来爆发机会

• 2025 年：定点元年。 关注 Tesla Optimus 的供应链定点消息。谁能进入 Tesla 的一供或二供名单，谁就拿到了通往百亿市值的门票。
• 设备国产化机会： 除了丝杠本体制造，上游的国产高精度螺纹磨床（如秦川机床、日发精机）和高端刀具（如沃尔德的 PCBN 刀具）也将迎来巨大的设备更新需求。
• 梯次降维应用： 随着产能扩张，行星滚柱丝杠将从机器人外溢至高端汽车刹车系统（EMB）、主动悬架、电动工程机械等领域，打开更广阔的通用工业市场。

8. 结论

具身智能的浪潮正在不可逆转地重塑全球制造业。在这场以人形机器人为标志的科技竞赛中，美国以 AI 算法引领了“头脑风暴”，而中国正以强大的供应链重构能力掀起“身体革命”。

行星滚柱丝杠，这颗精密传动领域的明珠，正处于从“贵族玩具”向“工业标品”惊险一跃的关键时刻。反向式结构的独特优势使其成为人形机器人的刚需，而高昂的 BOM 成本则是悬在行业头顶的达摩克利斯之剑。

对于中国制造而言，这既是挑战更是机遇。通过攻克硬车工艺、突破设备封锁、利用集群优势降低成本，中国企业有望在这一细分领域复刻电动车电池的成功路径，将行星滚柱丝杠变成具备全球竞争力的优势产业。未来 3-5 年，随着制造瓶颈的突破和成本曲线的陡峭下降，我们有理由相信，数以百万计的“中国造”关节将支撑起全球具身智能机器人的行走与奔跑。

来源：https://vestlab.beikee.org/