关节定乾坤？人形机器人旋转与直线技术博弈，藏着千亿级机会

随着全球科技产业对人形机器人的探索从概念走向工程化落地，其核心硬件 —— 关节模组的技术突破与方案迭代已成为决定行业能否迈入规模化应用的关键。作为实现人形机器人运动灵活性、负载能力与能效平衡的核心载体，关节模组当前呈现出旋转与直线两大技术路径并行发展的格局：旋转执行器聚焦减速器等核心部件的精度提升与工艺革新，精冲工艺在关键零部件制备中的应用、微型减速器的小型化突破以及头部厂商的方案布局持续推动其性能边界拓展；直线执行器则围绕加工工艺优化、参数适配与人形机器人特定运动需求的匹配，形成了差异化的技术路线与竞争格局。供需两端的方案比对显示，不同关节模组技术在适配部位、功能实现上的特性差异，既反映了当前技术探索的多元性，也凸显了行业对高效、可靠、低成本解决方案的迫切需求。

时至 2025 年，人形机器人产业正处于从技术验证向小批量试制过渡的 “变革前夜”，关节模组作为连接动力源与运动执行的核心节点，其性能指标（如精度、响应速度、负载重量）、成本控制与规模化生产能力，已成为制约人形机器人向家庭服务、工业协作等场景渗透的核心瓶颈。在此背景下，系统梳理旋转与直线关节模组的技术方案、加工工艺及设备支撑，剖析减速器等关键部件的技术演进与产业布局，对于把握人形机器人核心硬件的发展脉络、识别技术突破方向与产业机会具有重要意义，为后续深入探究关节模组的技术瓶颈突破与产业化路径奠定基础。

一、人形机器人一体化关节

1.1 在人形机器人核心硬件 —— 关节模组

在关节模组的技术与产业格局中，需求侧呈现出驱动方案多元化的特点：当前人形机器人产品的驱动技术方案选择，本质是应用场景需求与制造成本间的权衡结果。

国内人形机器人以旋转驱动方案为主流，头部本体厂商多有布局，如达闼 “星动 STAR1” 配备 35 个自由度，包含 19 个谐波减速器、12 个行星减速器、24 个小型减速器，腰部等核心高负载关节单轴扭矩最高达 250Nm，体现出旋转驱动在大扭矩场景的适配性。

1.2 供给侧的供应商方案同样丰富

旋转关节模组可按减速器类型细分，涵盖摆线行星、谐波旋转关节等，代表厂商有中大力德、昊志机电、绿的谐波、禾川科技等；直线关节模组则分为滚珠 / 滚柱丝杠、灵巧手用丝杠等，新剑传动、捷昌驱动、狄耐克、颐丰科技等为主要参与者。

1.3 从关节功能与成本来看，旋转关节与直线关节各有侧重

旋转执行器能实现单轴旋转输出，支撑机器人完成多角度旋转动作，多用于肩关节、腰、髋关节等高扭矩关节，其成本中谐波减速器（36.0%）、扭矩传感器（30.0%）、无框力矩电机（13.5%）占比较高，合计达 79.5%；

线性执行器将电机旋转运动转化为直线运动，具备优异性的支撑与承重性能，适用于膝、肘、脚踝等高负载但旋转角度小的部位，成本以行星滚柱丝杠（64.2%）、力传感器（16.1%）、无框力矩电机（7.2%）为主，合计占 87.5%。

二、旋转执行器：高精度行星/摆线针轮/谐波减速器

2.1 在旋转关节核心的精密减速器领域：

方案类型与特性：人形机器人旋转关节模组可选精密行星、摆线针轮、谐波减速器，核心评估指标为回程间隙、精度、使用寿命、稳定性，这类减速器因回程间隙小、精度高、可靠性强，还可应用于数控机床等高端领域。

2.2精密行星减速器：单级/多级实现减速，方案成熟，多级体积空间较大

精密行星减速器：基于行星齿轮传动结构，通过多行星齿轮绕太阳轮啮合传递动力、改变速比与扭矩，是高精度机械传动装置。分为单级（减速比≤10，结构简单、效率高但扭矩密度低）与多级（减速比可达 100+，结构复杂、体积和长度偏大），整体方案成熟但多级结构对空间要求高。

加工工艺及流程：加工工艺涵盖齿轮、行星架、内齿圈等零部件加工及装配检测，同时需要引进、研发或委托定制专用关键加工、装配、检测工艺设备；还需研发专用刀具等。

加工工艺改进：数控机床+精密刀具，适配薄壁内齿

内齿加工难点：高精度机器人行星减速器需要小而薄的内齿圈，存在以下问题：1）切削变形问题。薄壁齿圈的壁厚与径向尺寸相比有很大的差距，在车削以及后续磨削、插齿加工过程中，因切削力的影响易产生局部变形；2）夹紧变形问题。在夹紧过程中难以时刻保持夹紧力的均匀，会引起夹持变形，导致工件整体精度下降，影响回转机构减速器的强度、噪声、寿命和可靠性。

加工工艺：有插齿和拉削两种，其中，设备：可以将传统的普通精密车床升级为数控车床；刀具：可以使用内齿圈拉刀、内齿圈插刀。

工艺创新：针对小薄内齿圈加工难点（切削变形、夹紧变形导致精度与可靠性下降），采用插齿、拉削工艺，设备升级为数控车床，刀具选用内齿圈拉刀 / 插刀；同时，滚插（干式连续切削，节省切削液成本）、车齿（准连续切削、效率高）等新工艺也在逐步应用，弥补传统车铣的灵活性不足。

厂商与国产化：国内精密减速器国产化率偏低，2022 年 RV、谐波减速器国产化率不足 5%，精密行星减速器也仅超 40%（据中大力德招股书），人形机器人核心部件的进口替代空间较大。

2.3 摆线针轮减速机

减速结构及工作原理摆线针轮减速机由少齿差渐开线行星减速器发展而来，行星齿轮用摆线齿、内齿轮用针齿，核心部件含带偏心轴承的曲柄轴、RV 齿轮、直齿轮、针齿销等。

其通过两级减速实现运动传递：第一级由输入齿轮带动直齿轮、曲柄轴旋转，曲柄轴上的 2 个 RV 齿轮做偏心运动以平衡受力；第二级中，壳体内针齿销比 RV 齿轮多 1 个，曲柄轴每转一次，RV 齿轮与针齿销接触并反向旋转 1 个齿距，最终通过曲柄轴在输出轴实现旋转，总减速比为两级减速比的乘积。

摆线减速机：优势、格局与产品迭代

摆线减速机核心优势突出：与仅靠单个 / 两个齿轮承载全负载的渐开线齿轮不同，摆线驱动可将负载分散至 30% 以上的曲线板凸缘，且能同时啮合更多齿轮，因此具备小型化、轻量化、高刚性、耐超载、环境适应性强、使用寿命长的特点；加之齿隙小、旋转振动与惯性低，还拥有优良的加速性能。

其产业格局随人形机器人发展呈现新变化，小型化、轻量化成明确趋势：从应用场景看，据科盟创新信息，摆线减速机当前主要应用于人形机器人本体下半身（如腿部、髋部、腰部等），并采用 PEEK 等轻量化材料；

从市场格局看，觅途咨询数据显示，我国工业机器人市场中 RV 减速机占比达 95%，且以外资主导（纳博特斯克市占率 70%），国内绿的谐波、中大力德等厂商分享剩余份额。伴随人形机器人产业推进，RV 减速机厂商纷纷向小型化、轻量化方向创新，以适配人形机器人需求，部分厂商也在拓展技术路线、推出高性能新品。

以科盟创新 / 科达利为例，减速器产品更新节奏加快

2025 年 4 月，科盟创新发布 7 款机器人传动产品，覆盖轻量化、结构紧凑、高扭矩 / 重量比、高精度与高负载稳定性四大方向，包含多款谐波、1 款摆线及 1 款关节模组（如铝钢复合减速机、PEEK 轻量化谐波减速机、带扭力限制的减速机、PEEK 轻量化摆线减速机、薄型马达谐波模块等）；

同年 7—8 月，该公司又在上海 WAIC、北京 WRC 展会发布迭代产品，涵盖 3 款谐波、2 款摆线减速器及薄型关节模组（如薄型 / 无框马达关节模组、铝钢复合 / PEEK 复合材料 / PEEK - CF 复合轻量化谐波减速机、PEEK 复合轻量化摆线减速机、铝铁减重化摆线减速机等）。

2.4 谐波减速器：定义、柔轮工艺与精冲应用

谐波减速器的定义与工作原理：它是依靠波发生器使柔轮产生可控弹性变形波，通过柔轮与刚轮的相互作用实现运动和动力传递的装置，主要由带内齿圈的刚性齿轮（刚轮）、带外齿圈的柔性齿轮（柔轮）、波发生器三个基本构件组成。工作时，通常采用 “波发生器主动、刚轮固定” 的全啮合形式：波发生器装入柔轮内圆后，柔轮被迫产生椭圆状弹性变形，长轴处齿与刚轮齿完全啮合，短轴处齿则脱开；当波发生器连续转动，柔轮持续变形产生错齿运动，最终完成运动传递。

谐波减速器柔轮的齿型设计与加工工艺：传动过程中，柔轮齿与刚轮齿的啮合形式对性能影响重大，齿廓设计历经渐开线齿形、“s” 形、双圆弧 “P” 形、“β” 形等演变。柔轮作为关键零部件，因齿圈薄壁、齿面（如螺旋齿）要求高，加工难度大，涉及毛坯锻造、热处理、薄壁齿圈切削、轴线加工、去重去脂等工艺，其中齿圈齿形加工是核心工序，涵盖插齿、滚齿（精度高但效率低）、铣齿、磨齿等方式，且薄壁齿圈加工需适配五轴加工中心、滚齿机等精密设备，并优化滚刀、插刀设计。

柔轮薄壁体成形多采用锻件切削加工，再通过热处理或表面喷丸改善金属组织与表面质量，提升疲劳强度；为保证薄壁齿尺寸精度，需设计专用工装夹具。针对柔轮初步成形后表面存在的残余应力、毛刺等问题，当前主要通过表面喷丸、微细磨削精加工、线切割等方式强化表面。

谐波减速器：竞争格局

2.5 精冲工艺

谐波减速器柔轮加工的潜在方案：精冲工艺相比传统锻造、铸造、机加工，具有材料利用率高、生产效率高的优势，在多领域正加速替代其他加工方式，精冲材料的应用渗透率持续提升。

以汽车行业为例，钢模新材公告显示，传统燃油车卡箍用量约 40 个，新能源车则增至 120 个，用量提升超 50%；

在机器人领域，精冲的生产效率优势更突出 —— 若用棒材加工柔轮，流程复杂、周期长，而采用精冲 / 冲压材料生产，一分钟可产出多个柔轮坯料，大幅缩短工序、提升效率。

翔楼新材

1）机器人业务：公司的机器人业务在2024年立项，和客户开始合作研发，进行送样测试；2025年3月新成立机器人材料研究院，进一步探索冲压材料在机器人核心零部件如谐波减速器柔轮、行星减速器齿轮、RV减速器摆线轮及传感器弹性体关键零部件卡脖子材料的科技攻关力度，并且探索其他高强高韧金属材料在机器人领域的应用可行性，力争将机器人关键零部件材料作为公司新的业绩增长点等领域的创新应用。目前，部分产品已完成开模，部分已进入测试阶段；

2）产能规划：2024年，公司苏州工厂产能18万吨；安徽工厂一期规划产能为15万吨，2025年预计产能达到4万吨，4月已开始投产，将在3年内逐步爬坡投产达到满产状态；在产品结构上，安徽生产基地将倾向于工艺复杂、技术含量高的轴承等高端制造领域，在汽车市场基础上开拓高端轴承、机器人等其他下游市场。

2.6 小微减速器：工艺对比与企业实践

小微减速器的粉末冶金 vs 切削工艺：与传统传动系统（以金属机械加工为主，含滚齿、铣齿、插齿、磨齿等工序）相比，微型传动系统以工程塑料、金属粉末为主要材料，生产工艺以模具成型、切削加工为主。生产时需考量齿轮型腔形状、尺寸精度、收缩变形等因素，还需对齿轮强度进行校核与力学仿真，具备质量轻、能耗低、生产效率高的优势。

其中，微型齿轮模具设计需根据产品参数、收缩率计算型腔齿形参数；精密加工则依赖高性能线切割机、火花机、滚齿机、注塑机、加工中心等设备，对加工精度、线径、表面光洁度的要求达微米级。

丰立智能

齿轮产品主要采用切削加工技术，硬齿面切削使齿轮的制造精度和效率稳定提高，还能降低齿轮传动的噪声。铣齿、滚齿等核心的精密制造工序都由公司自行切削加工。

设备：外购+自研，提高产品质量、降低生产成本。公司通过外购方式，为生产环节配备了先进的生产、检测设备，如德国DMG加工中心、克林贝格磨齿机、美国HARDINGE车削中心、日本HAMAI硬齿面高速CNC滚齿机等；自主研发定制化的数控铣齿机，助力于产能提升的同时降低成本。

兆威机电

公司通过塑料注射成型、粉末冶金成型、金属粉末注射成型、金属机械加工四种主要的齿轮生产工艺实现微型精密齿轮零件制造，构建“1+1+1”的协同创新体系（传动、微电机与电控系统）。

传动方面，兆威机电通过引入CNC高速插齿、高精度磨齿机、高精度珩磨机等先进工艺，研发出兼具高精度与低噪声的高性能行星齿轮减速器；截至2025年4月，拥有4700+台先进设备，包括瑞士AGIE分割线、AGIE火花机、MAKINO等高端进口设备。

三、线性执行器：方案、工艺及机床设备

3.1 线性执行器应用：方案与参数选择

线性执行器的应用存在多种方案，如大尺寸滚柱、小尺寸滚珠、灵巧手用丝杆等，选型主要取决于模组体积与所需输出推力。通过对部分企业现有产品的梳理：手部因体积小，可选用丝杆方案，轴向安装距离仅 2mm 时，行程可达 10mm；手臂用线性执行器若采用滚珠或滚柱方案，当轴向安装距离为 150 - 220mm 时，推力可覆盖 150500 - 504000N 区间。

3.2滚珠丝杠：加工难点与工艺发展

在人形机器人线性执行器核心部件 —— 丝杠的加工领域，各类工艺与设备正围绕精度、效率等核心需求持续演进：

滚珠丝杠加工的核心难点聚焦螺母内滚道。当前加工手段涵盖车削、铣削、冷挤压、电解加工等，其中车削、铣削多用于滚道粗加工。随着精密加工需求升级及切削刀具材料的进步，“以车代磨” 技术（如高速硬体内螺旋纹旋风铣、分层包络细微车削技术）逐步推广，成为传统磨削的替代方向。

磨削成型时，砂轮高速回转切削，工件绕自身轴线做螺旋运动，以此磨削出内滚道螺旋槽（砂轮杆与螺母轴线夹角等于螺母螺旋升角，砂轮同时完成旋转与沿螺母轴线的进给运动）。但磨削存在局限：一是砂轮杆长度增加易与螺母端面发生干涉；二是普通加工流程中，螺母外圆、端面与内滚道的加工需多次基准转换，导致螺纹轮廓的尺寸精度、对称度等难以保障，不同滚珠丝杠的精度等级也受此影响。

3.3 行星滚柱丝杠：下一代高承载方案

作为高承载潜力的下一代产品，行星滚柱丝杠结构与滚珠丝杠类似，由丝杠、行星滚柱、保持架、内齿轮、螺母组成，区别在于滚动元件为行星滚柱而非滚珠。为避免滚柱与螺母偏斜时出现轴向窜动，滚柱通过保持架均匀分布；当丝杠旋转时，保持架与螺母轴向相对固定，滚柱一方面沿丝杠轴线做轴向运动，另一方面在丝杠与螺母间做行星运动，而螺母借助保持架与滚柱无相对轴向位移，因此螺母与滚柱的轴向移动速度一致。

3.4 行星滚柱丝杠副：螺纹核心参数及误差评价

3.5丝杠螺纹加工：磨、车削工艺的应用与差异

丝杠的内、外螺纹加工可采用磨削或车削工艺。螺纹常规加工方式包括车削、铣削、滚轧、磨削等，行星滚珠 / 滚柱丝杠的加工需兼顾内外螺纹：行星滚珠丝杠常加工圆弧形螺母或牙型角 60° 的公制内螺纹，而行星滚柱丝杠牙型角为 90°，是二者的显著区别。

从环境与空间看，外螺纹加工在开放环境中进行，内螺纹则需在螺母滚道内完成（如磨削时受限于砂轮尺寸）。工艺原理上，磨削内螺纹是利用回转面刀具加工螺旋面，原理与螺旋面加工类似，通过啮合条件让接触线沿工件螺旋线运动，形成内螺纹螺旋曲面；车削内螺纹可在车削滚道大导程槽的基础上，用标准刀片拟合车削出内螺纹，该工艺较具创新性，应用正逐步拓展。

磨削工艺：多阶段实现高精度

磨削工艺通过粗磨、半精磨、精磨、终磨四个阶段保障加工精度。磨削时，试件绕主轴 B 做低速回转，工作台沿 Z 轴轴向进给，砂轮绕主轴 C 高速回转，同时砂轮水平滑台沿 X 轴径向进给，砂轮架绕砂轮轴 A 摆动以形成试件螺旋升角，砂轮与砂轮轴的复合运动完成内外螺纹成型。

分阶段来看：粗磨快速去除大部分余量；半精磨使精度达到一定水平并预留加工余量；精磨后试件精度接近 PRSM 螺纹要求；终磨则消除部分残余应力与表面磨痕。

磨削工艺：参数对螺纹质量的影响

行星滚柱丝杠内螺纹磨削过程中，需调控砂轮修整参数与内螺纹加工参数。其中，砂轮修整参数会影响修整廓形，进而作用于内螺纹齿廓精度与表面质量。实际加工时，砂轮在粗磨阶段的 “多余度” 易导致零件齿形不规整，需通过修整刀修正；目前常用的砂轮修整方式包括金刚石笔修整、金刚石滚轮修整、金刚石砂轮修整。

3.6 车削工艺：“以车代磨” 的可行性

由于磨削工序复杂、对砂轮品质要求高、能耗大且污染严重，难以匹配精密 PRS 的制造需求，**“以车代磨”** 作为新技术逐渐得到应用，尤其在航空航天领域，数控车床的 “以车代磨” 及车铣复合工艺表现突出。

车削时采用超硬刀具（如 PCBN、金刚石等）对硬度＞50HRC 的材料进行精密车削，特点是刀具硬度高、每齿进给量小，可简化丝杠表面螺旋线切削，使刀痕更规整，表面粗糙度可降至 0.32μm（为磨削的 3 - 4 倍）；

加工效率是磨削的 4 - 6 倍，能耗仅为磨削的 1/5。此外，车削可通过大背吃刀量与高主轴转速，在一台机床上完成从毛坯到成品的加工，效率极高；表面残余应力分布更均匀，提升了螺纹件疲劳寿命；且无需冷却液，减少了对环境的污染与资源消耗。

磨、车削、旋风铣削的工艺对比

磨削：采用砂轮磨制 90°V 型槽，生产效率较低。

车削：以硬材料车削作为粗加工、终加工或精加工的新工艺，采用高转速、大切深，金属切除效率为磨削的 3 倍以上，优点是效率高，缺点是对长径比小的滚珠丝杠适配性欠佳。

旋风铣削：利用装在高速转刀盘上的硬质合金成型刀具，从工件上铣削螺纹，可一刀成型，通过压缩空气排屑冷却，无需加工螺纹退刀槽，解决了退刀槽部位的应力集中问题，适用于长径比大的滚珠丝杠。

3.7精密机床格局：进口替代进程加速

金属切削机床依加工方式可分为车床、镗床、铣床、钻床、磨床等。此前，高端精密机床多依赖德国、瑞士等进口设备，但国内厂商正加速技术突破，国产装备凭借技术进步、成本优势与服务能力，有望在该领域逐步实现进口替代，分享行业增长红利。

精密机床厂商——华辰装备

公司新推出的亚微米级磨床，可应用于人形机器人中 RV 减速器、谐波减速器核心零件的精密磨削加工；精密内外螺纹磨床则能用于人形机器人线性丝杠等零部件的精密磨削环节。在与富立亚的业务合作方面，行星滚柱丝杠等相关部件的前期合同正持续推进，首批设备预计于 2025 年 9 月完成交付。

精密机床厂商——秦川机床

主营业务划分为机床、零部件、工具模块、仪器仪表四大板块。其中，机床板块的核心产品包括精密磨齿机、数控车床、加工中心、车铣复合中心等。

旗下秦川 QC160K 系列专用机床、数控螺纹磨床、外圆磨床，一方面能为下游产业提供关键零件加工所需的高端装备及机床功能部件（如滚珠丝杠副、滚动直线导轨副），另一方面也向新能源汽车企业供应曲轴机床、螺纹磨床、齿轮磨床等设备。

截至 2025 年，公司已具备加工丝杠、螺母等机器人（含人形）零部件的能力，内螺纹磨床加工丝杠的精度可达 P0 级，滚珠丝杠副产品精度稳定在 P2 级（部分甚至达 P1 级），行星滚柱丝杠产品精度达 P3 级；子公司汉江机床还在推进高性能滚珠丝杠副的定型等工作。

精密机床厂商——日发精机

公司的数控螺纹磨床于 2023 年研发成功，可用于加工新能源汽车、人形机器人、工业母机等行业的丝杆与螺母，不仅加工效率高，精度也符合客户需求，已获得客户认可。由此，日发精机具备了丝杆、螺母加工用数控磨削设备的生产能力。市场开拓方面进展顺利，已与贝斯特、五洲新春等知名客户签订合同或达成战略合作，同时也在与部分意向客户开展技术交流、洽谈合作事宜。据全景网互动平台（2025 年 5 月）披露，公司用于丝杆、螺母加工的内 / 外螺纹磨床及磨削中心已向部分客户交付使用，用于螺母端面外圆加工的专用磨床也已向部分客户交付。

点击下方，查看近期热门行业研究报告