机器人行业研究：灵巧手研究系列（二）：丝杠配套量有望持续提升，机器人带来海量增长空间

投资逻辑 手部边际变化未来变化的主要集中点，单台人形机器人所需微型丝杠数量有望达到34-44个。根据特斯拉公开信息，GEN3灵巧手相比于GEN2的主要变化在于：（1）手部增加了自由度，从11提升到22个；（2）驱动器装载在了手腕部 位。若远指关节和近指关节耦合，则需要17个主动自由度，若不耦合则最多需要22个主动自由度；每个主动自由度 对应所需微型丝杠为1个。 手部承载力有待提升，丝杠是高承载力方案。当前灵巧手握力和承载力普遍低于5KG，但据《2020年中国成人健康调查》，人手握力为25KG以上，支撑力可以达到自身体重的60%-70%。机器人手若想全面实现通用性，则传动部件的承载力亟待提升。其中承载力、传动效率和精度按排序看，丝杠综合能力高于腱绳和连杆，且滚柱丝杠>滚珠丝杠>梯形丝杠，因此微型滚柱丝杠的具备较高的需求度，随着供应链的成熟提升性价比后，微型滚柱丝杠渗透率有望大幅提升。 当前成熟微型滚柱丝杠供应商较小，竞争格局较好。公开资料显示，目前上市公司中已经披露布局了手部微型丝杠业务的包含浙江荣泰和五洲新春。其中浙江荣泰预备收购狄兹精密传动公司（KGG），该公司技术来源于全球微型丝杠龙头日本KSS，同时具备大关节丝杠、微型滚珠丝杠（直径1.8mm起）和微型滚柱丝杠（直径4mm起）的能力，具备多年微型丝杠能力积累，具备较强先发优势。五洲新春1H24财务报告披露公司已经开始布局手部微型丝杠。 底层技术相通，后期具备大关节丝杠能力料将持续布局微型丝杠。微型丝杠当前主流技术方案为车铣磨工艺，当批量量产时为实现规模降本，有望通过轧制（冷锻）、以车代磨、粉末冶金等方案进行批量降本。其中车铣磨擅长精度但速度较慢，进口高精度内外螺纹磨床采购设备成本达上千万元/台，因此亟待提升性价比。根据《行星滚柱丝杠滚柱冷滚压成形机理与实验研究》，轧制丝杠优点在于加工效率是车铣磨效率的近10倍，且螺纹的表面光洁度较高，噪声较 小。以车代磨和粉末冶金在精度要求较低的情况下性价比极高。 最终工艺选择主要取决于性价比和机器人所需微型丝杠精度。当前机器人灵巧手尚在优化过程中，若算法能力持续迭代升级，有望降低对于丝杠等硬件精度的依赖，若采用C5级以下精度满足机器人手部需求，则轧制、以车代磨和粉末冶金精度都满足，有望带来设备、材料和制造端行业的需求提升。 投资建议与估值 生态形成良性循环，机器人升级迭代具备持续性。从上游资本开支提升、硬件降本，中游技术力提升到下游的实用性 提升，机器人行业的生态逐步形成良性循环，当前人形机器人正处于0-1变化的iphone时代，有望持续带来新的市场催化，具备较强的持续性，而机器人灵巧手价值量占比有望超30%，建议持续关注灵巧手边际变化。 机器人灵巧手丝杠边际变化最大，具备长期投资价值。机器人单手所需丝杠数量有望由0提升至22个，在百万台机 器人时代对应4400万个丝杠需求。后期随机器人销量往亿台过渡的过程中，有望进一步扩展市场空间。当前已经布局微型滚柱丝杠能力的上市公司包含浙江荣泰和五洲新春，且各自具备较强的技术实力和量产能力，长期具备较强降本能力，建议持续跟踪。 风险提示 人形机器人技术量产不及预期，技术路线发展不及预期，微型滚柱丝杠渗透率不及预期，产业链主业业绩不及预期。 内容目录 一、数量：0到22个，机器人单手丝杠数量跃升5 1.1特斯拉最新方案单手丝杠约17-22个5 1.2微型丝杠可能采用行星滚珠或者行星滚柱丝杠两类8 二、手部丝杠渗透率提升是大势所趋，丝杠+腱绳复合方案呈现加乘效应8 2.1传统传动：腱绳+连杆传动为行业主流，连杆传动具有精度、负载力、成本优势8 2.1.1传动装置是灵巧手性能的重要决定因素，腱绳已应用于Okada、DLR等灵巧手中8 2.1.2腱绳传动：具有可远距离传动、自适应性抓取的优点，广泛应用于空间环境9 2.1.3连杆传动：具有精度高、承载力强、成本低的优点，未来发展空间广阔10 2.2新型传动：微型丝杠唤醒传动新生，微型丝杠+腱绳复合传动有望成为灵巧手主流12 2.2.1微型丝杠+腱绳复合传动有已应用于Optimus灵巧手中，有望成为未来主流方案12 2.2.2滚珠丝杠：利用滚珠减小摩擦力，精度、平稳度、使用寿命大幅提高13 2.2.3行星滚柱丝杠：以滚柱代替滚珠进行传动，实现滚动丝杠承载力等各方面性能的跃升15 2.3价格探析：行星滚柱丝杠单价价格约2000元，国产化和市场扩容有望打破价格壁垒17 三、微型丝杠上下游产业链投资机会广阔，金属路线性价比高18 3.1金属路线：目前市面主流技术路线,KGG、新剑传动均采用金属材料18 3.1.1金属材料：国产轴承钢技术已实现一定突破，但与国外轴承钢仍有差距18 3.1.2加工工艺：目前丝杠加工工艺路线以车铣磨或冷锻+磨削为主19 3.1.3生产设备：丝杠加工设备仍以进口为主，国产丝杠加工设备存在“卡脖子”难题20 3.1.4粉末冶金也是丝杠加工中的一种重要技术21 3.2塑料路线：灵巧手轻量化重要实现路径，具有抗腐蚀性、高温稳定性等优势23 3.2.1PEEK材料：性能优异的工程塑料，助力轻量化突破23 3.2.2加工工艺：包括注塑成型、热压成型、模压成型等成型方法，注塑成型效率最高23 3.2.3生产设备：注塑机为关键加工设备，海天国际、伊之密为主要供应商23 3.3陶瓷路线：轻量化+高强度+耐磨损新型材料，可实现灵巧手使用寿命的延长24 3.3.1陶瓷材料：灵巧手微型丝杠的理想材料，已在汽车、机械等领域通过实践检验24 3.3.2加工工艺：分为压制法、注射法及流延法三种类型，压制成型具有成型速度快、精度高等优势24 3.3.3生产设备：高温、气氛烧结炉为关键生产设备，首钢股份、山东钢铁等公司可提供优质产品25 四、相关标的26 4.1微型丝杠加工与维护难度比普通丝杠更大26 4.2微型丝杠竞争格局：国外少数大型公司主导，国内追赶速度较快27 4.2.1舍弗勒通过收购优质行星滚柱丝杠厂商垄断了全球供应29 4.2.2浙江荣泰：拟收购精密丝杠生产商狄兹精密51%股权，布局人形机器人等领域29 4.2.3诺仕机器人成功研发目前全行业最小滚柱丝杠31 4.2.4五洲新春：主业轴承与丝杠底层原理相通，已布局微型滚柱丝杠31 五、投资建议32 六、风险提示32 图表目录 图表1：人手共有24个自由度5 图表2：除手腕和手掌外，人手共21个自由度5 图表3：灵巧手自由度最高已达24个5 图表4：特斯拉灵巧手自由度有提升趋势7 图表5：单个主动自由度=1个微型电机+1个滚柱丝杠+1个腱绳7 图表6：电机驱动+腱绳（复合丝杠等）传动+触觉（复合其他传感器）是主流发展方向7 图表7：微型滚柱丝杠因更大的承载力，适合放置于灵巧手大拇指8 图表8：灵巧手已逐步形成了腱绳、连杆、齿轮三种主要传动模式8 图表9：灵巧手通过模仿人手肌腱进行传动9 图表10：腱绳可远距离传动、传动效率高、可自适应抓取9 图表11：主流的腱绳传动方案包括N型、N+1型、2N型三种10 图表12：腱绳传动是目前灵巧手中应用最广泛的传动方式10 图表13：RobonautHand等空间环境灵巧手采用腱绳驱动10 图表14：连杆传动多采用平面四杆机构传动11 图表15：连杆传动负载力强、精度高、生产成本低11 图表16：连杆传动目前应用相对较少，但优势明显11 图表17：因时机器人采用直线驱动+空间连杆传动方式11 图表18：尺寸小型化、感知灵敏化和动作拟人化是灵巧手未来发展趋势12 图表19：微型丝杠+腱绳传动有望成为灵巧手主流方案12 图表20：复合传动的方案已应用于Optimus灵巧手中12 图表21：微型丝杠与腱绳的复合传动呈现加乘效应13 图表22：丝杠可分为梯形丝杠、滚珠丝杠和行星滚柱丝杠三种类型13 图表23：滚珠丝杠副由丝杠、螺母、滚珠组成14 图表24：滚珠丝杠通过螺纹将旋转运动转化为平移运动14 图表25：滚珠丝杠副的结构主要分为内循环结构、外循环结构、端盖结构和盖板结构14 图表26：标准式行星滚柱丝杠副由滚柱、丝杠、螺母、内齿圈和保持架构成15 图表27：行星滚柱丝杠在承载力、尺寸、噪音、寿命等方面明显优于滚珠丝杠15 图表28：滚柱丝杠可分为标准式、反向式、循环式、差动式和轴承环式五种类型16 图表29：2020年滚珠丝杠185元，低于行星滚柱丝杠17 图表30：2022年行星滚柱丝杠国产化率不足10%17 图表31：行星滚柱丝杠原材料成本占比大概为60%18 图表32：预计2030年行星滚柱丝杠市场可达124.9亿元18 图表33：KGG、新剑传动均采用金属路线18 图表34：微型手部丝杠产业链构成18 图表35：丝杠主要使用原材料化学成分含量（%）18 图表36：国产丝杠存在的带状偏析组织是造成其使用性能不佳的重要原因19 图表37：国内轴承钢主要供应商19 图表38：车铣磨加工流程图20 图表39：磨削工艺精度最高，是市场上的主流技术方案20 图表40：国内设备主要供应商21 图表41：粉末冶金工艺流程22 图表42：2023年中国粉末冶金市场占有率统计22 图表43：PEEK材料的主要供应商23 图表44：PEEK五种加工工艺23 图表45：海天国际是国内注塑机主要供应商24 图表46：陶瓷材料主要应用领域及代表企业24 图表47：干压成型原理25 图表48：流延成型包括球磨、流延、烧结等步骤25 图表49：注射成型包括混料、注射、脱脂、烧结等环节25 图表50：烧结设备主要生产厂商26 图表51：加压过程中粉末颗粒会发生重排、破裂、塑性流动26 图表52：流延成型工艺需要流延机进行生产26 图表53：微型丝杠与普通丝杆生产难度等对比27 图表54：研磨法与轧制法区别与代表厂商27 图表55：部分已知微型丝杆产品参数27 图表56：新剑传动、KGG和五洲新春已经研发出灵巧手部丝杠28 图表57：KGG微型丝杠直径达到1.8mm超小轴径30 图表58：KGG行星滚柱丝杠达到4mm轴径30 图表59：KGG线性执行器（行星）总行径为20-65mm30 图表60：KGG已经做出丝杠传动的灵巧手方案30 图表61：诺仕丝杠直径仅2.5mm，螺母直径6.5mm31 图表62：诺仕丝杠精度可达C5级31 图表63：五洲新春的主业产品轴承与丝杠底层技术相通32 图表64：金属路线是目前丝杠产业链的主流方案32 一、数量：0到22个，机器人单手丝杠数量跃升 1.1特斯拉最新方案单手丝杠约17-22个 人手共有24个自由度。据《机器人灵巧手——建模、规划与仿真》，人手24个自由度包含拇指5个自由度，其余4 指各4个自由度，另外还有腕的外展、腕的弯曲和手掌的弧度3个自由度。 图表1：人手共有24个自由度图表2：除手腕和手掌外，人手共21个自由度 来源：《机器人灵巧手——建模、规划与仿真》，国金证券研究所来源：《机器人灵巧手——建模、规划与仿真》，国金证券研究所 自由度越多，设计难度越大，难题之一是如何安置众多驱动器，让灵巧手的尺寸接近人手。目前已知自由度最多的是ShadowHand，自由度达到24个。特斯拉人形机器人第一代单手拥有6个自由度，第二代11个自由度，整体向自由 度更高发展。2014年起，已有至少4款灵巧手做到了21个自由度，传动方式上，韧带、腱绳和齿轮连杆均有采用。 灵巧手 主要研究单位 研究年份 手指个数 自由度 传动方式 OkadaHand 日本电工实验室 1974 3 11 腱-滑轮 SALISBURYHand 斯坦福大学 1983 3 9 腱-滑轮 Belgrade/USCHand 贝尔格菜德大学 1988 5 15 连杆 UBHand 博洛尼亚大学 1992 3 11 腱-滑轮 NTUHand 台湾大学 1996 5 17 齿轮 DISTHand 意大利热那亚大学 1998 4 16 腱-滑轮 RobonautHand NASA 1999 5 14 腱-滑轮 LMSHand 普瓦提埃大学 1998