工研院機械所 · 內部提案

人形機器人關節用
反向行星滾柱絲槓

無齒結構／錐度修形均載 · 方案 A · Phase 1

200萬 NTD
12個月
≥2件發明專利
試製代表規格 PRS
為人形機器人肘、膝關節，116 年完成代表規格試製 + 錐度修形均載驗證 + 無齒 FTO，117 年落地無齒結構試製，118 年試產數據支撐下移轉簽約，產出≥2 件專利 + 移轉包。
標竿拆解→ 試製打樣→ 116 錐度修形→ 117 無齒結構→ 專利 ≥2 件

01 計畫緣起與國家需求

什麼是 PRS？

行星滾柱絲槓以線接觸傳遞載荷，同等尺寸下動態負載為滾珠螺桿的 3–10 倍，剛性更高、壽命更長，適用高 duty cycle 與重載場合。

為何現在？

人形機器人每台約需 14 支反向式 PRS。2025 年全球產能短缺，中國新劍/五洲年產百萬台項目已動工，台灣 PRS 仍屬小眾。

台灣缺口

有優士特、詮豐等產品，但缺可製造設計、選配裝配與工況驗證 know-how。開發仍靠拆解試誤，週期 2–3 年。

工研院角色

不做量產競爭，產出 無齒結構 + 錐度修形均載 + 工況驗證 + 專利，供民間業者技術移轉。

需求面向說明
機器人國產化關節需高推力密度致動器，PRS 為關鍵瓶頸零組件
精機國產化從滾珠螺桿升級至 PRS，需設計方法論
供應鏈韌性歐系 GSA/Rollvis 占過半，中國低價擴產，台灣需自主設計
技術移轉產出無齒結構 + 修形方法 + 驗收規範，118 年試產數據支撐下簽約

02 四地競爭分析

廠商PRS 能力與本計畫
優士特 U-SCREWS台灣唯一專精 PRS潛在移轉對象
詮豐 CHPT反向/減程式 PRS潛在合作
上銀 2049滾珠螺桿全球第三已接觸人形客戶
全球傳動 45402024 開始開發 PRS缺設計 Know-how

進口依存 ~80% · 外資 CR4 占 ~78%

廠商地位2024–26
杭州新劍 + 五洲新春Tesla Optimus 一級供應年產百萬台 PRS 項目
博特精工、南京工藝國產替代定價約 Rollvis 50%
上海 KGG航太/機器人積極擴產
廠商定位
NSK、Tsubaki Nakashima精密製程標竿，半導體/高精度
THK線性運動綜合商，PRS 非主力
廠商定位
Moog + Exlar航太/國防 EMA 核心
Creative Motion Control美國本土 PRS 製造
Nook / Tolomatic工業標準品、快速交期

北美 2025 約占全球 36% 營收，航太/國防驅動。

廠商全球地位
GSA + Rollvis（瑞士）#1+#2，合計 >50% 份額
Bosch Rexroth、Schaeffler/Ewellix全球前三，整合 EMA
$12.5 億2025 全球市場
8.6%CAGR
37.5%亞太占比

03 計畫目標與專利佈局

CAE / 數值計算

接觸力學、FEA、壽命預測、最佳化

WP2 配對分析 · 專利主體
CAD / 加工 / 測台

機構設計、協力廠、試驗規劃

WP3–4 試製測試

量化 KPI

#目標指標
1可製造配對設計 + 試製打樣代表規格試製 ≥1 支；台架可測
2DN 32 反向式設計參數化 CAD + BOM
3試製驗證≥2 支，載荷/剛性/效率測試
4專利佈局 ★≥2 件發明專利申請
5產業鏈結≥5 家訪談，≥1 MOU/LOI
6移轉包配對準則、修形 SOP、測試 SOP

專利時程

M1–3FTO 初篩
M6交底書 #1 無齒 FTO + 結構概念
M9交底書 #2 錐度修形均載方法
M10–12正式申請 ≥2 件
P1 結構無齒（替代同步）反向 PRS（117 深化）
P2 方法滾柱錐度修形均載或分組選配方法
P3 測試關節用 duty cycle／剛性／效率測試方法

★ 行星滾柱絲槓的技術能量

1. 相對滾珠螺桿，PRS 的物理本質是什麼？

項目滾珠螺桿 BSM行星滾柱絲槓 PRS
接觸型式點接觸（球↔溝槽）線接觸（滾柱↔螺紋牙）
承載機制滾珠再循環，單球單點多滾柱×多牙同時承載
曲率半徑小（受球徑限制）大 → Hertz 應力低
動額定載荷基準同尺寸 3–10×
剛性 / 壽命中高 / 長（高 duty cycle）
代價成本低、易量產加工難、裝配靠技師、價格高

PRS 不是「更大的滾珠螺桿」，而是用多滾柱線接觸換取推力密度、剛性、壽命——人形關節（高 duty、5 kN 級、緊湊）正是其甜蜜點。

2. 結構形式有哪些？（本計畫為何選反向式）

Standard

標準式

螺桿驅動；滾柱無軸移；螺母兩端環齒圈同步。工具機、沖壓機。

Inverted ★

反向式

螺母驅動；滾柱–螺桿無軸移；同步齒在螺桿。人形關節、起落架、緊湊 EMA。本計畫鎖定。

Recirculating

循環式

滾柱無螺旋槽，凸輪復位，微導程。EUV 光刻、半導體長行程。

Differential

差動式

修改牙形角改變有效導程。減速增扭、微調定位。

3. 反向式 PRS 核心零件與運動

  馬達 → 旋轉 [ 螺母 Nut（長管，內多頭三角螺紋）]
                    │
         ┌─ Roller ×Z ─┐  單頭圓角牙 + 端部同步齒
         │   行星自轉+公轉  │
         └──── [ Screw ] ──┘  嚙合段多頭螺紋 + 外齒；輸出直線位移

  運動：螺母轉 1 圈 → 螺桿走 1 導程 L = n × P
零件牙形頭數功能
螺桿 Screw三角形n_S（DN32 取 3）直線輸出
螺母 Nut三角形= n_S旋轉輸入（馬達接合）
滾柱 Roller圓角形1載荷傳遞、行星運動
同步齒直齒—消除螺旋角傾覆力矩
保持架——滾柱等距、軸向定位

★ 理論設計研究：怎麼做？

4. 運動學 — 設計第一關（配對方程）

基本導程

L = n · P

L 導程 · n 頭數 · P 螺距。螺母轉一圈，螺桿位移 L。

滾柱軸向位移（含滑動效應, Hojjat 等）

ΔxR = P · ( nS + (dS/dR) · nR )

dS, dR 為螺桿/滾柱節圓直徑；nS, nR 為頭數與旋向。設計必須滿足配對，否則卡死或效率崩跌。文獻證實螺桿–滾柱介面存在滑動，不影響軸向定位精度，但影響效率與溫升。

5. 載荷與接觸力學 — 尺寸設計核心

6. 齒形幾何 — 關鍵設計變數（DN32 反向式）

符號意義設計值（初估）
dm節圓直徑~28–30 mm
P螺距3–5 mm
nS螺桿頭數3
Z滾柱數7–9
dR滾柱直徑8–10 mm
α牙形/接觸角40–90°

配對約束（5 項必須同時滿足）：① 節距一致 ② 頭數/旋向匹配 ③ 滾柱 360°/Z 均布 ④ 同步齒速比 ⑤ 無幾何干涉。

7. 完整設計流程

1需求

Fa, L, stroke, duty cycle

→
2型式

反向式

→
3配對

運動學方程

→
4幾何

參數化 CAD

→
5校核

Hertz, k, η, L10

→
6公差

預壓、滾柱選配

→
7試製

驗證理論

8. 製造工藝（設計必須可製）

工序方法難點
螺紋CNC 螺紋磨、旋風銑導程累積誤差 ±0.005 mm/300 mm
熱處理滲碳淬火 58–62 HRC變形 → 必須再磨
滾柱精密磨 + 分組選配同組徑差 ≤0.002 mm
裝配治具 + 預壓調整難全自動，技師依賴高

9. 理論研究模組 ↔ CAE 平台（不是空殼）

模組理論內容工具交付
R-KIN配對方程、滑動、傳動誤差Python/MATLAB配對設計準則
R-GEO牙形共轭、干涉檢查參數化 CAD3D 模板
R-LOADHertz、載荷分配、剛性ANSYS/Abaqus + solverCa≥5kN 反算
R-LIFEL10、Palmgren-MinerFE 疲勞 + duty cycle壽命預測式
R-EFF摩擦、滑動、預壓多體/解析η 曲線
R-OPTCa–k–η–mass 多目標優化耦合 R-KIN~LIFE專利 P2

試製 2 支的目的：驗證 R-LOAD / R-EFF / R-LIFE 模型（仿真 vs 實測 <20%），不是無理論的試錯。

04 技術方案

鎖定規格

反向式 Inverted · DN 32 · ≥5 kN · C5 · 效率 ≥80%

應用場景

人形/協作機器人肘、膝關節（Tesla Optimus 同級）

理論 + CAE

R-KIN 配對 · R-LOAD Hertz · R-LIFE 壽命 · R-OPT 多目標優化

驗證策略

1 支標竿拆解 + 2 支試製 · 簡易台架 · 仿真精度 <20%

CAE 平台架構

標竿幾何/公差
WP1 拆解
→
參數化 CAD
WP3 設計
→
CAE 仿真引擎
WP2 核心
接觸應力 Hertz/FEA
軸向剛性
傳動效率
溫升熱分析
L10 壽命
↓
試製驗證
WP4 台架
→
設計準則 + 專利
WP6 移轉包

競品對標（DN 32 關節帶）

項目Rollvis新劍/五洲優士特本計畫
型式反向/標準反向式USI 反向反向式
軸徑20–50 mm20–40 mm客製DN 32
推力3–15 kN3–8 kN依規格≥5 kN
設計 Know-how不公開不公開不公開可製造設計 + 選配 SOP 移轉
交期12–20 週4–8 週8–12 週設計包 4 週

05 工作項目與時程（WBS）

WP工作包期程預算交付物
WP1市場與標竿拆解M1–M335 萬拆解報告、競品資料庫
WP2配對設計與仿真驗證M2–M8人力配對準則、剛性分析、仿真比對
WP3詳細設計M4–M75 萬代表規格圖面、BOM
WP4試製驗證M7–M1185 萬2 支樣品、測試報告
WP5產業鏈結M3–M1215 萬≥5 家訪談、MOU
WP6移轉包產出M10–M12—準則手冊、SOP、專利
WP7機動/專利/耗材全年60 萬專利申請、感測器

12 個月甘特圖

M1M2M3M4M5M6 M7M8M9M10M11M12
WP1 標竿
WP2 CAE
WP3 設計
WP4 試製
WP5 產業
WP6 移轉

里程碑

M3標竿拆解報告

競品幾何資料庫完成

M6CAE v1.0

仿真 vs 文獻偏差分析

M9試製完成

實測 vs 仿真比對

M12專利 + Go/No-Go

≥2 件專利、Phase 2 決策

06 預算編列（200 萬）

外制費 85萬
人事 40萬
材料 35萬
專利 15萬
差旅 12萬
業務 8萬
管理 5萬
科目金額（萬）占比主要用途
外制費8542.5%試製加工、熱處理、治具
人事費4020%計畫津貼
材料費3517.5%標竿品、钢材、感測器
專利費 ★157.5%2 件申請 + FTO
差旅費126%產業訪談 ≥5 家
業務費84%耗材、工裝
管理費52.5%依規定

※ 試製超支時優先砍至 1 支樣品，保留試製、選配與專利預算。

07 預期成果與移轉規劃

📐

配對設計準則

可製造配對 + 選配規則 + 裝配 SOP

📋

代表規格工程圖包

參數化 CAD、BOM、協力廠估價

🔬

測試報告

2 支樣品載荷/剛性/效率數據

📜

≥2 件發明專利

修形方法 + 結構／測試（長官 KPI）

📦

技術移轉包

配對準則、修形 SOP、FTO 報告

🤝

產業 MOU

≥1 家移轉/合作意向

移轉對象策略（Phase 1 同步進行）

優先對象理由合作型態
全球傳動 45402024 才開發 PRS，缺 Know-how技術移轉
上銀 2049已接觸人形客戶仿真平台授權
優士特台灣 PRS 專精測試方法合作
詮豐 CHPT反向/減程 PRS規格共研

表 三年研究佈局（116–118）

產業問題

台灣雖為全球滾珠螺桿重鎮，但行星滾柱絲槓（PRS）仍高度依賴進口。人形機器人關節需高推力、高 duty cycle 之反向式 PRS；台灣缺乏無齒結構試製驗證、錐度修形均載 know-how 與關節工況驗證規範，無法支撐供應鏈國產化。

116搞懂 + 打樣 + 修形

試製 · 錐度修形 · 無齒 FTO · 2 專利

117結構 + 工況

無齒結構 · 三類規格 · beta 2,000 hr

118規範 + 移轉

試產驗證 · 數據支撐下簽約 · 規範草案

項目 116 年（第 1 年） 117 年（第 2 年） 118 年（第 3 年）
解決方案 可製造設計 + 試製 + 錐度修形
  • 標竿反向式 PRS 拆解，反求配對參數
  • 建立可製造配對設計準則與剛性分析
  • 完成代表規格試製 1–2 支 + 台架驗證
  • 滾柱錐度修形均載對照試驗（修形 vs 未修形）
  • 無齒反向 PRS FTO 初篩（CN121719879A）
  • 申請 ≥2 件發明專利
 無齒結構 + 關節工況
  • 無齒（替代同步）結構詳設與試製驗證
  • 擴展小／中／大三類代表規格
  • PRS+馬達+感測 致動模組概念設計
  • duty cycle / 溫升完整測試
  • 1–2 家產業 beta 試用（≥2,000 hr）
 試產驗證 + 條件成熟後移轉
  • 小量試產 50–100 支，良率/成本模型
  • 建立 PRS 關節用驗收規範草案
  • 試產／beta 數據支撐下 MOU/移轉簽約
  • 產出技術移轉包（結構、修形 SOP、FTO）
示意圖

反向式 PRS 爆炸圖

錐度修形均載示意

試製件 + 台架示意

無齒結構剖面

三類代表規格比較

關節致動模組剖面

技術移轉包架構

試產流程 + SPC 示意

移轉廠合作架構
展示說明
  • 標竿拆解報告 + 反求參數表
  • 錐度修形均載對照試驗摘要
  • 代表規格實物樣品 + 台架剛性/效率曲線
  • 無齒方案 FTO 初篩結論
  • 專利收執 ≥2 件
  • 無齒結構樣機 + duty cycle 展示
  • 三規格设计包；台架 vs 设计 <15%
  • Beta 試用 2,000 hr 報告摘要
  • 專利累計 ≥3 件
  • 試產數據支撐下移轉簽約 + 移轉包交付
  • 試產批次樣品 + 成本/良率報告
  • 驗收規範草案發布說明
  • 三年 KPI 達成總表
技術規格
（驗收量化）
  1. 專利 ≥2 件（已送件）★必要
  2. 代表規格：Ca ≥5 kN、剛性 ≥500 N/μm、C5
  3. 錐度修形均載對照試驗完成
  4. 無齒 FTO 初篩完成
  5. 台架效率 ≥80% @ 額定載荷
  6. 訪談 ≥5 家、意向 ≥1 家
  • 小／中／大三類代表規格完成率 100%
  • 無齒結構試製完成
  • 致動模組概念設計 1 式
  • Beta ≥2,000 hr 無重大失效
  • 專利累計 ≥3 件
  • 移轉包交付 100%
  • MOU/移轉簽約 ≥1 家（試產數據支撐下）
  • 試產 50–100 支、良率 ≥70%
  • 驗收規範草案 ≥20 項指標
  • 專利累計 ≥4 件
預期效益
  • 國內首套反向 PRS 無齒結構 + 修形均載驗證基礎
  • ≥2 專利，結構／方法可防禦
  • 釐清 Go/No-Go，降低投資風險
  • 三規格設計包 → 產業快速客製
  • Beta 支撐 ≥1 家設備商採用
  • 元件 → 致動子系統 價值提升
  • 專利 ≥3 件，移轉談判籌碼
  • 技術移轉 1 家（試產驗證完成後簽約）
  • 試產驗證量產可行性
  • 驗收規範供國內 PRS 產業引用
  • 支撐人形機器人 PRS 國產化

※ 116 年技術規格已依重要性排序；示意圖欄位可替換為實際工程圖/仿真截圖。

08 Phase 2 展望

Phase 1 · 本提案

200 萬 / 12 月

  • 代表規格試製 + 標竿拆解
  • 錐度修形均載對照 + 無齒 FTO
  • ≥2 件發明專利
  • 移轉包初稿 + MOU
Go →
117–118 · 待核准

200 萬/年 × 2

  • 117 無齒結構試製 + beta
  • 三類代表規格擴展
  • 118 試產 50–100 支
  • 數據支撐下移轉簽約 + 規範草案

Go/No-Go 門檻（116 → 117）

必達≥2 件發明專利已申請
3/5代表規格試製 + 台架可測
3/5錐度修形均載對照完成
3/5≥1 家 MOU/LOI
3/5無齒 FTO 無 blocking

09 風險與因應

風險機率影響因應措施
試製加工超支中高砍至 1 支樣品；CAE 為主交付
標竿品採購困難/過貴中中改中國 KGG 樣品或文獻逆向
FTO blocking patent低高M1 即啟動初篩；聚焦方法專利
仿真精度未達 20%中中標竿拆解校正；簡化模型
無產業 MOU中中WP5 列為正式 KPI；工研院媒合
人力不足（2 人）中中產學合作；外包 CAE 子模型
中國低價競爭高低不拼量產；聚焦設計 Know-how 移轉

10 決策請求

懇請核准 Phase 1 計畫

經費200 萬元（新台幣）
期程12 個月
人力2 名（CAE + CAD/測台）
核心 KPI≥2 件發明專利申請

三段論

  1. 為何現在？ 人形機器人 2025–27 量產驗證期；中國 PRS 產能已動，台灣缺設計能力，窗口 2–3 年。
  2. 為何工研院？ 民間有產品無結構創新驗證；本計畫以無齒結構 + 錐度修形形成可專利、可移轉 know-how。
  3. 200 萬會否打水漂？ 分階段門檻明確；116 必交付試製 + 修形對照；118 移轉須試產數據支撐，沉沒成本可控。

Phase 2（500–800 萬）待 Phase 1 Go/No-Go 評估後再議。

附 DN 32 技術規格摘要

參數規格備註
型式反向式 Inverted螺帽旋轉
公稱直徑DN 32 mmOptimus 級
額定動載荷≥5,000 N肘/膝
精度C5研磨級
導程5–10 mm可調
效率≥80%仿真+實測
剛性≥500 N/μm預壓狀態
壽命 L10≥10,000 hr@ 額定載荷
材料GCr15 / 100Cr658–62 HRC