人形机器人旋转执行器：小小轴承，大作用

更新时间：2025-02-07 23:58  浏览量：1

如果把人形机器人比作一个充满活力的舞者，那么旋转执行器就是其关节中的 “引擎”，驱动着每一个灵动的动作。旋转执行器作为人形机器人的核心部件，主要由电机、减速器、传感器和控制器等组成 ，其工作原理是将电能转化为机械能，通过电机输出动力，经过减速器调节扭矩和转速，再由传感器实时监测运动状态，最后由控制器根据预设程序精确控制运动的方向、速度和位置。

从本质上来说，旋转执行器为机器人提供了关键的自由度。以人类的手臂为例，我们的肩部、肘部和腕部拥有多个自由度，使得我们能够完成如挥手、抓取、书写等复杂动作。人形机器人也是如此，其旋转执行器的数量和分布决定了它的自由度数量和运动范围。一般而言，机器人需要完成的任务越复杂，所需的旋转执行器数目就越多，自由度也就越高。比如，特斯拉的 Optimus 人形机器人全身配备了 14 个旋转执行器，这些执行器分布在机器人的各个关节部位，使得它能够实现行走、跑步、弯腰、抬手等多种类人动作 。

在人形机器人实现复杂动作的过程中，旋转执行器起着无可替代的关键作用。在工业生产中，机器人需要精准地抓取和放置各种零部件，这就要求旋转执行器具备高精度的定位能力和稳定的扭矩输出，以确保操作的准确性和可靠性。在服务领域，机器人可能需要与人进行自然交互，如跳舞、引导等，这就需要旋转执行器能够快速响应指令，实现流畅、自然的动作，以提升用户体验。可以说，旋转执行器性能的优劣，直接影响着人形机器人的工作效率、精度和灵活性，是决定人形机器人能否在各种场景中高效运行的关键因素。

在旋转执行器这个精密而复杂的系统中，轴承扮演着 “隐形支柱” 的关键角色，虽然它常常隐藏在设备内部，不被轻易察觉，但却对旋转执行器的性能起着决定性作用。

从最基本的功能来看，轴承的首要任务是支撑旋转部件，确保电机轴、减速器输入输出轴等在旋转过程中的稳定性。以常见的电机为例，电机在高速运转时，转子会产生较大的离心力和振动，如果没有高质量的轴承支撑，转子就会出现晃动，导致电机运行不稳定，甚至可能损坏电机。而轴承就像一个坚固的 “底座”，牢牢地固定住转子，使其能够在高速旋转中保持精确的轴心位置，从而保证电机的正常运行。

在减少摩擦方面，轴承的作用更是不可替代。当旋转执行器的部件相对运动时，摩擦会导致能量损耗、发热和磨损，严重影响设备的效率和寿命。轴承通过其特殊的结构设计，如滚动体（滚珠、滚子等）与滚道之间的滚动摩擦，大大降低了摩擦系数。与直接的滑动摩擦相比，滚动摩擦的能量损耗可降低数倍甚至数十倍 。这不仅提高了旋转执行器的能量转换效率，减少了能源消耗，还降低了部件的磨损程度，延长了设备的使用寿命。

轴承对于旋转执行器的运动精度和稳定性有着至关重要的影响。在人形机器人进行高精度操作时，如抓取微小物体、进行精细装配等，旋转执行器的运动精度直接决定了操作的成败。高精度的轴承能够将旋转部件的跳动和偏差控制在极小的范围内，确保执行器输出的运动精确无误。同时，轴承的刚度和承载能力也保证了在承受各种外力和力矩时，执行器依然能够稳定运行。如果轴承的精度不足或刚度不够，机器人在运动过程中就会出现抖动、偏差等问题，无法完成精准的任务。

人形机器人在日常运行中，需要完成各种复杂的动作，这对轴承的负载能力提出了极高的要求。以搬运重物为例，机器人的手臂在伸展和抬起物体的过程中，其关节处的旋转执行器中的轴承不仅要承受手臂自身的重量，还要承受重物的重力以及运动过程中产生的惯性力。如果轴承的负载能力不足，就可能导致轴承变形、损坏，进而使机器人无法正常工作。

高负载能力的轴承能够确保机器人在各种动作下都能稳定运行。在设计上，这类轴承通常采用特殊的材料和结构，如增加滚动体的数量和尺寸、优化滚道的形状和接触角度等，以提高其承载能力。在一些大型工业人形机器人中，会使用重载型的交叉滚子轴承或圆锥滚子轴承，这些轴承能够承受较大的径向、轴向和倾覆力矩载荷，为机器人的稳定运行提供坚实保障 。例如，在汽车制造车间中，负责搬运大型汽车零部件的人形机器人，其关节处的轴承需要具备强大的负载能力，以应对沉重的零部件和频繁的搬运动作，确保机器人在高强度工作下的可靠性和稳定性。

在执行任务时，人形机器人常常需要完成一些精细的操作，如电子元件的组装、手术辅助等。这些任务对机器人的运动精度和重复性要求极高，而高精度和高重复性的轴承是实现这一目标的关键。

以电子元件组装为例，机器人需要将微小的电子元件准确地放置在电路板上的指定位置，这就要求旋转执行器的运动精度达到微米甚至纳米级别。高精度的轴承能够将旋转部件的跳动和偏差控制在极小的范围内，确保执行器输出的运动精确无误。同时，高重复性保证了机器人在每次执行相同动作时，都能达到相同的精度标准，避免了因误差积累而导致的操作失误。在医疗手术辅助场景中，机器人协助医生进行微创手术时，轴承的高精度和高重复性能够保证机器人的操作精准，减少对患者组织的损伤，提高手术的成功率 。

高精度和高重复性的轴承不仅提升了机器人完成精细任务的能力，还显著提高了机器人的工作质量。在工业生产中，高精度的机器人操作能够减少产品的次品率，提高生产效率和产品质量；在服务领域，高精度的机器人运动能够提供更加优质的服务体验，增强人机交互的友好性和可靠性。

低摩擦和低扭矩的轴承对于人形机器人来说，就像是为其赋予了灵动的 “舞姿”，使其能够更加高效、敏捷地运动。当轴承的摩擦和扭矩较低时，机器人在运动过程中所需克服的阻力就会减小，从而大大减少了能量的损耗。

在能源利用方面，低摩擦和低扭矩的轴承能够提高机器人的运动效率。以一个持续工作的人形机器人为例，采用低摩擦轴承后，其在完成相同任务时的能耗可能会降低 20% - 30%，这不仅降低了运行成本，还延长了机器人的续航时间。在响应速度上，低扭矩的轴承使得机器人能够更加快速地启动、停止和改变运动方向。在机器人进行舞蹈表演时，快速的响应速度能够让它更加流畅地完成各种复杂的动作组合，展现出优美的舞姿；在工业生产中，快速的响应速度能够提高生产效率，满足生产线对快速作业的需求 。

为了实现低摩擦和低扭矩，轴承制造商通常会采用先进的材料和润滑技术。使用特殊的陶瓷材料或高性能的合成材料作为滚动体和滚道，这些材料具有较低的摩擦系数；同时，采用优质的润滑脂或润滑油，能够在滚动体和滚道之间形成一层均匀的润滑膜，进一步降低摩擦和磨损。

人形机器人的工作环境往往复杂多变，可能面临高温、高湿度、粉尘、振动等恶劣条件。在这样的环境下，轴承必须具备高可靠性，才能确保机器人的稳定运行。在高温环境中，轴承的材料可能会发生热膨胀，导致间隙变化和润滑性能下降，如果轴承的可靠性不足，就很容易出现故障；在粉尘较多的环境中，灰尘颗粒可能会进入轴承内部，加剧磨损，影响轴承的性能和寿命。

长寿命的轴承对于降低机器人的维护成本具有重要意义。频繁更换轴承不仅会增加维修时间和成本，还会影响机器人的正常使用。以一台工业人形机器人为例，如果其使用的轴承寿命较短，每年可能需要更换 2 - 3 次轴承，每次更换的成本包括轴承本身的费用、维修人员的工时费以及因停机造成的生产损失等，累计下来成本相当可观。而长寿命的轴承可以将更换周期延长至数年甚至更长，大大降低了维护成本和停机时间，提高了机器人的使用效率和经济效益 。

为了提高轴承的可靠性和寿命，制造商通常会在材料选择、结构设计和制造工艺等方面下功夫。采用高强度、耐腐蚀的材料，优化轴承的密封结构，防止污染物进入；通过先进的制造工艺，提高轴承的精度和表面质量，减少应力集中和磨损。

交叉滚子轴承的滚子呈 90° 相互垂直交叉排列，滚子之间装有间隔保持器或隔离块，防止滚子的倾斜或相互摩擦 ，有效减少了旋转扭矩的增加。其内外环采用分割结构，间隙可调整，即便施加预压，也能实现高精度的旋转运动。在人形机器人的旋转执行器中，交叉滚子轴承主要用于承受较大的轴向、径向负荷以及力矩负荷。比如在机器人的肩部关节，需要进行多方向的复杂运动，交叉滚子轴承能够稳定地支撑电机轴和减速器输出轴，确保在承受手臂自重和外部负载时，关节依然能够精确、平稳地旋转，实现如挥手、抓取重物等动作。其高刚性和紧凑的设计，不仅大幅节省了安装空间，还提高了机器人关节的运动精度和稳定性 ，是旋转执行器不可或缺的关键部件。

柔性球轴承是一种特殊的薄壁球轴承，主要用于谐波驱动机构的波发生器。其截面非常薄，当与凸轮轴组装时会变成椭圆形，以实现谐波传动所需的功能。在谐波驱动中，波发生器使柔性轮产生弹性变形，与刚性轮相互作用实现运动传递。柔性球轴承在其中起到了关键的支撑和传动作用，它能够承受径向载荷和有限的轴向载荷 ，确保波发生器的稳定运行。在人形机器人的小臂关节中，常常采用谐波驱动来实现高精度的运动控制，柔性球轴承就如同 “亲密战友”，帮助谐波驱动机构高效地将电机的旋转运动转化为精确的关节运动，使机器人能够完成如穿针引线、书写等精细动作。

四点接触轴承的内、外圈滚道是桃型的截面，当无载荷或是纯径向载荷作用时，钢球和套圈呈现为四点接触，而在纯轴向载荷作用下，钢球和套圈则成两点接触，这使其可以承受双向的轴向载荷，还能承受力矩载荷，兼有单列角接触球轴承和双列角接触球轴承的功能 。在旋转执行器中，四点接触轴承常用作输入轴承，用于处理两个方向的径向和轴向载荷组合。在机器人的腰部关节，需要同时承受身体的重量和扭转力，四点接触轴承能够凭借其多功能的特性，稳定地支撑旋转部件，确保腰部关节在承受复杂载荷时依然能够灵活、准确地转动，实现机器人的转身、弯腰等动作，是一种多功能、紧凑且经济高效的解决方案。

角接触球轴承由内圈、外圈、滚动体（钢球）和保持架组成，其工作原理是当内圈或外圈受到旋转力矩时，滚动体在内外圈滚道之间滚动，实现力的传递和运动的转换。单列角接触球轴承只能承受一个方向的轴向载荷，在承受径向载荷时会引起附加轴向力，因此通常成对使用，以实现双向轴向载荷能力。随着接触角的增加，其载荷能力也随之增加。在人形机器人的颈部关节，需要实现多个方向的灵活转动，同时承受头部的重量和运动时产生的各种力 。成对使用的角接触球轴承能够有效地应对这些双向载荷，确保颈部关节的稳定和精确运动，使机器人能够实现如转头、抬头、低头等动作，为机器人提供更加灵活和自然的运动表现。

RNN 轴承，又称为满装圆柱滚子轴承，采用非常紧凑的设计，具有强大的重载承受能力。它的滚子数量较多，且没有保持架，使得轴承的径向承载能力大幅提高。在人形机器人的腿部关节，需要承受整个身体的重量以及行走、跑步等运动时产生的巨大冲击力和振动。RNN 轴承能够在这些重载条件下，稳定地支撑腿部的旋转执行器，减少振动，提高控制力和刚性 。以 Atlas 机器人为例，其在复杂地形行走时，腿部关节承受着极大的压力和冲击，RNN 轴承的应用使得腿部执行器能够稳定运行，确保机器人的行走稳定性和灵活性，是重载应用场景下的理想选择 。

随着人形机器人应用场景的不断拓展和功能需求的日益复杂，旋转执行器对轴承的需求也带来了一系列挑战。在技术层面，如何进一步提高轴承的综合性能，如在高负载下保持高精度和低摩擦，同时满足小型化、轻量化的设计要求，是当前面临的关键问题。制造工艺的复杂性和成本控制也是一大挑战。高精度、高性能的轴承往往需要先进的制造工艺和精密的加工设备，这不仅增加了生产成本，也限制了产能的提升 。

在市场竞争方面，全球轴承市场竞争激烈，国际八大跨国轴承企业占据了 70% 的市场份额，基本垄断了中高端轴承市场，国内企业在技术、品牌和市场份额上仍面临较大压力 。而且，人形机器人行业仍处于发展初期，市场需求尚未完全释放，轴承企业需要在研发投入和市场拓展之间找到平衡，以应对市场的不确定性。

然而，挑战与机遇并存，未来轴承技术的发展方向也为这些问题提供了解决思路。在材料创新方面，研发新型的高性能材料，如陶瓷材料、高强度合金等，有望进一步提高轴承的性能。陶瓷轴承具有低密度、高硬度、耐高温、耐腐蚀等优点，能够显著提高轴承在极端条件下的运行性能，未来在人形机器人领域的应用前景广阔 。

在设计创新上，通过优化轴承的结构设计，如采用新型的滚道形状、滚动体排列方式等，可以提高轴承的负载能力、精度和寿命。一些新型的轴承设计还能实现自润滑、自适应调节等功能，进一步提升机器人的性能和可靠性 。

随着物联网、人工智能等技术的发展，智能化轴承也将成为未来的发展趋势。智能化轴承能够实时监测自身的运行状态，如温度、振动、磨损等，并通过数据分析进行故障预测和诊断，实现预防性维护，这将大大提高人形机器人的运行稳定性和维护效率 。

从长远来看，轴承技术的进步将为人形机器人的发展带来巨大的推动作用。更先进的轴承将使机器人能够实现更加复杂、精准和高效的动作，拓宽其在医疗、救援、航天等更多领域的应用。在医疗手术中，高精度的机器人操作可以提高手术的成功率和患者的康复效果；在灾难救援中，机器人能够在危险环境中执行复杂任务，减少人员伤亡。

轴承，这个看似不起眼的小部件，却在人形机器人的旋转执行器中扮演着不可或缺的关键角色。从支撑旋转部件到减少摩擦，从确保运动精度到承受各种载荷，轴承的性能直接决定了旋转执行器的效率、精度和可靠性，进而影响着人形机器人在各个领域的应用表现。

尽管当前轴承技术在满足人形机器人需求方面仍面临诸多挑战，但这些挑战也为技术创新提供了广阔的空间。随着材料科学、设计理念和制造工艺的不断进步，我们有理由期待，未来的轴承将以更高的性能、更低的成本，为人形机器人的发展注入强大动力。届时，人形机器人将能够在更多领域发挥更大的作用，为人类的生活和工作带来更多的便利和惊喜。让我们共同期待轴承技术与人形机器人产业相互促进、共同发展的美好未来 。