为什么行星滚柱丝杠能在机器人技术中实现最佳性能

您可能不熟悉滚柱丝杠，但这些紧凑、高效的螺旋传动装置是日常设备和产品生产中的重要技术。事实上，您的汽车在生产和组装过程中，可能有超过20个滚柱丝杠参与冲压、弯管和铆接等工序。

但滚柱丝杠的应用不仅限于汽车和重工业，例如注塑成型和机械加工。相反，滚柱丝杠能够实现任何螺旋技术中最小的位移（运动），同时保持极其安静、平稳的运行，这使其非常适合机器人领域的各种应用。

机器人需要什么：高效率、紧凑尺寸

说到精密螺旋技术，主要有三种选择：梯形丝杠、滚珠丝杠和滚柱丝杠。梯形丝杠在结构和材料上通用性强，但其效率和承载能力相对较低。滚珠丝杠效率良好，但当应用需要小直径丝杠和小导程时，承载能力会受到影响，因为承载的滚珠也必须非常小。 

另一方面，滚柱丝杠在紧凑的外形尺寸下具有良好的推力，并且效率卓越，是所有方案中最好的。一个典型例子：在比较相同直径（导程均为1毫米）的各种螺旋技术的承载能力和效率时，行星滚柱丝杠的承载能力是滚珠丝杠的四倍，效率则是梯形丝杠的两倍。 

这种性能与结构特点的组合，使滚柱丝杠成为许多机器人及相关应用的理想解决方案。例如，通过线性驱动连接关节的机器人（类似于二头肌控制前臂运动的方式），得益于滚柱丝杠驱动器更高的承载能力和更轻的重量。

在机器人抓取应用中，滚柱丝杠可以提供可靠夹持所需的极高保持力，并且只需极小的输入扭矩即可实现。这种高力与低输入扭矩相结合的关键，在于使用导程非常小的丝杠。

滚柱丝杠也可用于机器人末端执行器的工具中。在这些应用中，行星滚柱丝杠能够在小型外壳内产生大推力，与其他方案相比具有优势。这是因为保持低重量（质量）对位于机器人机械臂末端的部件至关重要。 

位于机器人机械臂末端的重物会产生显著的惯性，这使得精确控制机器人运动变得困难，并且在某些情况下需要更大的电机和其他传动部件。这种优异的功率重量比，是点焊机器人和自动铆接机绝大多数采用滚柱丝杠驱动的关键原因。

机器人技术的发展趋势

现代计算、制造方法和电池技术推动了自动化和电气化的快速发展，催生了许多几年前还不可能实现的机器人和移动应用。其中一个例子是有源假肢（由电机驱动的假肢）的研发，它们显著改善了截肢者的功能和运动能力。

与每个关节都使用独立电机和减速器的大型工业机器人不同，许多有源假肢采用螺旋驱动的线性执行器，从而可以实现更小、更轻、更坚固的结构。虽然有源假肢可以使用多种类型的丝杠，但滚柱丝杠相比其他技术具有重要优势：无与伦比的性能与尺寸比。 

例如，直径仅3.5毫米的滚柱丝杠（小到可以放在手掌上）能够推动高达227千克的负载，并实现微米和亚微米级别的运动，从而更好地模拟人类的关节和手指。

机电外骨骼是另一项快速发展的机器人技术。根据预测，2021年至2026年间外骨骼市场将增长超过46%，其中主动外骨骼将占据此增长的较大份额（相比被动外骨骼）。

尽管我们希望能够编程让机器人完成任何对人类来说过于繁重或危险的手工任务，但变量太多，对于许多任务（例如修剪住宅院子里的树枝）而言并不实际。解决方案是人工操控的外骨骼或主动控制的机器人。 

这结合了人类的决策能力、更低的风险、更少的伤害以及更高的承载能力。与假肢一样，外骨骼也面临重量、尺寸和复杂性方面的结构限制。在这方面，极高的力与尺寸、重量之比使滚柱丝杠成为理想的解决方案。

机器人应用越小、越便携，能耗、尺寸和重量等属性的限制就越突出。无论是无人机、自主水下航行器（AUV）还是太空探测车，要求都是相同的：在尽可能小的占用空间内实现高效率、高强度和高可靠性。