线性执行器与旋转执行器：人形机器人关节的核心选择

机器人关节模组是人形机器人的核心硬件，目前主要分为两大类：旋转型和直线型。在人形机器人设计中，通常需要根据应用场景和制造成本进行权衡选择。

直线执行器与旋转执行器之间的根本区别

旋转执行器：多种减速机方案满足人形机器人身体功能需求

• 旋转执行器由电机（无框力矩电机）、减速机（谐波减速机、行星减速机、摆线针轮减速机）、传感器（力矩传感器）、编码器和轴承（交叉滚子轴承、角接触球轴承）组成。

• 精密行星减速机：适用于高负载、强冲击的身体部位；制造工艺相对成熟。在加工工艺和设备方面，可升级为高精度 CNC 机床解决方案。

• 摆线针轮减速机：采用一级行星级与二级摆线针轮级相结合的结构，可灵活调整以满足不同身体部位的要求。新机型设计与迭代呈加速趋势，部分制造商正在开发有针对性的轻量化工艺。

• 谐波减速机：一种高精度、轻量化减速机，适用于人形机器人上肢等部位。制造工艺创新包括将精冲技术应用于减速机核心部件，以及微型减速机零件的制造。

直线执行器：电机 + 直线部件 - 推/拉如何实现机器人运动 + 负载？

直线执行器由电机（无框力矩电机）、丝杠（行星滚柱丝杠、滚珠丝杠）和传感器（力矩传感器）组成。

由于现有加工难度，灵巧手中的微型减速机主要采用梯形丝杠或滚珠丝杠。尺寸较大的执行器则可采用行星滚柱丝杠方案。

滚珠丝杠技术相对成熟；加工难点在于螺母内滚道的加工，尤其是要避免大导程螺母中的砂轮干涉。

行星滚柱丝杠分为标准型、反向型等。加工工艺包括磨削以及以车代磨。

直线执行器与旋转执行器在应用场景中的差异

• 旋转执行器可实现绕单轴旋转，输出旋转运动，使人形机器人能够完成各种角度的旋转动作。它们通常用于需要高扭矩的关节，如肩关节、腰部和髋关节。

• 成本角度：在旋转执行器中，谐波减速机、力矩传感器和无框力矩电机的成本占比较高，分别约为 36.0%、30.0% 和 13.5%，合计约占旋转执行器成本的 79.5%。

• 直线执行器将电机的旋转运动转换为直线运动输出，具有良好的支撑性能和承载能力。它们主要用于高负载、小旋转角度的场景，如膝关节、肘关节和踝关节。

• 成本角度：在线性执行器中，行星滚柱丝杠、力传感器和无框力矩电机的成本占比较高，分别约为 64.2%、16.1% 和 7.2%，合计约占线性执行器成本的 87.5%。

直线执行器与旋转执行器的优缺点

旋转执行器：旋转执行器的生产和应用相对成熟，并已在全球市场得到验证。它们适用于肩部和髋部等大角度旋转关节。其传动效率高，传动精度能够满足大多数人形机器人的要求。与直线执行器相比，旋转执行器具有更强的动态特性和更高的集成度。

直线执行器：线性执行器中的行星滚柱丝杠可通过预紧螺母轻松实现保持刚性和零背隙传动。由于线/面接触，行星滚柱丝杠能够保持良好的刚性，这更有利于上肢进行精细且稳定的操作。

然而，线性执行器的动态特性较弱：由于减速比较高，在相同功率密度下输出速度相对较低，且通频带较窄，不利于实现高动态运动（相比行星减速机关节或液压驱动）。

此外，系统集成度相对较低，成本较高。关节末端无法通过电流环方式感知外力；力控制必须依赖安装在关节末端的额外力传感器，从而导致系统集成度较低且成本更高。目前，Tesla 采用的 RVI（反向行星滚柱丝杠）构型在加工技术方面面临重大挑战。

直线执行器和旋转执行器在运动形式、结构特性、性能参数和应用场景方面各有优势。目前，旋转执行器，尤其是谐波旋转执行器，仍然是市场上的主流选择。选择正确的执行器是人形机器人研发中的关键决策。