人形機(jī)器人的關(guān)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)旋轉(zhuǎn)與線性運(yùn)動，這背后離不開軸承的關(guān)鍵作用。軸承在人形機(jī)器人中主要分布在減速裝置以及關(guān)節(jié)的連接部位，為機(jī)器人的靈活運(yùn)動提供支撐。
1、減速器 & 軸承
減速器是人形機(jī)器人中核心的動力傳達(dá)機(jī)構(gòu)，可以類比做人的關(guān)節(jié)。精密減速器是連接動力源和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的中間裝置，其作用是降低伺服電機(jī)的高轉(zhuǎn)速、通過齒輪減速比放大伺服電機(jī)的原始扭矩，并提供高剛性保持、高精度定位。人形機(jī)器人減速器主要有諧波減速器、RV減速器、行星減速器等類型，不同類型的減速器對軸承的要求也不同：
1）諧波減速器軸承
機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)主要使用諧波減速器，其制造技術(shù)基礎(chǔ)是諧波傳動，諧波減速器是由波發(fā)生器（柔性軸承）、交叉滾子軸承（剛性軸承）、帶有外齒圈的柔性齒輪（柔輪）、和剛性齒輪（剛輪）4個基本構(gòu)件組成的機(jī)械傳動。
諧波減速器中通常使用1個交叉滾子軸承和1個柔性軸承。
① 剛性軸承/交叉滾子軸承
國內(nèi)交叉滾子軸承市場高度集中，洛陽鴻元是該領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊。由于制造交叉滾子軸承的技術(shù)要求較高，全球的主要生產(chǎn)廠商主要集中在日本和德國，其中包括日本的THK、IKO、NSK，以及日本的哈默納科和德國舍弗勒集團(tuán)的INA品牌。在價格方面，國內(nèi)外交叉滾子軸承的售價存在顯著差異，差距超過30%。
② 柔性軸承
柔性軸承是諧波減速器中不可或缺的核心組件。與傳統(tǒng)軸承不同，柔性軸承是一種薄壁球軸承，其外圈較薄，容易發(fā)生徑向變形。由于在裝配過程中會產(chǎn)生較大的預(yù)應(yīng)力和預(yù)變形，柔性軸承在未安裝到波發(fā)生器的橢圓形凸輪之前是圓形的，安裝后則變?yōu)闄E圓形。對于諧波傳動裝置而言，柔性軸承的彈性變形能力是實現(xiàn)高減速比的關(guān)鍵。
2）RV 減速器軸承
RV減速器，也被稱作旋轉(zhuǎn)矢量減速器，包括前級的行星齒輪減速器與后級的擺線針輪減速器。這種傳動方式是在經(jīng)典的針擺行星傳動技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展而成的，它集合了眾多優(yōu)勢，如緊湊的體積、輕巧的質(zhì)量、寬廣的傳動比、長久的使用壽命、穩(wěn)定的精度保持、高效率以及平穩(wěn)的傳動性能。
與諧波減速器相比，RV減速器展現(xiàn)出了更優(yōu)越的疲勞強(qiáng)度、剛性和更長的使用壽命，而且其運(yùn)動精度不會隨著使用時間的增加而有明顯下降。正因為這些特性，RV減速器在高端機(jī)器人傳動領(lǐng)域有逐漸取代諧波減速器的趨勢。
RV 減速器使用三種軸承，包括用于主軸承的薄壁角接觸球軸承（輸出軸，2 個），用于偏心軸定位和主體支承的薄壁圓錐滾子軸承（3*2 個），用于擺線輪支承的圓柱滾子（滾針）（ 3*2 個）保持架組件以及用于齒輪支承的薄壁深溝球軸承。
3、行星減速器軸承
行星減速器是傳動效率最高的齒輪傳動結(jié)構(gòu)。行星齒輪傳動機(jī)構(gòu)主要由行星齒輪、行星架和太陽輪構(gòu)成的行星齒輪傳動機(jī)構(gòu)。精密行星減速器工作時，通常是伺服電機(jī)等原動機(jī)驅(qū)動太陽輪旋轉(zhuǎn)，太陽輪與行星輪的嚙合驅(qū)動行星輪產(chǎn)生自轉(zhuǎn)；同時，由于行星輪另外一側(cè)與減速器殼體內(nèi)壁上的環(huán)形內(nèi)齒圈嚙合，最終行星輪在自轉(zhuǎn)驅(qū)動下將沿著與太陽輪旋轉(zhuǎn)相同方向在環(huán)形內(nèi)齒圈上滾動，形成圍繞太陽輪旋轉(zhuǎn)的“公轉(zhuǎn)”運(yùn)動。太陽輪和齒圈存在齒數(shù)差，從而達(dá)到減速目的。
行星減速器軸承包含行星齒輪軸承、主軸承和輸入軸軸承。每個行星齒輪中間裝載1個滾針軸承，1個行星減速器一般有3個行星齒輪，因此會需要 3 個滾針軸承。行星減速器的兩端分別搭載主軸承和輸入軸軸承，均為球軸承（通常為深溝球軸承）。因此一個行星減速器共需 5 個軸承，包含 3 個滾針軸承，2 個球軸承。
以特斯拉Optimus Gen-2機(jī)器人為例，其行星減速器部分就采用了深溝球軸承和滾針軸承。深溝球軸承用于承受較小的徑向和軸向載荷，而滾針軸承則用于承受行星輪在高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的巨大徑向負(fù)荷。
2、絲杠& 軸承
絲杠是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動的傳動元件，為關(guān)節(jié)提供精準(zhǔn)的定位和運(yùn)動控制。絲杠類型主要包括滾珠絲杠和行星滾柱絲杠等：滾珠絲杠由絲桿軸和螺母組成，其中螺母又由鋼球、預(yù)壓片、反向器、防塵器等組成；行星滾柱絲杠主要由絲杠、滾柱、螺母、內(nèi)齒圈、保持架和彈性擋圈組成，依靠多個滾柱與絲杠、螺母之間的螺紋嚙合傳動來將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動，其滾柱通過保持架均勻的分布在絲杠、螺母之間。
絲杠兩端常用支承型式
目前絲杠的安裝主要包括上圖三種方式，根據(jù)絲杠安裝方式不同，通常采用兩種軸承進(jìn)行組合使用，例如可將向心軸承和圓錐軸承組合或?qū)⑾蛐妮S承和推力軸承/角接觸軸承進(jìn)行組合，確保推力軸承/角接觸軸承提供足夠的軸向剛度。
根據(jù)特斯拉 2022 AI DAY 信息，其線性執(zhí)行器采用了深溝球軸承+四點接觸軸承進(jìn)行組合使用。
特斯拉 Optimus 人形機(jī)器人線性執(zhí)行器
四點接觸球軸承，亦稱為可承受雙向軸向載荷的角接觸球軸承，屬于角接觸球軸承的一種，壁壘較低，價值量較小。這種軸承是內(nèi)外圈分離的單列角接觸球軸承，內(nèi)圈被分為兩個部分，能夠同時承受來自兩個方向的軸向載荷。其外圈的溝曲率半徑非常小，使得鋼球與內(nèi)外圈在四個接觸點上均勻接觸，滾動體有四個受力點，因此稱為四點接觸球軸承，具備較高的承載能力。
與普通的角接觸球軸承相比，四點接觸球軸承具有更小的軸向游隙，甚至可以實現(xiàn)負(fù)游隙，并且能夠承受雙向的軸向負(fù)荷。它適用于需要同時承受徑向和軸向負(fù)荷，尤其以軸向負(fù)荷為主的場合。如果使用單列角接觸球軸承實現(xiàn)相同功能，通常需要兩個相同的軸承以背靠背或面對面的方式配置。而四點接觸球軸承的設(shè)計可以有效節(jié)省空間，提供更為簡潔的布局方案。
深溝球軸承：這種軸承能夠主要承受徑向負(fù)荷，同時也能夠很好地應(yīng)對徑向和復(fù)合負(fù)荷。它們具有較小的摩擦系數(shù)，適合在高速旋轉(zhuǎn)的環(huán)境中使用。目前，有眾多廠商具備生產(chǎn)這種軸承的能力，使得成本和售價相對較低。中國在深溝球軸承的生產(chǎn)量上位居全球首位，其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，并且已經(jīng)實現(xiàn)了高度的國產(chǎn)化。
3、電機(jī)& 軸承
由于人形機(jī)器人中使用最多的是力矩電機(jī)和空心杯電機(jī)，本文就不展開談其它類型的電機(jī)了。
1）空心杯電機(jī)
人形機(jī)器人的靈巧手通常采用空心杯電機(jī)作為驅(qū)動裝置?？招谋姍C(jī)屬于微型伺服電機(jī)的一種，它通過永磁材料產(chǎn)生磁場，并通過直流電源供電。在選擇軸承方面，空心杯電機(jī)主要采用深溝球軸承或滑動軸承。
2）無框力矩電機(jī)
無框力矩電機(jī)是一種無外殼結(jié)構(gòu)的永磁電機(jī)，其性能主要通過輸出的扭矩來衡量，并且不包含軸承結(jié)構(gòu)。這種電機(jī)的工作原理與傳統(tǒng)永磁電機(jī)相似，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計上有所區(qū)別：無框力矩電機(jī)省略了軸、軸承、外殼和端蓋等部件，僅由轉(zhuǎn)子和定子兩部分組成。
中國人形機(jī)器人軸承生產(chǎn)企業(yè)正面臨著巨大的市場機(jī)遇和挑戰(zhàn)：一方面，隨著人形機(jī)器人市場的快速發(fā)展，對高精度、長壽命、低噪音的軸承產(chǎn)品需求不斷增加；另一方面，國內(nèi)軸承企業(yè)在技術(shù)研發(fā)、生產(chǎn)工藝、質(zhì)量控制等方面還需要不斷提升，以滿足市場對高品質(zhì)軸承產(chǎn)品的需求。因此，國內(nèi)軸承企業(yè)需要加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新和市場拓展，不斷提升自身競爭力，以在激烈的市場競爭中占據(jù)有利地位。
