轴承在人形机器人中的重要作用

人形机器人的关节能够实现旋转与线性运动，这背后离不开轴承的关键作用。轴承在人形机器人中主要分布在减速装置以及关节的连接部位，为机器人的灵活运动提供支撑。

1、减速器 & 轴承

减速器是人形机器人中核心的动力传达机构，可以类比做人的关节。精密减速器是连接动力源和执行机构之间的中间装置，其作用是降低伺服电机的高转速、通过齿轮减速比放大伺服电机的原始扭矩，并提供高刚性保持、高精度定位。人形机器人减速器主要有谐波减速器、RV减速器、行星减速器等类型，不同类型的减速器对轴承的要求也不同：

1）谐波减速器轴承

机器人的旋转关节主要使用谐波减速器，其制造技术基础是谐波传动，谐波减速器是由波发生器（柔性轴承）、交叉滚子轴承（刚性轴承）、带有外齿圈的柔性齿轮（柔轮）、和刚性齿轮（刚轮）4个基本构件组成的机械传动。

谐波减速器中通常使用1个交叉滚子轴承和1个柔性轴承。

刚性轴承/交叉滚子轴承

国内交叉滚子轴承市场高度集中，洛阳鸿元是该领域的领头羊。由于制造交叉滚子轴承的技术要求较高，全球的主要生产厂商主要集中在日本和德国，其中包括日本的THK、IKO、NSK，以及日本的哈默纳科和德国舍弗勒集团的INA品牌。在价格方面，国内外交叉滚子轴承的售价存在显著差异，差距超过30%。

柔性轴承

柔性轴承是谐波减速器中不可或缺的核心组件。与传统轴承不同，柔性轴承是一种薄壁球轴承，其外圈较薄，容易发生径向变形。由于在装配过程中会产生较大的预应力和预变形，柔性轴承在未安装到波发生器的椭圆形凸轮之前是圆形的，安装后则变为椭圆形。对于谐波传动装置而言，柔性轴承的弹性变形能力是实现高减速比的关键。

2）RV 减速器轴承

RV减速器，也被称作旋转矢量减速器，包括前级的行星齿轮减速器与后级的摆线针轮减速器。这种传动方式是在经典的针摆行星传动技术基础上进一步发展而成的，它集合了众多优势，如紧凑的体积、轻巧的质量、宽广的传动比、长久的使用寿命、稳定的精度保持、高效率以及平稳的传动性能。

与谐波减速器相比，RV减速器展现出了更优越的疲劳强度、刚性和更长的使用寿命，而且其运动精度不会随着使用时间的增加而有明显下降。正因为这些特性，RV减速器在高端机器人传动领域有逐渐取代谐波减速器的趋势。

RV 减速器使用三种轴承，包括用于主轴承的薄壁角接触球轴承（输出轴，2 个），用于偏心轴定位和主体支承的薄壁圆锥滚子轴承（3*2 个），用于摆线轮支承的圆柱滚子（滚针）（ 3*2 个）保持架组件以及用于齿轮支承的薄壁深沟球轴承。

3、行星减速器轴承

行星减速器是传动效率最高的齿轮传动结构。行星齿轮传动机构主要由行星齿轮、行星架和太阳轮构成的行星齿轮传动机构。精密行星减速器工作时，通常是伺服电机等原动机驱动太阳轮旋转，太阳轮与行星轮的啮合驱动行星轮产生自转；同时，由于行星轮另外一侧与减速器壳体内壁上的环形内齿圈啮合，最终行星轮在自转驱动下将沿着与太阳轮旋转相同方向在环形内齿圈上滚动，形成围绕太阳轮旋转的“公转”运动。太阳轮和齿圈存在齿数差，从而达到减速目的。

行星减速器轴承包含行星齿轮轴承、主轴承和输入轴轴承。每个行星齿轮中间装载1个滚针轴承，1个行星减速器一般有3个行星齿轮，因此会需要 3 个滚针轴承。行星减速器的两端分别搭载主轴承和输入轴轴承，均为球轴承（通常为深沟球轴承）。因此一个行星减速器共需 5 个轴承，包含 3 个滚针轴承，2 个球轴承。

以特斯拉Optimus Gen-2机器人为例，其行星减速器部分就采用了深沟球轴承和滚针轴承。深沟球轴承用于承受较小的径向和轴向载荷，而滚针轴承则用于承受行星轮在高速旋转时产生的巨大径向负荷。

2、丝杠& 轴承

丝杠是将旋转运动转化为直线运动的传动元件，为关节提供精准的定位和运动控制。丝杠类型主要包括滚珠丝杠和行星滚柱丝杠等：滚珠丝杠由丝杆轴和螺母组成，其中螺母又由钢球、预压片、反向器、防尘器等组成；行星滚柱丝杠主要由丝杠、滚柱、螺母、内齿圈、保持架和弹性挡圈组成，依靠多个滚柱与丝杠、螺母之间的螺纹啮合传动来将伺服电机的旋转运动转化为直线运动，其滚柱通过保持架均匀的分布在丝杠、螺母之间。

丝杠两端常用支承型式

目前丝杠的安装主要包括上图三种方式，根据丝杠安装方式不同，通常采用两种轴承进行组合使用，例如可将向心轴承和圆锥轴承组合或将向心轴承和推力轴承/角接触轴承进行组合，确保推力轴承/角接触轴承提供足够的轴向刚度。

根据特斯拉 2022 AI DAY 信息，其线性执行器采用了深沟球轴承+四点接触轴承进行组合使用。

特斯拉 Optimus 人形机器人线性执行器

四点接触球轴承，亦称为可承受双向轴向载荷的角接触球轴承，属于角接触球轴承的一种，壁垒较低，价值量较小。这种轴承是内外圈分离的单列角接触球轴承，内圈被分为两个部分，能够同时承受来自两个方向的轴向载荷。其外圈的沟曲率半径非常小，使得钢球与内外圈在四个接触点上均匀接触，滚动体有四个受力点，因此称为四点接触球轴承，具备较高的承载能力。

与普通的角接触球轴承相比，四点接触球轴承具有更小的轴向游隙，甚至可以实现负游隙，并且能够承受双向的轴向负荷。它适用于需要同时承受径向和轴向负荷，尤其以轴向负荷为主的场合。如果使用单列角接触球轴承实现相同功能，通常需要两个相同的轴承以背靠背或面对面的方式配置。而四点接触球轴承的设计可以有效节省空间，提供更为简洁的布局方案。

深沟球轴承：这种轴承能够主要承受径向负荷，同时也能够很好地应对径向和复合负荷。它们具有较小的摩擦系数，适合在高速旋转的环境中使用。目前，有众多厂商具备生产这种轴承的能力，使得成本和售价相对较低。中国在深沟球轴承的生产量上位居全球首位，其在工业领域的应用非常广泛，并且已经实现了高度的国产化。

3、电机& 轴承

由于人形机器人中使用最多的是力矩电机和空心杯电机，本文就不展开谈其它类型的电机了。

1）空心杯电机

人形机器人的灵巧手通常采用空心杯电机作为驱动装置。空心杯电机属于微型伺服电机的一种，它通过永磁材料产生磁场，并通过直流电源供电。在选择轴承方面，空心杯电机主要采用深沟球轴承或滑动轴承。

2）无框力矩电机

无框力矩电机是一种无外壳结构的永磁电机，其性能主要通过输出的扭矩来衡量，并且不包含轴承结构。这种电机的工作原理与传统永磁电机相似，但在结构设计上有所区别：无框力矩电机省略了轴、轴承、外壳和端盖等部件，仅由转子和定子两部分组成。

中国人形机器人轴承生产企业正面临着巨大的市场机遇和挑战：一方面，随着人形机器人市场的快速发展，对高精度、长寿命、低噪音的轴承产品需求不断增加；另一方面，国内轴承企业在技术研发、生产工艺、质量控制等方面还需要不断提升，以满足市场对高品质轴承产品的需求。因此，国内轴承企业需要加强技术创新和市场拓展，不断提升自身竞争力，以在激烈的市场竞争中占据有利地位。