行星滾柱絲杠，正在成為人形機(jī)器人執(zhí)行器領(lǐng)域的新焦點(diǎn)。
近日，五洲新春、雙林股份、震裕科技、北特科技、長盛軸承等多家零部件上市公司都在加速布局轉(zhuǎn)型行星滾柱絲杠領(lǐng)域，相關(guān)企業(yè)合計(jì)規(guī)劃投資金額已超過60億元。
而早在熱潮之前，開普勒機(jī)器人就已經(jīng)前瞻性地布局絲杠技術(shù)路線，推出結(jié)合串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，采用滾柱絲杠執(zhí)行器與旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器相結(jié)合方案的人形機(jī)器人。
今年上半年，開普勒已成功完成三輪融資，截止目前已成功引入了7家產(chǎn)業(yè)上市公司股東：偉創(chuàng)電氣、柯力傳感、兆豐股份、漢威科技、喬鋒智能、福然德、濤濤車業(yè)等。
資本和制造能力的集中涌入，正將這一過去較為冷門的傳動(dòng)部件，推向智能機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈的前臺。
當(dāng)下，行星滾柱絲杠緣何成為“兵家必爭之地”？針對這一趨勢，開普勒機(jī)器人硬件總監(jiān)張敏梁在近期技術(shù)分享直播中給出了深度解析，系統(tǒng)拆解了開普勒為何選擇行星滾柱絲杠，以及這背后的工程邏輯與落地挑戰(zhàn)。
01
什么是行星滾柱絲杠？
行星滾柱絲杠是一種高精度線性傳動(dòng)部件，能夠?qū)㈦姍C(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)高效轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)。其核心工作原理基于“行星傳動(dòng) + 螺紋嚙合”的復(fù)合結(jié)構(gòu)，通過多枚滾柱在絲杠與螺母之間協(xié)同運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)力的穩(wěn)定傳遞與精確定位。該機(jī)構(gòu)具有典型的多體、多副、多點(diǎn)接觸特性，能夠在復(fù)雜負(fù)載條件下保持良好的傳動(dòng)剛性與重復(fù)精度。
經(jīng)過長期發(fā)展，行星滾柱絲杠已演化出多個(gè)結(jié)構(gòu)變體，在傳動(dòng)效率、承載能力、尺寸適配等方面形成各具優(yōu)勢的類型。其中，通過對不同結(jié)構(gòu)形式的性能對比與工程適配性分析，目前在人形機(jī)器人領(lǐng)域得到廣泛采用的是“反向式”行星滾柱絲杠結(jié)構(gòu)。
所謂“反向式”，是指滾柱隨絲杠本體一同沿軸向運(yùn)動(dòng)，而螺母保持相對固定。這種布局不僅在結(jié)構(gòu)上更適應(yīng)人形機(jī)器人狹小的關(guān)節(jié)空間，而且在推力輸出路徑、模組集成方式以及電機(jī)配合上具備更高的靈活性與效率，是當(dāng)前人形機(jī)器人主流線性執(zhí)行器的關(guān)鍵演進(jìn)方向之一。
02
為什么它適合人形機(jī)器人？
行星滾柱絲杠在大負(fù)載、高精度和長續(xù)航三個(gè)維度上的優(yōu)勢，使其成為人形機(jī)器人執(zhí)行器體系中極具發(fā)展?jié)摿Φ姆桨浮?o:p>
1.大負(fù)載
從載荷傳遞方式來看，行星滾柱絲杠采用的是螺紋滾柱與絲杠之間的線接觸結(jié)構(gòu)，相比傳統(tǒng)滾珠絲杠的點(diǎn)接觸模式，線接觸不僅接觸面積更大，受力點(diǎn)也更多，能更均勻地分散載荷，顯著提升抗沖擊能力與承載性能。
實(shí)測表明，在同規(guī)格條件下，行星滾柱絲杠的靜/動(dòng)態(tài)承載能力通常是滾珠絲杠的3至6倍，在某些重載場景中甚至可達(dá)10倍以上。此外，該結(jié)構(gòu)通常在主絲杠周圍布置6至12根滾柱，形成多滾柱協(xié)同承載的結(jié)構(gòu)體系，不僅提升了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，也增強(qiáng)了沖擊負(fù)載下的穩(wěn)定性。
2.高精度
行星滾柱絲杠在精度控制方面的優(yōu)勢，首先體現(xiàn)在其螺紋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上。其常采用小導(dǎo)程角的非圓弧型螺紋，這類設(shè)計(jì)便于實(shí)現(xiàn)微米級導(dǎo)程控制精度。在滿足JIS C3 等級標(biāo)準(zhǔn)下，315mm 行程內(nèi)的導(dǎo)程誤差可控制在1.2 μm 以內(nèi)。
其次，線接觸結(jié)構(gòu)在傳動(dòng)過程中可更均勻地傳遞力與位移，顯著減少因接觸點(diǎn)集中的局部誤差，提升運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性與重復(fù)定位精度。
第三，其出色的精度保持能力還源自于整體承載能力和抗形變能力的提升。由于滾柱圍繞絲杠以行星式方式布置，形成多點(diǎn)協(xié)同支撐結(jié)構(gòu)，使其在承受高靜載和動(dòng)態(tài)載荷時(shí)變形更小，能更長時(shí)間保持精確的位置控制。
此外，其系統(tǒng)剛性也更高。大量滾柱沿行星方式分布，與絲杠形成多點(diǎn)線接觸結(jié)構(gòu)，使其具備更強(qiáng)的抗變形能力。在高負(fù)載狀態(tài)下，仍能保持較小的形變量，從而有效避免因剛性不足導(dǎo)致的位置偏差。相比之下，傳統(tǒng)滾珠絲杠在剛性和高負(fù)載工況下的穩(wěn)定性相對較弱。
3.長續(xù)航
續(xù)航能力是限制人形機(jī)器人長時(shí)間作業(yè)能力的核心因素之一。在實(shí)際應(yīng)用中，機(jī)器人工作周期中小負(fù)載運(yùn)行階段占據(jù)多數(shù)，而傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器（如諧波驅(qū)動(dòng)）在低負(fù)載狀態(tài)下能效表現(xiàn)不佳，成為整體能耗的主要來源。
相比之下，采用行星滾柱絲杠的直線執(zhí)行器在效率波動(dòng)控制方面具有顯著優(yōu)勢。一方面，直線執(zhí)行器的傳動(dòng)效率受負(fù)載變化影響較小；另一方面，由于行星滾柱絲杠具備天然的“自鎖”能力，可在關(guān)節(jié)保持靜止或承受外部反向載荷時(shí)顯著降低電機(jī)能耗，甚至實(shí)現(xiàn)完全斷電保持。而旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器（如諧波減速器）難以實(shí)現(xiàn)自鎖，需電機(jī)持續(xù)輸出平衡反驅(qū)負(fù)載，能耗較高。
例如，當(dāng)機(jī)器人雙臂搬運(yùn)物料并保持靜止站立時(shí)，雖然整體處于移動(dòng)狀態(tài)，但上肢關(guān)節(jié)必須長時(shí)間承載物體重力并維持固定姿態(tài)。此時(shí)，若使用傳統(tǒng)減速方案，電機(jī)需持續(xù)輸出力矩對抗重力，導(dǎo)致功耗顯著增加。相對而言，采用行星滾柱絲杠的直線執(zhí)行器可憑借其自鎖結(jié)構(gòu)，在無主動(dòng)驅(qū)動(dòng)的情況下維持姿態(tài)，顯著降低關(guān)節(jié)系統(tǒng)功耗。
03
如何應(yīng)用行星滾柱絲杠？
在工業(yè)級人形機(jī)器人研發(fā)中，開普勒機(jī)器人圍繞“高負(fù)載、長續(xù)航、高精度控制與高性價(jià)比”四大目標(biāo)，構(gòu)建了一套高度集成化的執(zhí)行器系統(tǒng)方案，行星滾柱絲杠正是其中關(guān)鍵的一環(huán)。
通過設(shè)計(jì)創(chuàng)新、熱處理工藝優(yōu)化、加工技術(shù)攻關(guān)，和與國內(nèi)設(shè)備廠商深度合作，開普勒針對行星滾柱絲杠的各項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)性突破，并積累了一套完整的技術(shù)體系。憑借技術(shù)突破，開普勒機(jī)器人成為國內(nèi)實(shí)現(xiàn)行星滾柱絲杠自研量產(chǎn)并成功應(yīng)用于人形機(jī)器人的企業(yè)。
1.應(yīng)用于關(guān)鍵負(fù)載關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)高性能承重
以開普勒旗下的通用人形機(jī)器人先行者K2“大黃蜂”為例，該產(chǎn)品具備175cm身高、75kg體重、52個(gè)自由度，并已在包括上汽通用工廠在內(nèi)的多個(gè)工業(yè)實(shí)訓(xùn)場景中完成測試。
K2的核心驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由開普勒自主研發(fā)，涵蓋行星滾柱絲杠直線執(zhí)行器與精旋動(dòng)力旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器兩類模塊。其中，前者被重點(diǎn)部署在髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)等高負(fù)載部位，以及肘部、腕部等具備復(fù)雜搬運(yùn)工況的關(guān)節(jié)位置。
之所以選擇在這些關(guān)鍵部位使用行星滾柱絲杠，一方面是因?yàn)樵摬考邆涑錾妮d荷能力與剛性穩(wěn)定性，能夠滿足工業(yè)應(yīng)用中高頻次、長時(shí)間運(yùn)行的可靠性要求；另一方面，絲杠所驅(qū)動(dòng)的是直線運(yùn)動(dòng)，需通過連桿機(jī)構(gòu)完成對旋轉(zhuǎn)動(dòng)作的轉(zhuǎn)換。這一設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)上更接近人體肌肉的力學(xué)特征，有助于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人質(zhì)心與慣量的合理分布，從而提升整機(jī)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性與能效表現(xiàn)。
此外，相較于直接采用旋轉(zhuǎn)模組，連桿結(jié)構(gòu)無需復(fù)雜且高成本的交叉滾子軸承承受彎矩，整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更高、裝配維護(hù)更簡便。而在動(dòng)力學(xué)性能方面，通過對連桿比的精細(xì)優(yōu)化，K2可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩與速度輸出曲線的動(dòng)態(tài)匹配：例如在模擬人類蹲姿時(shí)，關(guān)節(jié)角度接近極限、負(fù)載需求最大，而速度需求反而較低，此時(shí)優(yōu)化連桿設(shè)計(jì)可讓電機(jī)在較低轉(zhuǎn)速下輸出更大力矩，從而實(shí)現(xiàn)高效控制。
2.雙臂30公斤搬運(yùn)，推動(dòng)執(zhí)行器性能進(jìn)階
開普勒K2“大黃蜂”采用自研行星滾柱絲杠執(zhí)行器，其獨(dú)有的運(yùn)動(dòng)特性，可以達(dá)到動(dòng)態(tài)作業(yè)提升節(jié)能率，靜態(tài)功耗近乎歸零，為機(jī)器人的續(xù)航能力提供保障。實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，K2“大黃蜂”結(jié)合串并聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與滾柱絲杠方案，單臂可承載15公斤，雙臂協(xié)同搬運(yùn)負(fù)載達(dá)30公斤，并在充電1小時(shí)后可持續(xù)工作8小時(shí)。
在搬運(yùn)能力方面，K2的雙臂負(fù)載30公斤的性能目標(biāo)，超過一般人體工學(xué)推薦標(biāo)準(zhǔn)（約23.8公斤），并能在負(fù)載重心距離人體重心250mm以內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大搬運(yùn)效果。隨著負(fù)載距離增加，其承載能力會按比例下降，但仍具備在650mm距離下搬運(yùn)15公斤的能力，對應(yīng)真實(shí)工業(yè)中大尺寸金屬件上下料等工序。
此外，在控制精度方面，K2配備了自研的“精旋動(dòng)力”旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器，可實(shí)現(xiàn)毫米級精度操作，適應(yīng)復(fù)雜任務(wù)要求。同時(shí)，其搭載的“巧手大師”靈巧手系統(tǒng)具備11個(gè)自由度和25個(gè)力觸點(diǎn)，配合六維力傳感手腕，在操控穩(wěn)定性和靈敏度方面大幅提升，使其能夠勝任具有高精度要求的檢測、抓取等工序。
在實(shí)訓(xùn)中，K2完成了包括車縫檢測、金屬沖壓件上料、大型金屬部件搬運(yùn)等多個(gè)任務(wù)，均依賴于其高精度執(zhí)行器系統(tǒng)。例如，在金屬上料工序中，其搭載的11自由度靈巧手需要精準(zhǔn)完成異形部件的抓取與定位，這要求執(zhí)行器在復(fù)雜空間姿態(tài)變化下仍保持毫米級精度輸出。傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)方案在此類工況下易因電機(jī)發(fā)熱導(dǎo)致桿件發(fā)生熱變形引起機(jī)器人精度變差，而采用反向式行星滾柱絲杠則在長行程、重負(fù)載狀態(tài)下表現(xiàn)出良好的熱控性能與穩(wěn)定性。
3.軟硬協(xié)同設(shè)計(jì)，發(fā)揮絲杠結(jié)構(gòu)節(jié)能潛力
在能效優(yōu)化方面，K2不僅依托硬件優(yōu)勢，更在控制策略層面進(jìn)行了系統(tǒng)性設(shè)計(jì)。通過引入反驅(qū)能耗優(yōu)化策略，K2充分發(fā)揮行星滾柱絲杠在關(guān)節(jié)靜止?fàn)顟B(tài)下的“自鎖”特性。在機(jī)器人靜止持物等典型工況中，直線執(zhí)行器可在斷電或低電流狀態(tài)下保持姿態(tài)，大幅降低電機(jī)功耗，為整機(jī)節(jié)能提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
與此同時(shí)，結(jié)合開普勒自研的控制系統(tǒng)，機(jī)器人可實(shí)時(shí)感知外力與姿態(tài)變化，通過位置傳感器與六維力控算法動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)輸出，實(shí)現(xiàn)更高能效的運(yùn)行狀態(tài)。
綜上，開普勒通過將行星滾柱絲杠直線執(zhí)行器+連桿機(jī)構(gòu)+自研控制策略深度融合，構(gòu)建出兼具高負(fù)載能力、精確控制、能效優(yōu)化與機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性的通用人形機(jī)器人關(guān)節(jié)解決方案，為機(jī)器人在工業(yè)實(shí)際落地中的可靠運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
04
結(jié)語：穿越落地深水區(qū)
從特斯拉率先在Optimus中采用行星滾柱絲杠，到開普勒機(jī)器人在工業(yè)場景中實(shí)現(xiàn)實(shí)際部署，這一技術(shù)路線正逐步從概念驗(yàn)證走向規(guī)模落地。
然而，開普勒機(jī)器人硬件總監(jiān)張敏梁也在直播中坦言：“盡管行星滾柱絲杠在承載能力、精度控制與能耗表現(xiàn)方面具有突出優(yōu)勢，但其高性能背后伴隨著高設(shè)計(jì)難度、高制造門檻與高成本挑戰(zhàn)。無論是熱處理工藝、加工一致性，還是檢測與裝配的標(biāo)準(zhǔn)化，當(dāng)前仍需產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的持續(xù)協(xié)同攻堅(jiān)。”
推動(dòng)這一關(guān)鍵部件從“能用”走向“好用”，再走向“用得起”“大規(guī)模部署”，仍是一場技術(shù)深水區(qū)的接力賽。行星滾柱絲杠作為人形機(jī)器人核心執(zhí)行系統(tǒng)的重要候選之一，正站在產(chǎn)業(yè)化拐點(diǎn)上，也考驗(yàn)著整個(gè)高端制造體系的系統(tǒng)能力與工程化底座。
近日，五洲新春、雙林股份、震裕科技、北特科技、長盛軸承等多家零部件上市公司都在加速布局轉(zhuǎn)型行星滾柱絲杠領(lǐng)域，相關(guān)企業(yè)合計(jì)規(guī)劃投資金額已超過60億元。
而早在熱潮之前，開普勒機(jī)器人就已經(jīng)前瞻性地布局絲杠技術(shù)路線，推出結(jié)合串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，采用滾柱絲杠執(zhí)行器與旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器相結(jié)合方案的人形機(jī)器人。
今年上半年，開普勒已成功完成三輪融資，截止目前已成功引入了7家產(chǎn)業(yè)上市公司股東：偉創(chuàng)電氣、柯力傳感、兆豐股份、漢威科技、喬鋒智能、福然德、濤濤車業(yè)等。
資本和制造能力的集中涌入，正將這一過去較為冷門的傳動(dòng)部件，推向智能機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈的前臺。
當(dāng)下，行星滾柱絲杠緣何成為“兵家必爭之地”？針對這一趨勢，開普勒機(jī)器人硬件總監(jiān)張敏梁在近期技術(shù)分享直播中給出了深度解析，系統(tǒng)拆解了開普勒為何選擇行星滾柱絲杠，以及這背后的工程邏輯與落地挑戰(zhàn)。
01
什么是行星滾柱絲杠？
行星滾柱絲杠是一種高精度線性傳動(dòng)部件，能夠?qū)㈦姍C(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)高效轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)。其核心工作原理基于“行星傳動(dòng) + 螺紋嚙合”的復(fù)合結(jié)構(gòu)，通過多枚滾柱在絲杠與螺母之間協(xié)同運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)力的穩(wěn)定傳遞與精確定位。該機(jī)構(gòu)具有典型的多體、多副、多點(diǎn)接觸特性，能夠在復(fù)雜負(fù)載條件下保持良好的傳動(dòng)剛性與重復(fù)精度。
經(jīng)過長期發(fā)展，行星滾柱絲杠已演化出多個(gè)結(jié)構(gòu)變體，在傳動(dòng)效率、承載能力、尺寸適配等方面形成各具優(yōu)勢的類型。其中，通過對不同結(jié)構(gòu)形式的性能對比與工程適配性分析，目前在人形機(jī)器人領(lǐng)域得到廣泛采用的是“反向式”行星滾柱絲杠結(jié)構(gòu)。
所謂“反向式”，是指滾柱隨絲杠本體一同沿軸向運(yùn)動(dòng)，而螺母保持相對固定。這種布局不僅在結(jié)構(gòu)上更適應(yīng)人形機(jī)器人狹小的關(guān)節(jié)空間，而且在推力輸出路徑、模組集成方式以及電機(jī)配合上具備更高的靈活性與效率，是當(dāng)前人形機(jī)器人主流線性執(zhí)行器的關(guān)鍵演進(jìn)方向之一。
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為什么它適合人形機(jī)器人？
行星滾柱絲杠在大負(fù)載、高精度和長續(xù)航三個(gè)維度上的優(yōu)勢，使其成為人形機(jī)器人執(zhí)行器體系中極具發(fā)展?jié)摿Φ姆桨浮?o:p>
1.大負(fù)載
從載荷傳遞方式來看，行星滾柱絲杠采用的是螺紋滾柱與絲杠之間的線接觸結(jié)構(gòu)，相比傳統(tǒng)滾珠絲杠的點(diǎn)接觸模式，線接觸不僅接觸面積更大，受力點(diǎn)也更多，能更均勻地分散載荷，顯著提升抗沖擊能力與承載性能。
實(shí)測表明，在同規(guī)格條件下，行星滾柱絲杠的靜/動(dòng)態(tài)承載能力通常是滾珠絲杠的3至6倍，在某些重載場景中甚至可達(dá)10倍以上。此外，該結(jié)構(gòu)通常在主絲杠周圍布置6至12根滾柱，形成多滾柱協(xié)同承載的結(jié)構(gòu)體系，不僅提升了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，也增強(qiáng)了沖擊負(fù)載下的穩(wěn)定性。
2.高精度
行星滾柱絲杠在精度控制方面的優(yōu)勢，首先體現(xiàn)在其螺紋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上。其常采用小導(dǎo)程角的非圓弧型螺紋，這類設(shè)計(jì)便于實(shí)現(xiàn)微米級導(dǎo)程控制精度。在滿足JIS C3 等級標(biāo)準(zhǔn)下，315mm 行程內(nèi)的導(dǎo)程誤差可控制在1.2 μm 以內(nèi)。
其次，線接觸結(jié)構(gòu)在傳動(dòng)過程中可更均勻地傳遞力與位移，顯著減少因接觸點(diǎn)集中的局部誤差，提升運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性與重復(fù)定位精度。
第三，其出色的精度保持能力還源自于整體承載能力和抗形變能力的提升。由于滾柱圍繞絲杠以行星式方式布置，形成多點(diǎn)協(xié)同支撐結(jié)構(gòu)，使其在承受高靜載和動(dòng)態(tài)載荷時(shí)變形更小，能更長時(shí)間保持精確的位置控制。
此外，其系統(tǒng)剛性也更高。大量滾柱沿行星方式分布，與絲杠形成多點(diǎn)線接觸結(jié)構(gòu)，使其具備更強(qiáng)的抗變形能力。在高負(fù)載狀態(tài)下，仍能保持較小的形變量，從而有效避免因剛性不足導(dǎo)致的位置偏差。相比之下，傳統(tǒng)滾珠絲杠在剛性和高負(fù)載工況下的穩(wěn)定性相對較弱。
3.長續(xù)航
續(xù)航能力是限制人形機(jī)器人長時(shí)間作業(yè)能力的核心因素之一。在實(shí)際應(yīng)用中，機(jī)器人工作周期中小負(fù)載運(yùn)行階段占據(jù)多數(shù)，而傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器（如諧波驅(qū)動(dòng)）在低負(fù)載狀態(tài)下能效表現(xiàn)不佳，成為整體能耗的主要來源。
相比之下，采用行星滾柱絲杠的直線執(zhí)行器在效率波動(dòng)控制方面具有顯著優(yōu)勢。一方面，直線執(zhí)行器的傳動(dòng)效率受負(fù)載變化影響較小；另一方面，由于行星滾柱絲杠具備天然的“自鎖”能力，可在關(guān)節(jié)保持靜止或承受外部反向載荷時(shí)顯著降低電機(jī)能耗，甚至實(shí)現(xiàn)完全斷電保持。而旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器（如諧波減速器）難以實(shí)現(xiàn)自鎖，需電機(jī)持續(xù)輸出平衡反驅(qū)負(fù)載，能耗較高。
例如，當(dāng)機(jī)器人雙臂搬運(yùn)物料并保持靜止站立時(shí)，雖然整體處于移動(dòng)狀態(tài)，但上肢關(guān)節(jié)必須長時(shí)間承載物體重力并維持固定姿態(tài)。此時(shí)，若使用傳統(tǒng)減速方案，電機(jī)需持續(xù)輸出力矩對抗重力，導(dǎo)致功耗顯著增加。相對而言，采用行星滾柱絲杠的直線執(zhí)行器可憑借其自鎖結(jié)構(gòu)，在無主動(dòng)驅(qū)動(dòng)的情況下維持姿態(tài)，顯著降低關(guān)節(jié)系統(tǒng)功耗。
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如何應(yīng)用行星滾柱絲杠？
在工業(yè)級人形機(jī)器人研發(fā)中，開普勒機(jī)器人圍繞“高負(fù)載、長續(xù)航、高精度控制與高性價(jià)比”四大目標(biāo)，構(gòu)建了一套高度集成化的執(zhí)行器系統(tǒng)方案，行星滾柱絲杠正是其中關(guān)鍵的一環(huán)。
通過設(shè)計(jì)創(chuàng)新、熱處理工藝優(yōu)化、加工技術(shù)攻關(guān)，和與國內(nèi)設(shè)備廠商深度合作，開普勒針對行星滾柱絲杠的各項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)性突破，并積累了一套完整的技術(shù)體系。憑借技術(shù)突破，開普勒機(jī)器人成為國內(nèi)實(shí)現(xiàn)行星滾柱絲杠自研量產(chǎn)并成功應(yīng)用于人形機(jī)器人的企業(yè)。
1.應(yīng)用于關(guān)鍵負(fù)載關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)高性能承重
以開普勒旗下的通用人形機(jī)器人先行者K2“大黃蜂”為例，該產(chǎn)品具備175cm身高、75kg體重、52個(gè)自由度，并已在包括上汽通用工廠在內(nèi)的多個(gè)工業(yè)實(shí)訓(xùn)場景中完成測試。
K2的核心驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由開普勒自主研發(fā)，涵蓋行星滾柱絲杠直線執(zhí)行器與精旋動(dòng)力旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器兩類模塊。其中，前者被重點(diǎn)部署在髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)等高負(fù)載部位，以及肘部、腕部等具備復(fù)雜搬運(yùn)工況的關(guān)節(jié)位置。
之所以選擇在這些關(guān)鍵部位使用行星滾柱絲杠，一方面是因?yàn)樵摬考邆涑錾妮d荷能力與剛性穩(wěn)定性，能夠滿足工業(yè)應(yīng)用中高頻次、長時(shí)間運(yùn)行的可靠性要求；另一方面，絲杠所驅(qū)動(dòng)的是直線運(yùn)動(dòng)，需通過連桿機(jī)構(gòu)完成對旋轉(zhuǎn)動(dòng)作的轉(zhuǎn)換。這一設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)上更接近人體肌肉的力學(xué)特征，有助于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人質(zhì)心與慣量的合理分布，從而提升整機(jī)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性與能效表現(xiàn)。
此外，相較于直接采用旋轉(zhuǎn)模組，連桿結(jié)構(gòu)無需復(fù)雜且高成本的交叉滾子軸承承受彎矩，整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更高、裝配維護(hù)更簡便。而在動(dòng)力學(xué)性能方面，通過對連桿比的精細(xì)優(yōu)化，K2可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩與速度輸出曲線的動(dòng)態(tài)匹配：例如在模擬人類蹲姿時(shí)，關(guān)節(jié)角度接近極限、負(fù)載需求最大，而速度需求反而較低，此時(shí)優(yōu)化連桿設(shè)計(jì)可讓電機(jī)在較低轉(zhuǎn)速下輸出更大力矩，從而實(shí)現(xiàn)高效控制。
2.雙臂30公斤搬運(yùn)，推動(dòng)執(zhí)行器性能進(jìn)階
開普勒K2“大黃蜂”采用自研行星滾柱絲杠執(zhí)行器，其獨(dú)有的運(yùn)動(dòng)特性，可以達(dá)到動(dòng)態(tài)作業(yè)提升節(jié)能率，靜態(tài)功耗近乎歸零，為機(jī)器人的續(xù)航能力提供保障。實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，K2“大黃蜂”結(jié)合串并聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與滾柱絲杠方案，單臂可承載15公斤，雙臂協(xié)同搬運(yùn)負(fù)載達(dá)30公斤，并在充電1小時(shí)后可持續(xù)工作8小時(shí)。
在搬運(yùn)能力方面，K2的雙臂負(fù)載30公斤的性能目標(biāo)，超過一般人體工學(xué)推薦標(biāo)準(zhǔn)（約23.8公斤），并能在負(fù)載重心距離人體重心250mm以內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大搬運(yùn)效果。隨著負(fù)載距離增加，其承載能力會按比例下降，但仍具備在650mm距離下搬運(yùn)15公斤的能力，對應(yīng)真實(shí)工業(yè)中大尺寸金屬件上下料等工序。
此外，在控制精度方面，K2配備了自研的“精旋動(dòng)力”旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器，可實(shí)現(xiàn)毫米級精度操作，適應(yīng)復(fù)雜任務(wù)要求。同時(shí)，其搭載的“巧手大師”靈巧手系統(tǒng)具備11個(gè)自由度和25個(gè)力觸點(diǎn)，配合六維力傳感手腕，在操控穩(wěn)定性和靈敏度方面大幅提升，使其能夠勝任具有高精度要求的檢測、抓取等工序。
在實(shí)訓(xùn)中，K2完成了包括車縫檢測、金屬沖壓件上料、大型金屬部件搬運(yùn)等多個(gè)任務(wù)，均依賴于其高精度執(zhí)行器系統(tǒng)。例如，在金屬上料工序中，其搭載的11自由度靈巧手需要精準(zhǔn)完成異形部件的抓取與定位，這要求執(zhí)行器在復(fù)雜空間姿態(tài)變化下仍保持毫米級精度輸出。傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)方案在此類工況下易因電機(jī)發(fā)熱導(dǎo)致桿件發(fā)生熱變形引起機(jī)器人精度變差，而采用反向式行星滾柱絲杠則在長行程、重負(fù)載狀態(tài)下表現(xiàn)出良好的熱控性能與穩(wěn)定性。
3.軟硬協(xié)同設(shè)計(jì)，發(fā)揮絲杠結(jié)構(gòu)節(jié)能潛力
在能效優(yōu)化方面，K2不僅依托硬件優(yōu)勢，更在控制策略層面進(jìn)行了系統(tǒng)性設(shè)計(jì)。通過引入反驅(qū)能耗優(yōu)化策略，K2充分發(fā)揮行星滾柱絲杠在關(guān)節(jié)靜止?fàn)顟B(tài)下的“自鎖”特性。在機(jī)器人靜止持物等典型工況中，直線執(zhí)行器可在斷電或低電流狀態(tài)下保持姿態(tài)，大幅降低電機(jī)功耗，為整機(jī)節(jié)能提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
與此同時(shí)，結(jié)合開普勒自研的控制系統(tǒng)，機(jī)器人可實(shí)時(shí)感知外力與姿態(tài)變化，通過位置傳感器與六維力控算法動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)輸出，實(shí)現(xiàn)更高能效的運(yùn)行狀態(tài)。
綜上，開普勒通過將行星滾柱絲杠直線執(zhí)行器+連桿機(jī)構(gòu)+自研控制策略深度融合，構(gòu)建出兼具高負(fù)載能力、精確控制、能效優(yōu)化與機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性的通用人形機(jī)器人關(guān)節(jié)解決方案，為機(jī)器人在工業(yè)實(shí)際落地中的可靠運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
04
結(jié)語：穿越落地深水區(qū)
從特斯拉率先在Optimus中采用行星滾柱絲杠，到開普勒機(jī)器人在工業(yè)場景中實(shí)現(xiàn)實(shí)際部署，這一技術(shù)路線正逐步從概念驗(yàn)證走向規(guī)模落地。
然而，開普勒機(jī)器人硬件總監(jiān)張敏梁也在直播中坦言：“盡管行星滾柱絲杠在承載能力、精度控制與能耗表現(xiàn)方面具有突出優(yōu)勢，但其高性能背后伴隨著高設(shè)計(jì)難度、高制造門檻與高成本挑戰(zhàn)。無論是熱處理工藝、加工一致性，還是檢測與裝配的標(biāo)準(zhǔn)化，當(dāng)前仍需產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的持續(xù)協(xié)同攻堅(jiān)。”
推動(dòng)這一關(guān)鍵部件從“能用”走向“好用”，再走向“用得起”“大規(guī)模部署”，仍是一場技術(shù)深水區(qū)的接力賽。行星滾柱絲杠作為人形機(jī)器人核心執(zhí)行系統(tǒng)的重要候選之一，正站在產(chǎn)業(yè)化拐點(diǎn)上，也考驗(yàn)著整個(gè)高端制造體系的系統(tǒng)能力與工程化底座。
