知乎網(wǎng)友提出了一個(gè)問(wèn)題： "為什么機(jī)器人不使用滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)自由度降低減速器成本？"

問(wèn)題描述

機(jī)械伺服用多級(jí)減速器效率低下，擺線針輪或諧波減速機(jī)對(duì)材料有較高要求成本高昂，為什么不像生物關(guān)節(jié)一樣使用高效率而極低成本的滾珠絲杠這樣的直線執(zhí)行器將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為對(duì)機(jī)器人關(guān)節(jié)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)？

? 貼個(gè)常用諧波減速器的圖，中間那個(gè)薄壁的筒狀結(jié)構(gòu)就是柔輪，前面是諧波發(fā)生器其實(shí)不是一個(gè)正圓，每旋轉(zhuǎn)一圈使柔輪變形一次。柔輪的齒與剛輪嚙合的力傳遞到外圓Circular spline上，帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)一個(gè)齒達(dá)到極高減速比的輕量化高效傳動(dòng)的目的。可以看出這樣的結(jié)構(gòu)對(duì)柔輪材料要求很高一般成品很昂貴。

? 典型的KUKA六自由度機(jī)器人，其中前三個(gè)自由度在基座和手臂上，承受力臂比較大負(fù)載要求較高，后三個(gè)自由度在手腕上主要目的是實(shí)現(xiàn)末端工件的全方位調(diào)節(jié)。 ? ? 所以，總結(jié)一下：
Pros:

典型的滾珠絲杠90%以上效率并不比諧波減速這類高效率大減速比減速器差。

滾珠絲杠同時(shí)多道滾珠并行受力，抗沖擊條件比諧波減速這種依靠高材料要求的韌性柔輪少量齒尖承受沖擊因此造成高成本的旋轉(zhuǎn)減速器看起來(lái)要合理得多。

拋開(kāi)傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)減速器結(jié)構(gòu)緊湊方便裝配設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，滾珠絲杠結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用廣泛成本非常低廉，有希望使用在機(jī)器人主要臂關(guān)節(jié)上大幅降低多自由度機(jī)器人成本。

按這個(gè)思路，腦補(bǔ)一下造出來(lái)的機(jī)械臂就會(huì)像是這樣，滿滿的帶伺服電動(dòng)推桿的樣子（液壓霸們請(qǐng)將此題看作“為什么不用伺服電動(dòng)推桿替代液壓缸用于小型化設(shè)備”）。

? Cons:?
一些猜測(cè):

一個(gè)可能的答案是過(guò)去滾珠絲杠通過(guò)力臂轉(zhuǎn)化對(duì)軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)具有奇異角問(wèn)題控制過(guò)程非線性給控制器設(shè)計(jì)帶來(lái)難度，但是第一該過(guò)程數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單第二現(xiàn)在各種先進(jìn)控制方式尤其是視覺(jué)等主動(dòng)閉環(huán)輔助的發(fā)展可能給這一問(wèn)題帶來(lái)幫助，也許受制于現(xiàn)有機(jī)械臂工業(yè)體系這樣新型的架構(gòu)難以得到使用？

第二個(gè)可能的答案是比如滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)傳遞不可逆，這給一些領(lǐng)域的應(yīng)用（比如掉電完全就變成一僵尸了抓一半停在空中完全扭不回來(lái)，這在一些場(chǎng)合可能是致命的）帶來(lái)困難。但是使用監(jiān)控結(jié)構(gòu)應(yīng)變力主動(dòng)補(bǔ)償?shù)确椒ㄒ材芏嗌傺a(bǔ)救這一困難。

我猜想另一個(gè)可能的答案是用于這種用途需要滾珠絲杠抗彎矩，顯然這確實(shí)是不合理的，有必要改進(jìn)嗎？

還有一個(gè)可能是絲杠運(yùn)動(dòng)副幾乎不可逆的運(yùn)動(dòng)傳遞給示教再現(xiàn)制造了困難，當(dāng)然解決方案有，但是和典型的工業(yè)機(jī)器人實(shí)用習(xí)慣差異比較大。

另外多連桿造成的誤差影響也比較大，在Delta機(jī)器人中誤差被并聯(lián)抵消，而對(duì)于絲杠連桿驅(qū)動(dòng)的機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)誤差增大。

Work Envelope是硬傷中的硬傷。

對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，知乎用戶王哲給出了自己的見(jiàn)解： ? ? 王哲釋疑 為什么不采用直線轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，首先是工作域的問(wèn)題！其實(shí)在題主的問(wèn)題描述里面，答案已經(jīng)呼之欲出了。 ? 這是題主提供的直線-旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的例子挖掘機(jī)的示意圖，工作域大體標(biāo)出來(lái)如下圖：

而一個(gè)常用工業(yè)機(jī)器人工作域是這樣的：

? 工作域范圍和自身體積之比，機(jī)器人遠(yuǎn)大于1，而直線轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)小于1，而且多關(guān)節(jié)機(jī)器人在空間域內(nèi)可到達(dá)范圍極廣，柔性極強(qiáng)。 ? 直線轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)缺點(diǎn)是致命的。工業(yè)機(jī)器人在成本和效率，很多情況下其實(shí)比不上專用機(jī)械hard automation，但是它之所以受歡迎，就在與其柔性和通用性，在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)不需要做太多干涉性驗(yàn)證和機(jī)械和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 ? 而柔性和通用性，是建立在大工作域和及其自由的到達(dá)能力上的，比如： ? ? 做焊接工藝的時(shí)候，要應(yīng)付很多形狀不特定的工件，如果機(jī)械手能達(dá)到哪里，不能到達(dá)哪里受極大限制，這種設(shè)備根本不會(huì)有人采用。 ? 做machine tending應(yīng)用，大概畫個(gè)示意圖就OK，因?yàn)榇蠹叶贾乐灰獧C(jī)器人放下去，干涉方面不會(huì)成為太大問(wèn)題，只要姿態(tài)和安裝位置做些輕微調(diào)整就可以。 ?

? 試試，在這樣的場(chǎng)景里用挖掘機(jī)類似的機(jī)構(gòu)，在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)絕對(duì)是個(gè)噩夢(mèng)。 ? ? ? 其實(shí)上述一個(gè)缺點(diǎn)，就可以把那種機(jī)構(gòu)槍斃了。當(dāng)然還有其他問(wèn)題： ? 其次是空間。 ? 直線轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，說(shuō)到底就是一個(gè)杠桿，而一個(gè)杠桿必須要在臂上占用額外空間，我們不討論工作域問(wèn)題，就這個(gè)空間的增加，會(huì)導(dǎo)致大量的運(yùn)動(dòng)干涉。 ?

? 三是潤(rùn)滑引發(fā)的問(wèn)題。

滾珠絲桿是需要潤(rùn)滑的，而且他因?yàn)榻?jīng)常伸縮，有一些機(jī)構(gòu)暴露在外面帶著潤(rùn)滑脂。污染是一個(gè)問(wèn)題，定期維護(hù)又是一個(gè)問(wèn)題，現(xiàn)在機(jī)器人一兩年才需要維護(hù)，是因?yàn)闇p速機(jī)的封閉性，潤(rùn)滑脂不會(huì)大量耗散也不會(huì)被污染。 ? 四是重量。 ? 別小看這一點(diǎn)點(diǎn)重量，對(duì)于機(jī)器人多級(jí)傳動(dòng)來(lái)說(shuō)，重量產(chǎn)生的慣性及阻尼都會(huì)成倍放大。 ? 當(dāng)然還有其他問(wèn)題，如控制算法等，但這些與上述缺點(diǎn)，尤其是工作域問(wèn)題比起來(lái)，都是小問(wèn)題了。

? 釋疑補(bǔ)充 ? 另外回答一下題主的補(bǔ)充疑問(wèn)。 ? 任何機(jī)械結(jié)構(gòu)，任何東西都有優(yōu)缺點(diǎn)，但是就針對(duì)任何特定用途而言，優(yōu)缺點(diǎn)是有輕重之分的，也就是有權(quán)重。具體到工業(yè)機(jī)器人的用途上，這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是致命的，決定性的。 ? 而且這個(gè)缺陷是原理級(jí)的。

? 這是機(jī)器人的各軸示意圖（每個(gè)機(jī)器人大廠家對(duì)各軸稱呼不一樣，SLURBT是Yaskawa的稱呼，發(fā)那科稱呼為J1-J6，ABB、庫(kù)卡一般稱呼為第1-6軸，這里為了方便，用Yaskawa的STU系統(tǒng)）。 ? 首先我們不討論圖示中的S，R，T三個(gè)軸，只考慮L，U，B三個(gè)軸。 ? 看我畫的草圖：

每一個(gè)伸縮桿—回轉(zhuǎn)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，在原理上，做動(dòng)角度范圍a在0

? 以及其他的機(jī)械限制，a角能在30

三個(gè)軸，每個(gè)軸都將其做動(dòng)范圍壓縮了一半，所以到達(dá)域被極度壓縮。而如我所說(shuō)，工作域和靈活的到達(dá)能力是多關(guān)節(jié)機(jī)器人的根本價(jià)值。 ? 你的設(shè)計(jì)就相當(dāng)于說(shuō)，你有一個(gè)設(shè)計(jì)能將船的造價(jià)降低一半，但是代價(jià)是船不能浮在水面上了，這里就沒(méi)有任何“優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)”可談了。

編輯：黃飛

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