在不断发展的机器人领域，实现精确、无缝的运动至关重要。虽然关节使机器人能够活动，但轴承是机器人的支柱，确保运动平稳准确。特别是在精度不容妥协的人形机器人中，轴承的选择成为一个关键的工程决策。

设计工程师必须考虑机器人轴承的多样性、间隙如何影响精度以及何时使用密封件来保护轴承免受恶劣环境的影响。

人形机器人中的轴承

使用合适的轴承为人工智能提供动力将实现适当的运动，并延长轴承和关节的使用寿命。机器人应用中使用的轴承有几种设计，每种设计都有自己的优势。轴承的选择取决于机器人对负载能力、速度、精度和刚度的具体要求。

以下许多设计都采用自润滑材料或终身润滑选项，无需在指定的时间间隔重新润滑轴承。与轴承制造商合作，明确您的应用需求以及如何最好地支持整体机械运动。

旋转执行器中的轴承

交叉滚子轴承具有高负载能力、精度和紧凑设计。它们可支撑来自两个方向的轴向负载、径向负载、倾斜力矩负载以及任何负载组合。交叉滚子轴承在旋转执行器中用作输出轴承，以低摩擦扭矩和间隙、高耐用性和准确性以及独特的负载能力而闻名。

交叉滚子轴承具有高负载能力、精度和紧凑设计。它们可支撑双向轴向载荷、径向载荷、倾斜力矩载荷以及任何载荷组合。（图片：CCTY）

柔性球轴承可承受径向载荷和有限的轴向载荷。它们用于谐波驱动机构的波发生器。它们的截面非常薄，当由凸轮轴组装时会变成椭圆形以实现所需的功能。

四点接触轴承设计用于处理两个方向的径向和轴向载荷组合，是一种多功能、紧凑且经济高效的解决方案。其中一些轴承具有剖分内圈或剖分外圈，以允许更大的接触角并承受更多的轴向载荷和力矩载荷。四点接触轴承用作旋转执行器的输入轴承。

角接触球轴承可承受单向轴向载荷，通常成对使用，以实现双向轴向载荷能力。随着接触角的增加，载荷能力也随之增加。

RNN 轴承又称为满装圆柱滚子轴承，采用非常紧凑的设计，可承受重载。它们可减少机器人执行器的振动，并提高控制力和刚性。除了具有高耐用性和均匀的接触应力外，RNN 还具有低噪音和低振动的特点。这些特性使它们非常适合旋转执行器和连杆组件。

线性执行器中的轴承

线性执行器有两个主轴承、四点接触轴承和深沟球轴承。在此应用中，这些轴承用于支撑负载下的轴。

四点接触轴承设计用于处理两个方向的径向和轴向载荷组合，是一种多功能、紧凑且经济高效的解决方案。其中一些轴承具有剖分内圈或剖分外圈，以允许更大的接触角，并能够承受更大的轴向载荷和力矩载荷。

深沟球轴承用途广泛，设计简单，经久耐用，维护方便。它们设计用于承受径向载荷和有限的轴向载荷。

滚珠轴承用于线性执行器时具有许多特点，包括高精度、低间隙和扭矩以及高负载能力。如果应用需要，它们还可以与密封件一起制造。

轴承和连杆

虽然轴承主要用于人形机器人的执行器，但它们也用于管理机器人其他功能中的错位。例如，球面滑动轴承是人形机器人的关键部件，可用于杆端和连杆组件。

连杆在确保机器人可靠性方面也发挥着关键作用。市场上最流行的连杆之一是狗骨连杆。它两端各有一个球面滑动轴承，允许两个连接点错位。

机器人轴承的间隙和扭矩

组件之间的间隙或游隙对机器人系统构成了重大挑战。如果不加以控制，它会导致运动传递延迟、定位不精确和精度降低。精度降低会导致机器人运动时出现抖动/急促运动，如新机器人设计早期版本的演示视频所示。间隙过大还会加速组件磨损并因振动而产生嘎嘎声，最终缩短轴承的预期寿命。

扭矩是施加在部件上的旋转力。与间隙一样，扭矩也必须小心管理。扭矩过大会导致功耗过大，而扭矩过小则可能因间隙增大而导致性能不足。

扭矩和间隙之间的适当平衡对于精确的运动控制至关重要。过大的扭矩会阻碍运动，而过大的间隙会影响精度。因此，通过创新设计和先进的制造技术将间隙和扭矩最小化至关重要。

轴承的重复性

轴承的精度受其重复性的影响很大。高精度轴承可以准确地移动到指定位置。同时，具有高精度和出色重复性的轴承可以在其整个使用寿命期间始终如一地到达指定位置。

然而，过度磨损会影响轴承的重复性。这种磨损会增加轴承部件之间的间隙，导致重复性得分降低。因此，有效管理所有轴承的报废磨损至关重要。

密封件的作用

柔性球轴承可承受径向载荷和有限的轴向载荷。它们用于谐波驱动机构的波发生器。

密封件是保护轴承免受污染并在恶劣环境下保持其功能的第一道防线。它们可防止污垢、灰尘、水和磨料颗粒进入。它们对于保持轴承内部润滑也至关重要。设计工程师在选择轴承时应考虑工作条件。例如，在仓库环境中，灰尘会渗入轴承（特别是在双足应用中），导致轴承寿命缩短甚至完全丧失功能。此外，如果润滑脂从轴承中流出，则会导致过早失效。

密封对扭矩的影响

虽然密封件会因接触增加而产生摩擦，但密封件设计和材料的进步可以减轻这些影响，确保最佳性能而不影响旋转效率。

更紧密的密封件可能会引入更高的初始扭矩，但提供更好的污染保护。密封件可以采用单唇、双唇甚至三唇设计，以帮助满足应用密封要求。密封件还可以模制在钢筋上以增强其结构。控制密封唇和轴承表面之间的接触有助于限制引入的扭矩，可以通过修改两个表面之间的过盈配合来实现。

密封材料组成

密封件可以由各种材料制成，例如橡胶或合成聚合物，每种材料都具有独特的性能和用途。根据特定的应用要求选择合适的密封件，例如在较高温度下使用硅橡胶，将确保密封性能的一致性，从而延长轴承的使用寿命（表 1）。

表 1. 密封件材料性能比较。

轴承故障在关键应用中的影响

当轴承出现故障时，会对系统产生连锁反应。

彻底失效：可能导致系统错位和不平衡。这会导致定位精度下降，增加误操作的风险。

摩擦增加：轴承故障通常会导致摩擦增加，从而导致过热并降低能量效率。

污染：损坏的轴承会产生金属碎片，这些碎片会在轴承外部循环并进一步损坏系统内的其他部件。

振动：过度振动是轴承故障的常见结果。振动可通过系统传递，导致磨损和其他部件的潜在故障。

轴承故障并非孤立事件，可能会对整个系统产生严重影响。正确的轴承维护和监控对于防止故障至关重要。

在机器人轴承设计的初始阶段与经验丰富的轴承制造商合作可以为应用的性能和寿命奠定坚实的基础。