机器人，作为现代智能制造和自动化领域的关键组成部分，其能否高效、精确地完成任务，很大程度上取决于其执行机构（Actuator）的性能。执行机构是机器人将控制系统的指令转化为实际物理运动的实体，如同机器人的“筋骨”与“关节”，驱动着各类复杂的动作。
通常，机器人由执行机构、驱动系统、控制系统和传感系统四大核心部分构成。本文将重点聚焦于执行机构，深入剖析其分类、工作原理以及其中扮演关键角色的旋转减速器和丝杠技术。
一、机器人执行机构概述
机器人执行机构通常由一系列连杆、关节或其他形式的运动副组成，通过它们协同工作，使机器人能够完成抓取、搬运、焊接等多种工作任务。
根据臂部的运动形式，工业机器人可分为四种主要类型：
直角坐标型： 臂部沿三个正交的直线坐标轴（X, Y, Z）移动。
圆柱坐标型： 臂部可进行升降（直线）、回转（旋转）和伸缩（直线）动作。
球坐标型： 臂部能实现回转（旋转）、俯仰（旋转）和伸缩（直线）动作。
关节型： 臂部拥有多个转动关节，运动灵活，模仿人类手臂。
无论是哪种运动形式，都离不开执行器将能量转化为所需的机械运动。
二、执行器的分类与工作原理
执行器根据其输出运动形式可分为两大类：旋转执行器和线性执行器。
1. 旋转执行器：
旋转执行器能够使物体旋转一定的角度，可以是有限位移的，也可以是无限连续旋转的。
典型例子：电动机。电动机是一种将电信号转换为其轴的旋转运动的执行器。当电流施加到电动机上，电机轴便会旋转。
直接驱动： 将电机直接连接到负载上，形成一个直接驱动的旋转执行器。
结合机械机构： 许多旋转执行器会与减速机构（如齿轮组）结合，以降低旋转速度、增加扭矩，从而更有效地驱动负载。即使最终输出是旋转运动，只要构成该组件的输出是旋转的，仍属于旋转执行器。
2. 线性执行器：
线性执行器本质上是沿着直线移动物体，通常是往复运动。它们通常通过特定的机械机构将旋转运动转换为直线运动。
线性转换机构： 包括滚珠/滚柱丝杠、皮带和滑轮、齿条和小齿轮等。
滚珠/滚柱丝杠： 常用于将旋转运动转换成精确的直线运动，在如加工中心等需要高精度定位的场景中应用广泛。
齿条和小齿轮： 除了可以增加扭矩、降低旋转速度外，也常用于将旋转运动转化为线性运动。
三、关键部件详解：旋转减速器
在工业机器人中，为了实现高精度、大扭矩、低速的旋转运动，减速器是不可或缺的部件。主要的旋转减速器类型是RV减速器和谐波减速器。
1. RV 减速器 (Cycloidal Pinwheel Reducer)：
结构特点： 主要采用摆线针轮结构。
应用范围： 用于转矩大的机器人关节，主要适用于20公斤到几百公斤负载的机器人。在关节型机器人中，通常用于机器人的一、二、三轴等承载力较大的关节。
性能优势：
精度保持度高： 长期使用后，RV减速器的精度保持度优于谐波减速器。
承载强度高： 其复杂的零部件设计使其具备更高的承载强度。
制造与成本： 由于零部件复杂、制造难度大、承载强度高，其产线的资本开支通常也更高。
2. 谐波减速器 (Harmonic Drive Reducer)：
结构特点： 早期以渐开线齿形为主，现在部分厂家采用了双圆弧齿形。
应用范围：转矩小，通常用于20公斤以下的机械臂。在关节型机器人中，主要用于末端关节（如四、五、六轴）。
性能弱点：
柔性部件： 谐波减速器中含有一种关键的柔性齿轮，需要反复的高速变形。
脆弱性与寿命： 这种柔性部件使其相对脆弱，承载能力和使用寿命均弱于RV减速器。
四、关键部件详解：丝杠（将旋转运动转换为直线运动）
丝杠是实现旋转运动向直线运动转换的关键传动副零件。根据摩擦特性，丝杠可分为滑动丝杠、滚动丝杠和静压丝杠。其中，工业机器人和精密机械中主要应用的是滚动丝杠和滑动丝杠。
1. 滚动丝杠：
根据载荷传递元件的区别，滚动丝杠又分为滚珠丝杠和行星滚柱丝杠。
滚珠丝杠 (Ball Screw)：
摩擦阻力小： 滚珠在螺母和丝杠轴之间滚动，实现滚动摩擦。
传动效率高： 大多数传动效率高达90%，甚至95%以上。
定位精度高、刚性高： 保证了运动的精确性和稳定性。
微进给、高速进给： 既能实现微米级的精确位移，也能支持高速运动。
无侧隙、使用寿命长： 提高了精度和可靠性。
应用最广： 是传动机械中应用最为普遍、精度最高的传动装置。
性能特点：
行星滚柱丝杠 (Planetary Roller Screw)：
优势特点： 相比滚珠丝杠，具备高负载、高刚度和长寿命的优势。
应用局限： 由于成本高昂，主要集中在高端或特殊需求的领域，例如对液压执行器的替代，应用规模相对不大。
2. 滑动丝杠：梯形丝杠 (Trapezoidal Screw)：
运动原理： 与滚珠丝杠类似，但其螺母和丝杠轴之间没有滚珠，完全依靠机械接触产生滑动，属于滑动摩擦。
性能特点：
摩擦系数高： 滑动摩擦的摩擦系数远高于滚动摩擦。
传动效率低： 大多数梯形丝杠的传动效率低于70%。
应用场景： 虽然效率较低，但因其结构简单、成本较低，在对精度和效率要求不那么严苛的场合仍有应用。
总结
机器人的执行机构及其内部的减速器和丝杠等关键部件，是其实现精密运动和强大功能的基石。RV减速器凭借其高精度保持度和高承载力，在大型和重载机器人关节中占据主导地位；谐波减速器则以其紧凑和轻巧，服务于小型和轻载机械臂。在直线运动方面，滚珠丝杠以其高精度和高效率成为主流，而行星滚柱丝杠则在需要超高负载和刚性的特殊场景中发挥作用。对这些核心部件的深入理解和不断创新，将持续推动机器人技术的发展，使其在更广泛的工业应用中发挥更大作用。
