灵巧手的传动方式有哪些?

最佳答案 匿名用户编辑于2025/04/18 10:39

齿轮、连杆、腱绳为传统的传动方式,灵巧手早 期广泛应用齿轮、连杆作为传动机构,但二者均存在体积/重量大、柔性程度较 差等问题,腱绳成为当前主流方案。

1.齿轮/连杆传动:传统的传动方案,存在重量/体积大等问题

齿轮传动兼具稳定性、精度、寿命等优势,但重量、成本较高。原理是将电机 旋转经由齿轮传动化为直线运动,再通过拉动弹簧来驱动手指运动,在工业机 器人等领域广泛应用。其具有精准度高、稳定性强、寿命高等优势,但结构复 杂使得重量、成本较高。根据齿形不同,齿轮可分为直齿轮、锥齿轮和涡轮, 其中直齿轮应用最广泛、安装最容易,可实现较大的减速比和扭矩比;锥齿轮 可改变传动方向,有传动平稳、噪音小、承载力强等优势;涡轮的核心优势在 于在实现最小空间的同事实现较大的运动传动比,且兼具自锁性。

连杆抓取速度较快、承载能力大,但结构复杂、柔性化程度较低。部件包括直 线的驱动连杆和耦合连杆,以及复位弹簧,原理是通过多个连杆串并联的形式 传递力和运动,在工业、商业(如假肢)等领域均有应用。由于传动部件为连 杆,因此其刚性较强,此外还兼具抓取速度快等优势。但其结构复杂、柔性化 不足。

2. 腱绳传动:多自由度趋势下的必然选择,有望随材料性能提升而广泛应用

腱绳兼具远距传动、灵活柔性等优势,可为传感器等部件预留更多空间,是当 前应用较多的传动方案,但在寿命、负载、精度等方面尚存较大改善空间,或 搭配其他传动机构以实现更优的综合效果。在腱绳传动中,通过丝杠将电机旋 转运动化为直线运动,腱绳一段拉着丝杠螺母,另一端连接灵巧手手指,从而 实现手指绕关节轴的转动。腱绳传动方案下驱动器与执行器可保持较远距离, 减轻执行器末端的负载和惯量,同时手指运动的柔性程度较好。此外,腱绳可 与丝杠、蜗轮蜗杆等其他传动方案配合使用,实现小空间下的多自由度运动。 但腱绳在负载、执行精度、寿命等方面有较大提升空间,且预紧力不稳。

灵巧手腱绳材料主要包括高分子材料和不锈钢材料:  高分子材料(超高分子量聚乙烯纤维/UHMWPE)综合性能相对较强,应用更 多,但成本相对较高。包括 Dyneema 和 Spectra 两类材料,其兼具长寿命 (高强度、耐磨损/腐蚀)、重量低等优势,但成本较高,且易发生形变。 领先的材料供应商包括荷兰 DSM、美国 Honeywell 等。  不锈钢材料性能相对偏弱,技术工艺提升后有望广泛应用于机器人领域。 历史上不锈钢腱绳成本相对较低,但存在寿命较低、安全性差等缺陷,在 灵巧手中的应用相对较少。而以大业股份为代表的厂商正积极研发超高强 度、超高扭转、超高延伸为特点的特种钢丝材料,有望于灵巧手中得到广 泛应用。

3. 丝杠/减速器传动:手部传动新方向,产业进程持续推进

行星滚柱丝杠兼具高承载、高精度、长寿命、小体积等优势,非常契合人形机 器人场景应用,但降本诉求迫切。根据滑动方式不同,丝杠可分为梯形丝杠、 滚珠丝杠、行星滚柱丝杠,其中行星滚柱丝杠在主丝杠周围放置若干行星滚 子,在作业过程中显著提升受力面积,因此兼具高承载、高精度、高效率、高 可靠性、小体积等优势,在空间紧凑的人形机器人上或广泛应用。但其产业化 进程尚需推进,在生产效率、成本等方面亟待优化。近年来,贝斯特、北特科 技、五洲新春、双林股份等厂商积极布局丝杠业务,加速其产业化落地。

微型谐波减速器精度较高、减速比大(可助力增加输出扭矩),但技术成熟度相 对较低,行业领先企业已纷纷入局。相较于齿轮、行星减速器等方案,其精度 高、体积小、减速比大,但技术成熟度相对较低,产业亟待进一步成熟以实现 降本。边际上,哈默纳科、绿的谐波等谐波减速器领先企业正积极加码微型谐 波减速器的相关研发,绿的谐波已推出针对手指关节的 6mm 外径谐波减速器;哈默纳科于 2023 年东京国际机器人展览会展出搭载微型谐波减速器的灵巧手方 案,直径低至 5mm。