国产人形机器人产业正迎来高速发展期,以宇树科技为代表的本土企业不断突破,从四足机器狗 B2 系列到人形 G1、H1,凭借一体化自研关节模组、高动态运动能力,不断刷新国产足式机器人性能上限,推动具身智能从实验室走向产业落地。
在整套复杂的运动系统之中,塑料保持架作为关节轴承的核心基础部件,虽体量微小,却直接决定机器人关节运转的精度、噪音、疲劳寿命与轻量化水平,是人形、四足机器人实现灵活奔跑、行走、负重作业不可忽视的关键一环。
人形机器人、B2 四足机器狗大量采用交叉滚子轴承、小型精密球轴承,关节长期面临高频往复摆动、交变冲击载荷、狭小中空安装空间的严苛工况。这对配套保持架提出极高的综合要求:既要减重降低转动惯量,减少电机负载损耗;又要兜孔尺寸高度一致,抗冲击、耐反复疲劳,杜绝高速动态运动下开裂、磨损、卡滞问题,保障步态稳定与定位精度。
一、一台人形机器人到底装了多少轴承与保持架
行业普遍认为,一台全尺寸人形机器人整机轴承数量在四十个以上,部分结构密集的方案超过一百个,激进方案甚至达到两百到三百个,同时也需要40-300个保持架来维持轴承的运行。
数量只是表象。决定整机性能、噪音、寿命与控制精度的,不是轴承数量本身,而是每一个关节位置上轴承类型、精度、游隙、预紧、润滑、密封方案与减速器结构的整体匹配。
二、关节上三类轴承的工程定位
深沟球轴承:
接触角接近零度,结构最简单,成本最低,摩擦系数最小,极限转速最高。主要承担径向载荷,可承受少量双方向轴向载荷。但承受倾覆力矩的能力很弱,单颗刚性与抗冲击能力有限。在人形机器人里,常见于电机端、轻载高速级、灵巧手指尖以及直线关节的两端之一。
(深沟球轴承用保持架)
角接触球轴承:
接触角通常为 15 度、25 度、40 度,单列只能承受一个方向的轴向载荷,但径向刚性显著高于深沟球。在人形机器人里,角接触球承担高速、高刚性且轴向有明确方向的中间轴承位置,以及一些对动态刚度敏感的减速器输入级。
(角接触轴承用保持架)
交叉滚子轴承:
圆柱滚子互成 90 度垂直排列,单颗即可同时承受径向载荷、双向轴向载荷与倾覆力矩,复合承载能力远超同等尺寸的球轴承。在谐波减速器、RV 减速器、转台、工业机器人腰部与腕部,所有"既要又要"的复合载荷场景,最终都会落到交叉滚子上。、
(交叉滚子)
四点接触式轴承
钢球与内外圈滚道形成四点接触,单个轴承即可同时承受径向载荷、双向轴向载荷与倾覆力矩,复合承载性能优于同等尺寸单列角接触球轴承。在机器人关节、回转支承、精密转台、航空舵机、谐波减速器输出端等需要同时承受径向与双向轴向复合载荷、紧凑安装空间的场景,常选用四点接触球轴承实现简化支撑结构。
三、旋转关节与线性关节
人形机器人的关节大致分为旋转关节与线性关节两条路线,两条路线对应的轴承方案完全不同。
1. 旋转关节:肩、肘、髋、膝、腕
旋转关节(以肩、肘、髋、膝为代表)承受复合径向、轴向与倾覆力矩,并伴随步行、起蹲、负重时的冲击载荷。主流路线是谐波减速器或行星减速器加交叉滚子轴承输出,再加上电机端的一到两颗角接触球轴承或深沟球轴承。
像腕、手指等细小关节,选用较为轻量的轴承与保持架,选用玻纤增强尼龙、POM 及各类高性能工程塑料,兼顾轻量化、强度、耐温与自润滑,对比金属保持架实现显著减重,适配机器人追求的高功率密度、低关节能耗的设计理念,降低整机负重。
2. 线性关节:两端各一颗
特斯拉 Optimus 所代表的直线关节方案,结构上是一根丝杠或滚珠丝杠带动执行元件做往复运动,两端各用一颗轴承承担径向 + 轴向定位,工程上常见两端分别采用深沟球轴承与四点接触球轴承的搭配:深沟球承担径向,四点接触承担双向轴向定位。这样既保证两端定位精度,又兼顾成本与噪声。
一台性能强悍的机器人,离不开无数基础零部件的协同托举。宇树科技等企业聚焦整机、算法、一体化关节实现突围,而中天坚守在塑料保持架这一基础赛道,把微小零件做专做精。
未来,无锡市中天塑料保持架制造有限公司将持续深耕人形与四足机器人传动零部件,持续迭代更高精度、更高可靠性的塑料保持架产品,与国产机器人产业链上下游携手,助力国产人形机器人产业不断向上突破。
