機器人致動器將儲存的能量轉換為受控的旋轉或線性運動。電動機主導了許多工業和移動機器人，但液壓、氣動、絲槓、皮帶、纜索與柔順機構在力密度、環境、運動、相互作用或基礎設施有利的情況下仍然有用。
致動器類型應從任務中向外選擇。定義連續和峰值力或轉矩、速度、行程、精度、工作週期、衝擊、剛度、回驅性、能量來源和安全行為。比較孤立的峰值數可掩蓋整個系統的質量、熱量和維護資料。
本指南提供了分類學。使用 機器人致動器結構、 減速器比較 和 無框馬達指南，進行更深入的電氣關節設計。
從旋轉或線性輸出開始
旋轉致動器在接頭軸線上產生角運動。線性致動器沿行程產生力，可以直接驅動稜柱形接頭或旋轉連桿。機構幾何結構可以改變整個範圍內的運動、轉矩、速度和剛度。
在選擇技術前，請指定輸出座標。包括行程、速度、加速度、連續和峰值負載、保持狀態及可用空間。緊湊型馬達可能需要笨重的減速器，而氣缸可能需要泵、閥門或壓縮空氣。
電動旋轉致動器提供可控的分散式運動
帶減速器的無刷馬達很常見，因為電力和數字控制可以分佈到多個節點。直驅和準直接驅動系統透過降低傳動比以提高透明度和頻寬，但需要更多的馬達轉矩和熱容量。
Kollmorgen 釋出了結合馬達和關節結構的 緊湊型旋轉致動器示例。產品示例展示結構，而非通用選擇；比較完整輸出、傳動、回饋、冷卻和軸承。
電動線性致動器可轉換旋轉或使用直線馬達
絲槓和滾珠螺桿將馬達旋轉轉換為線性運動。皮帶和機架則提供其他速度、行程和力的權衡。直接線性馬達消除機械轉換，但需要導向、回饋以及磁性履帶或反作用結構。
螺絲可以提供高精度和大力，但會帶來臨界速度、潤滑、間隙、磨損以及可能的倒退驅動問題。可能需要端擋、防旋轉導軌和制動器。比較行駛和保持狀態下的效率。
液壓致動器透過流體壓力傳遞高功率
液壓缸和旋轉致動器可透過緊湊的運動元件產生高功率。泵、儲液罐、閥門、軟管、過濾、冷卻和洩漏管理構成系統其餘部分。流體可壓縮性和線路動力學影響控制。
液壓技術適用於基礎設施條件允許的重型機械和高動力動力機器人。評估系統總質量、雜訊、效率、維護、汙染、溫度和失效控制，而非僅僅考慮氣缸力。
| 致動器家族 | 典型優勢 | 系統負擔 | 最佳比較指標 |
|---|---|---|---|
| 電動旋轉式 | 分散式精確控制 | 熱量與傳動 | 單位質量的關節輸出 |
| 電線性 | 直接稜柱運動 | 導向、螺絲或履帶 | 力-速度-衝程包絡 |
| 液壓 | 高力密度 | 泵、流體與維護 | 系統輸出與效率 |
| 氣動 | 簡單快速運動 | 空氣供應與可壓縮性 | 迴圈結果與空氣使用 |
| 合規 | 衝擊與力相互作用 | 偏轉與控制 | 特遣部隊與頻寬 |
氣動致動器提供簡單快速的運動
氣動氣缸和旋轉致動器使用壓縮空氣和閥門。它們在移動點重量輕，能承受某些惡劣環境。可壓縮性、摩擦力和供電變化使得精確的力和位置控制更具挑戰性。
空氣準備、壓縮機、儲氣罐、閥門、排氣噪音和洩漏決定能源和維護。氣動裝置通常可實現反覆端對端移動，安裝抓握和合規夾具。伺服氣動控制是可能的，但應作為一個完整的環路來評估。
順應致動器在機械上塑造相互作用
串聯彈性致動器在負載路徑中放置一個順應元件，並估算撓曲力。經典 系列彈性致動器論文 解釋了有意順應如何支援力控制和抗衝擊能力。
順應性儲存能量並降低有效剛度，但同時增加撓度並限制力控制頻寬。可變剛度機制增加了調整，但代價是複雜度。被動順應性應針對任務選擇，而非自動安全保證。
電纜、皮帶和遠端驅動系統重新分配質量
鋼索、肌腱和皮帶可以將馬達遠離遠端關節，減少肢體的移動質量。佈線設計可以實現手部或手臂的緊湊，並引入有用的順應性。張力、摩擦、拉伸、磨損、滑輪和維修通道成為設計的核心問題。
遠端執行將關節透過路由結構連線，使校正複雜化。測量輸出端的運動和力。設計張力和更換程式，並在迴圈和溫度變化後驗證行為。
能源基礎設施改變了表面上的贏家
電氣系統需要電池或電源、驅動和冷卻系統。液壓系統需要壓力產生和流體管理。氣動系統需要壓縮空氣和閥門。繫留工廠機器人和電池驅動的人形機器人面臨截然不同的基礎設施限制。
計算從源頭到已驗證任務輸出的能量，包括空閒和等待時間。再生、洩漏、節流、泵執行點和壓縮機效率都可能改變結果。包括熱管理和峰值功率儲存。
| 需求 | 問題 | 測量 | 忽視則失敗 |
|---|---|---|---|
| 連續輸出 | 熱能被排斥嗎？ | 溫度相對於工作週期 | 降額或損壞 |
| 互動 | 剛度和反驅性如何？ | 力-運動反應 | 接觸控制不佳 |
| 基礎設施 | 致動器由什麼支撐？ | 源能到輸出的能量 | 隱藏質量與成本 |
| 維護 | 哪些會磨損或漏水？ | 服務時間與間隔 | 供應不足 |
| 故障行為 | 沒有電力會發生什麼？ | 注入故障反應 | 下墜或失控運動 |
安全行為依賴於操作機制和控制
功率損失可以釋放負載、透過摩擦保持負載，或困住儲存的壓力和彈效能量。制動器、平衡裝置、安全閥和機械停止器管理這些狀態。它們的行為必須被納入危害分析中。
力限制和軟體停止不能取代結構保護。測試感測器故障、閥門卡住、驅動故障、爆裂管線、制動釋放和再生。恢復流程應考慮有效負載、機器人姿勢和維護人員。
選拔以任務級原型測試結束
根據實際任務建立評分卡：輸出包線、精度、合規性、效率、質量、體積、雜訊、環境、維護、安全和成本。應用一致的系統界限，確保遠端泵或壓縮機不會被遺漏於單一技術中。
構建代表性軸線，執行軌跡、撞擊、保持週期、環境暴露和故障。記錄輸入能量、輸出功、溫度、位置、力和介入。最佳致動器類型應滿足機器人完整需求且有可驗證餘量的型號。
評估“機器人致動器類型：電動、液壓、氣動、線性與柔順系統”時，還應儲存模型版本、機器人設定、校正檔案、測試日期和全部試驗記錄。
只有把這些持續投入與單位成功任務的價值比較，才能判斷方案是否適合擴大。
上線後仍要持續檢查分佈變化、感測器漂移、機械磨損和人工接管原因。
實際專案還應指定資料、模型、控制器和安全流程的負責人，並預先定義回復條件。責任邊界、審批記錄與變更紀錄越清楚，故障發生後越容易停止擴散、定位原因並安全恢復。
把任務拆成感知、決策、動作執行和結果確認，可以更準確地定位瓶頸。每一階段都應有獨立指標與失敗示例，避免用端對端成功率掩蓋偶發但嚴重的風險。
引用的產品規格、論文結果和監管要求需要記錄釋出日期與適用版本。資料更新後應重新核對關鍵結論；無法從一手來源確認的內容，應明確標註為待驗證資訊。
- 定義輸出端的運動和負載。
- 包括完整的能源基礎設施。
- 比較的是連續行為，而不是單純峰值輸出。
- 評估合規性、故障和維護情況。
- 驗證真實佔空比下的代表軸。
常見問題
主要的機器人致動器類型有哪些？
常見的家族包括電動旋轉和線性致動器、液壓和氣動系統，以及採用刻意合規、電纜或遠端驅動的機構。
為什麼機器人中常見電動致動器？
它們與電池、電子裝置和數字控制整合良好，且可分佈於多個軸。熱量和傳輸設計仍限制效能。
液壓致動器什麼時候有用？
當高力和強勁的動態輸出需要泵、流體、冷卻、噪音和維護基礎設施時，這些裝置非常有用。
什麼是串聯彈性致動器？
它在力路徑中放置已知的順應元件。測量其撓度可以估算力並提升衝擊容忍度，同時在撓度和頻寬之間做出權衡。
致動器類型應如何公平比較？
比較使用相同佔空比和系統邊界的驗證任務輸出，包括能源輸入、驅動、傳動、冷卻、感測、維護和故障行為。
致動器選擇說明
致動器的效能取決於完整的機構、能源、控制器和環境。驗證電流部件額定和標準，然後在任務、壽命和故障條件下測試代表性硬體。