机器人执行器将储存的能量转换为受控的旋转或线性运动。电动机主导了许多工业和移动机器人，但液压、气动、丝杠、皮带、缆索与柔顺机构在力密度、环境、运动、相互作用或基础设施有利的情况下仍然有用。
执行器类型应从任务中向外选择。定义连续和峰值力或转矩、速度、行程、精度、工作周期、冲击、刚度、回驱性、能量来源和安全行为。比较孤立的峰值数可掩盖整个系统的质量、热量和维护数据。
本指南提供了分类学。使用 机器人执行器结构、 减速器比较 和 无框电机指南，进行更深入的电气关节设计。
从旋转或线性输出开始
旋转执行器在接头轴线上产生角运动。线性执行器沿行程产生力，可以直接驱动棱柱形接头或旋转连杆。机构几何结构可以改变整个范围内的运动、转矩、速度和刚度。
在选择技术前，请指定输出坐标。包括行程、速度、加速度、连续和峰值负载、保持状态及可用空间。紧凑型电机可能需要笨重的减速器，而气缸可能需要泵、阀门或压缩空气。
电动旋转执行器提供可控的分布式运动
带减速器的无刷电机很常见，因为电力和数字控制可以分布到多个节点。直驱和准直接驱动系统通过降低传动比以提高透明度和带宽，但需要更多的电机转矩和热容量。
Kollmorgen发布了结合电机和关节结构的 紧凑型旋转执行器示例。产品示例展示结构，而非通用选择；比较完整输出、传动、反馈、冷却和轴承。
电动线性执行器可转换旋转或使用直线电机
丝杠和滚珠螺杆将电机旋转转换为线性运动。皮带和机架则提供其他速度、行程和力的权衡。直接线性电机消除机械转换，但需要导向、反馈以及磁性履带或反作用结构。
螺丝可以提供高精度和大力，但会带来临界速度、润滑、间隙、磨损以及可能的倒退驱动问题。可能需要端挡、防旋转导轨和制动器。比较行驶和保持状态下的效率。
液压执行器通过流体压力传递高功率
液压缸和旋转执行器可通过紧凑的运动元件产生高功率。泵、储液罐、阀门、软管、过滤、冷却和泄漏管理构成系统其余部分。流体可压缩性和线路动力学影响控制。
液压技术适用于基础设施条件允许的重型机械和高动力动力机器人。评估系统总质量、噪声、效率、维护、污染、温度和失效控制，而非仅仅考虑气缸力。
| 执行器家族 | 典型优势 | 系统负担 | 最佳比较指标 |
|---|---|---|---|
| 电动旋转式 | 分布式精确控制 | 热量与传动 | 单位质量的关节输出 |
| 电线性 | 直接棱柱运动 | 导向、螺丝或履带 | 力-速度-冲程包络 |
| 液压 | 高力密度 | 泵、流体与维护 | 系统输出与效率 |
| 气动 | 简单快速运动 | 空气供应与可压缩性 | 循环结果与空气使用 |
| 合规 | 冲击与力相互作用 | 偏转与控制 | 特遣部队与带宽 |
气动执行器提供简单快速的运动
气动气缸和旋转执行器使用压缩空气和阀门。它们在移动点重量轻，能承受某些恶劣环境。可压缩性、摩擦力和供电变化使得精确的力和位置控制更具挑战性。
空气准备、压缩机、储气罐、阀门、排气噪音和泄漏决定能源和维护。气动装置通常可实现反复端到端移动，安装抓握和合规夹具。伺服气动控制是可能的，但应作为一个完整的环路来评估。
顺应执行器在机械上塑造相互作用
串联弹性执行器在载荷路径中放置一个顺应元件，并估算挠曲力。经典 系列弹性执行器论文 解释了有意顺应如何支持力控制和抗冲击能力。
顺应性储存能量并降低有效刚度，但同时增加挠度并限制力控制带宽。可变刚度机制增加了调整，但代价是复杂度。被动顺应性应针对任务选择，而非自动安全保证。
电缆、皮带和远程驱动系统重新分配质量
钢索、肌腱和皮带可以将电机远离远端关节，减少肢体的移动质量。布线设计可以实现手部或手臂的紧凑，并引入有用的顺应性。张力、摩擦、拉伸、磨损、滑轮和维修通道成为设计的核心问题。
远程执行将关节通过路由结构连接，使校准复杂化。测量输出端的运动和力。设计张力和更换程序，并在循环和温度变化后验证行为。
能源基础设施改变了表面上的赢家
电气系统需要电池或电源、驱动和冷却系统。液压系统需要压力产生和流体管理。气动系统需要压缩空气和阀门。系留工厂机器人和电池驱动的人形机器人面临截然不同的基础设施限制。
计算从源头到已验证任务输出的能量，包括空闲和等待时间。再生、泄漏、节流、泵运行点和压缩机效率都可能改变结果。包括热管理和峰值功率储存。
| 需求 | 问题 | 测量 | 忽视则失败 |
|---|---|---|---|
| 连续输出 | 热能被排斥吗？ | 温度相对于工作周期 | 降额或损坏 |
| 互动 | 刚度和反驱性如何？ | 力-运动响应 | 接触控制不佳 |
| 基础设施 | 执行器由什么支撑？ | 源能到输出的能量 | 隐藏质量与成本 |
| 维护 | 哪些会磨损或漏水？ | 服务时间与间隔 | 供应不足 |
| 故障行为 | 没有电力会发生什么？ | 注入故障响应 | 下坠或失控运动 |
安全行为依赖于操作机制和控制
功率损失可以释放负载、通过摩擦保持载荷，或困住储存的压力和弹性能量。制动器、平衡装置、安全阀和机械停止器管理这些状态。它们的行为必须被纳入危害分析中。
力限制和软件停止不能取代结构保护。测试传感器故障、阀门卡住、驱动故障、爆裂管线、制动释放和再生。恢复程序应考虑有效载荷、机器人姿势和维护人员。
选拔以任务级原型测试结束
根据实际任务创建评分卡：输出包线、精度、合规性、效率、质量、体积、噪声、环境、维护、安全和成本。应用一致的系统界限，确保远程泵或压缩机不会被遗漏于单一技术中。
构建代表性轴线，运行轨迹、撞击、保持周期、环境暴露和故障。记录输入能量、输出功、温度、位置、力和干预。最佳执行器类型应满足机器人完整需求且有可验证余量的型号。
评估“机器人执行器类型：电动、液压、气动、线性与柔顺系统”时，还应保存模型版本、机器人配置、标定文件、测试日期和全部试验记录。把成功、失败、恢复与人工介入放在同一份数据中，才能区分模型能力、系统接口和现场流程造成的差异。
成本评估除了设备与算力，还要记录数据采集、工程调试、安全措施、维护、停机和人员培训。只有把这些持续投入与单位成功任务的价值比较，才能判断方案是否适合扩大。
上线后仍要持续检查分布变化、传感器漂移、机械磨损和人工接管原因。监测结果应能触发降级、停止与重新验证流程，并为下一轮数据采集和模型更新留下可追溯记录。
最终结论应明确写出已知限制、尚未验证的场景和下一项可证伪的实验，使后续团队能够沿着证据继续推进。
实际项目还应指定数据、模型、控制器和安全流程的负责人，并预先定义回滚条件。责任边界、审批记录与变更日志越清楚，故障发生后越容易停止扩散、定位原因并安全恢复。
把任务拆成感知、决策、动作执行和结果确认，可以更准确地定位瓶颈。每一阶段都应有独立指标与失败示例，避免用端到端成功率掩盖偶发但严重的风险。
引用的产品规格、论文结果和监管要求需要记录发布日期与适用版本。资料更新后应重新核对关键结论；无法从一手来源确认的内容，应明确标注为待验证信息。
- 定义输出端的运动和负载。
- 包括完整的能源基础设施。
- 比较的是连续行为，而不是单纯峰值输出。
- 评估合规性、故障和维护情况。
- 验证真实占空比下的代表轴。
常见问题
主要的机器人执行器类型有哪些？
常见的家族包括电动旋转和线性执行器、液压和气动系统，以及采用刻意合规、电缆或远程驱动的机构。
为什么机器人中常见电动执行器？
它们与电池、电子设备和数字控制集成良好，且可分布于多个轴。热量和传输设计仍限制性能。
液压执行器什么时候有用？
当高力和强劲的动态输出需要泵、流体、冷却、噪音和维护基础设施时，这些设备非常有用。
什么是串联弹性执行器？
它在力路径中放置已知的顺应元件。测量其挠度可以估算力并提升冲击容忍度，同时在挠度和带宽之间做出权衡。
执行器类型应如何公平比较？
比较使用相同占空比和系统边界的验证任务输出，包括能源输入、驱动、传动、冷却、传感、维护和故障行为。
执行器选择说明
执行器的性能取决于完整的机构、能源、控制器和环境。验证电流部件额定和标准，然后在任务、寿命和故障条件下测试代表性硬件。