机器人执行器主要包括哪些核心部件？

机器人的执行器是其核心部件之一，可以通俗地理解为机器人的“肌肉”，它的作用是将控制器发出的电信号或其他形式的能量，转化为机器人具体、可见的动作（如移动、抓取、旋转等）,从而与物理世界进行交互。

执行器的种类繁多,主要可以分为以下几大类：

电动执行器

这是目前最主流、应用最广泛的执行器类型，尤其适用于工业机器人、服务机器人和协作机器人,它通过将电能转换为机械运动来实现动作。

a) 电动机

这是机器人中最核心、最常用的执行器，电动机种类繁多,各有其应用场景。

• 直流有刷电机：结构简单，成本低，但存在电刷磨损、寿命短、产生电磁干扰等问题，常用于低成本、对精度和寿命要求不高的场合,如一些玩具机器人或小型轮式机器人的轮子驱动。
• 直流无刷电机：取消了电刷，通过电子换向，具有效率高、寿命长、噪音低、控制精准等优点，是现代高性能机器人的首选，广泛用于关节驱动、无人机旋翼、高端伺服系统等。
• 步进电机：能够将电脉冲信号精确地转换为角位移或线位移，即“一步一走”，它的主要特点是开环控制下就能实现高精度定位，但低速时可能存在振动和噪音，常用于3D打印机、数控机床、小型机械臂的关节。
• 伺服电机：这是机器人关节的“黄金标准”，它由电机、高精度编码器（用于实时反馈位置和速度）和驱动器（控制器）三部分组成，通过闭环控制系统，它可以实现极高精度、高速度、高扭矩的精确控制，几乎所有的工业六轴机械臂、协作机器人的关节都使用伺服电机。

b) 执行器

与电机不同，执行器通常指更完整的动力单元，它内部集成了电机、减速器、编码器等,可以直接与负载连接。

• 舵机：一种集成了电机、减速齿轮组、位置传感器和控制电路的闭环执行器，它接收一个特定的PWM（脉宽调制）信号，就能精确地转动到目标角度并保持，常用于小型机器人、无人机、机械臂的手指关节等需要精确角度控制的场合。
• 直线执行器：将电机的旋转运动转换为直线往复运动，它通常由电机、丝杠（或滚珠丝杠）、导轨和外壳组成，非常适合需要推、拉、升降等直线动作的场景，如医疗床的调节、工业自动化中的定位、机器人的线性轴等。

液压执行器

液压执行器利用高压油液的压力来驱动机械部件运动，它的核心是液压缸和液压马达。

• 优点：
  • 功率密度极高：在同等体积或重量下,能产生远超电机和气机的巨大力量。
  • 输出力矩/推力巨大：非常适合重型、高负载的场合。
  • 结构简单、刚性好：直接驱动,响应快。
• 缺点：
  • 系统复杂：需要液压泵、油箱、管路、阀门等多个部件,维护困难。
  • 存在泄漏风险：油液泄漏会污染环境。
  • 控制精度相对较低：相比伺服电机,其位置控制精度稍差。
• 典型应用：
  • 重型工业机器人（如大型锻造、压铸机器人）。
  • 工程机械（挖掘机、装载机、起重机）。
  • 飞机起落架、船舶舵机等。

气动执行器

气动执行器利用压缩空气的压力来驱动运动，其核心是气缸和气动马达。

• 优点：
  • 结构简单、成本极低：元件标准化,易于获取和维护。
  • 响应速度快：空气可压缩性小,动作迅速。
  • 清洁环保：工作介质是空气,无污染。
  • 安全性高：适用于易燃易爆的环境。
• 缺点：
  • 输出力相对较小：不适合高负载应用。
  • 速度和位置控制精度较低：空气的可压缩性导致控制不够平稳和精确。
  • 噪音较大：排气时会产生噪音。
• 典型应用：
  • 自动化生产线上的抓取、搬运、推挡等简单、重复性的动作。
  • 汽车制造中的冲压、焊接工装。
  • 真空吸盘（利用负压）。

新兴执行器技术

随着材料科学和人工智能的发展，一些新型执行器技术正在兴起，它们模仿生物体的运动方式,具有独特的优势。

• 形状记忆合金：这种合金在受热时会“记忆”并恢复到其预先设定的形状，通过通电加热，可以使其产生收缩或弯曲的力，优点是体积小、力量大、动作安静，但速度慢、能耗高、循环寿命有限，常用于微型机器人、仿生鱼鳍、医疗导管等。
• 压电执行器：利用某些晶体材料在施加电压时会发生微小形变的“压电效应”，优点是响应速度极快、精度极高、无电磁干扰，但位移非常微小（微米/纳米级），常用于精密定位平台、光学镜头调焦、原子力显微镜等。
• 人工肌肉：模仿生物肌肉的收缩和舒张功能，通常由柔性高分子材料制成，优点是柔顺性好、能实现大变形、与人交互安全，是目前软体机器人研究的核心，目前仍在实验室阶段,逐步走向应用。

总结与对比

机器人的执行器选择是一个综合性的权衡过程，需要根据应用场景对负载、速度、精度、成本、尺寸、环境等因素进行全面考量，在现代机器人技术中，电动执行器（尤其是伺服电机）因其卓越的综合性能,已成为绝对的主流。

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