知乎網(wǎng)友提出了一個問題：

"為什么機器人不使用滾珠絲杠驅(qū)動旋轉(zhuǎn)自由度降低減速器成本？"

問題描述

機械伺服用多級減速器效率低下，擺線針輪或諧波減速機對材料有較高要求成本高昂，為什么不像生物關(guān)節(jié)一樣使用高效率而極低成本的滾珠絲杠這樣的直線執(zhí)行器將直線運動轉(zhuǎn)化為對機器人關(guān)節(jié)軸的旋轉(zhuǎn)運動？

貼個常用諧波減速器的圖，中間那個薄壁的筒狀結(jié)構(gòu)就是柔輪，前面是諧波發(fā)生器其實不是一個正圓，每旋轉(zhuǎn)一圈使柔輪變形一次。柔輪的齒與剛輪嚙合的力傳遞到外圓Circularspline上，帶動旋轉(zhuǎn)一個齒達到極高減速比的輕量化高效傳動的目的。可以看出這樣的結(jié)構(gòu)對柔輪材料要求很高一般成品很昂貴。

典型的KUKA六自由度機器人，其中前三個自由度在基座和手臂上，承受力臂比較大負載要求較高，后三個自由度在手腕上主要目的是實現(xiàn)末端工件的全方位調(diào)節(jié)。

所以，總結(jié)一下：

Pros:

典型的滾珠絲杠90%以上效率并不比諧波減速這類高效率大減速比減速器差。

滾珠絲杠同時多道滾珠并行受力，抗沖擊條件比諧波減速這種依靠高材料要求的韌性柔輪少量齒尖承受沖擊因此造成高成本的旋轉(zhuǎn)減速器看起來要合理得多。

拋開傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)減速器結(jié)構(gòu)緊湊方便裝配設(shè)計的優(yōu)勢，滾珠絲杠結(jié)構(gòu)簡單實用廣泛成本非常低廉，有希望使用在機器人主要臂關(guān)節(jié)上大幅降低多自由度機器人成本。

按這個思路，腦補一下造出來的機械臂就會像是這樣，滿滿的帶伺服電動推桿的樣子（液壓霸們請將此題看作“為什么不用伺服電動推桿替代液壓缸用于小型化設(shè)備”）。

Cons:

一些猜測:

一個可能的答案是過去滾珠絲杠通過力臂轉(zhuǎn)化對軸旋轉(zhuǎn)運動具有奇異角問題控制過程非線性給控制器設(shè)計帶來難度，但是第一該過程數(shù)學(xué)模型簡單第二現(xiàn)在各種先進控制方式尤其是視覺等主動閉環(huán)輔助的發(fā)展可能給這一問題帶來幫助，也許受制于現(xiàn)有機械臂工業(yè)體系這樣新型的架構(gòu)難以得到使用？

第二個可能的答案是比如滾珠絲杠運動傳遞不可逆，這給一些領(lǐng)域的應(yīng)用（比如掉電完全就變成一僵尸了抓一半停在空中完全扭不回來，這在一些場合可能是致命的）帶來困難。但是使用監(jiān)控結(jié)構(gòu)應(yīng)變力主動補償?shù)确椒ㄒ材芏嗌傺a救這一困難。

我猜想另一個可能的答案是用于這種用途需要滾珠絲杠抗彎矩，顯然這確實是不合理的，有必要改進嗎？

還有一個可能是絲杠運動副幾乎不可逆的運動傳遞給示教再現(xiàn)制造了困難，當(dāng)然解決方案有，但是和典型的工業(yè)機器人實用習(xí)慣差異比較大。

另外多連桿造成的誤差影響也比較大，在Delta機器人中誤差被并聯(lián)抵消，而對于絲杠連桿驅(qū)動的機構(gòu)來說誤差增大。

WorkEnvelope是硬傷中的硬傷。

對于這個問題，知乎用戶王哲給出了自己的見解：

王哲釋疑

為什么不采用直線轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，首先是工作域的問題！其實在題主的問題描述里面，答案已經(jīng)呼之欲出了。

這是題主提供的直線-旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的例子挖掘機的示意圖，工作域大體標出來如下圖：

而一個常用工業(yè)機器人工作域是這樣的：

工作域范圍和自身體積之比，機器人遠大于1，而直線轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)機構(gòu)遠小于1，而且多關(guān)節(jié)機器人在空間域內(nèi)可到達范圍極廣，柔性極強。

直線轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)機構(gòu)缺點是致命的。工業(yè)機器人在成本和效率，很多情況下其實比不上專用機械hardautomation，但是它之所以受歡迎，就在與其柔性和通用性，在設(shè)計環(huán)節(jié)不需要做太多干涉性驗證和機械和結(jié)構(gòu)設(shè)計。

而柔性和通用性，是建立在大工作域和及其自由的到達能力上的，比如：

做焊接工藝的時候，要應(yīng)付很多形狀不特定的工件，如果機械手能達到哪里，不能到達哪里受極大限制，這種設(shè)備根本不會有人采用。

做machinetending應(yīng)用，大概畫個示意圖就OK，因為大家都知道只要機器人放下去，干涉方面不會成為太大問題，只要姿態(tài)和安裝位置做些輕微調(diào)整就可以。

試試，在這樣的場景里用挖掘機類似的機構(gòu)，在設(shè)計環(huán)節(jié)絕對是個噩夢。

其實上述一個缺點，就可以把那種機構(gòu)槍斃了。當(dāng)然還有其他問題：

其次是空間。

直線轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，說到底就是一個杠桿，而一個杠桿必須要在臂上占用額外空間，我們不討論工作域問題，就這個空間的增加，會導(dǎo)致大量的運動干涉。

三是潤滑引發(fā)的問題。

滾珠絲桿是需要潤滑的，而且他因為經(jīng)常伸縮，有一些機構(gòu)暴露在外面帶著潤滑脂。污染是一個問題，定期維護又是一個問題，現(xiàn)在機器人一兩年才需要維護，是因為減速機的封閉性，潤滑脂不會大量耗散也不會被污染。

四是重量。

別小看這一點點重量，對于機器人多級傳動來說，重量產(chǎn)生的慣性及阻尼都會成倍放大。

當(dāng)然還有其他問題，如控制算法等，但這些與上述缺點，尤其是工作域問題比起來，都是小問題了。

釋疑補充

另外回答一下題主的補充疑問。

任何機械結(jié)構(gòu)，任何東西都有優(yōu)缺點，但是就針對任何特定用途而言，優(yōu)缺點是有輕重之分的，也就是有權(quán)重。具體到工業(yè)機器人的用途上，這種結(jié)構(gòu)的缺點是致命的，決定性的。

而且這個缺陷是原理級的。

這是機器人的各軸示意圖（每個機器人大廠家對各軸稱呼不一樣，SLURBT是Yaskawa的稱呼，發(fā)那科稱呼為J1-J6，ABB、庫卡一般稱呼為第1-6軸，這里為了方便，用Yaskawa的STU系統(tǒng)）。

首先我們不討論圖示中的S，R，T三個軸，只考慮L，U，B三個軸。

看我畫的草圖：

每一個伸縮桿—回轉(zhuǎn)的傳動機構(gòu)，在原理上，做動角度范圍a在0

實際中，絲桿推力F會因和驅(qū)動桿的夾角b，被分解成沿著桿的徑向力f2和垂直與桿的法向力f1，并且f1是有效的，f2是無效的。而f1=F*sinb。由于b角度在接近0和180度時候的極限位置，sinb會無限接近于0。

以及其他的機械限制，a角能在30

而普通工業(yè)機器人的角度范圍如下圖。

三個軸，每個軸都將其做動范圍壓縮了一半，所以到達域被極度壓縮。而如我所說，工作域和靈活的到達能力是多關(guān)節(jié)機器人的根本價值。

你的設(shè)計就相當(dāng)于說，你有一個設(shè)計能將船的造價降低一半，但是代價是船不能浮在水面上了，這里就沒有任何“優(yōu)點缺點”可談了。