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特斯拉人形机器人Optimus选择行星滚柱丝杠作为线性关节执行器的原因分析

1.引言

特斯拉公司正在开发的通用人形机器人Optimus（也称TeslaBot）旨在执行重复性、危险性或人类不愿从事的任务。这款机器人被设想为一款拥有与特斯拉电动汽车相似的人工智能系统驱动的“长着胳膊和腿的机器人”。自2021年首次公布以来，Optimus经历了多个发展阶段，展示了行走、抓取物体、甚至进行瑜伽等能力。必威体育精装版一代的Optimus拥有28个关节，其中包括14个线性执行器。?

在人形机器人的设计中，执行器是至关重要的组成部分，特别是线性执行器，它们负责将旋转运动转化为直线运动，从而驱动机器人的肢体和关节运动。Optimus的线性关节解决方案采用了无框电机与行星滚柱丝杠相结合的技术，并配有传感器和轴承。本报告旨在深入分析特斯拉为何选择行星滚柱丝杠作为Optimus线性关节的关键执行机构。?

特斯拉倾向于垂直整合其供应链，这可能影响了其执行器的选择，并可能更倾向于定制设计的部件，例如行星滚柱丝杠。特斯拉强调从零开始设计组件，包括其执行器的定制电机和齿轮传动系统。这种垂直整合使得特斯拉能够优化设计并实现紧凑的封装，这可能延伸到选择和潜在的内部制造行星滚柱丝杠，以满足Optimus特定的性能目标。埃隆·马斯克曾表示，特斯拉内部设计了当前Optimus型号的所有组件，包括执行器。?

此外，特斯拉提到Optimus采用了“定制执行器”，并且由于缺乏合适的现成产品而需要设计自己的执行器，这表明标准解决方案可能无法满足Optimus特定的性能要求。马斯克指出，特斯拉不得不设计自己的执行器，集成了电机、电力电子设备、控制器和传感器，因为没有现成的执行器“能够很好地工作”。这强烈暗示特斯拉对Optimus的线性执行器有着特定且严苛的要求，而市售产品可能无法满足这些要求，从而促使特斯拉选择或定制开发基于行星滚柱丝杠的执行器。?

2.线性执行器在人形机器人中的关键作用

人形机器人中的线性执行器对于产生伸展和收缩肢体所需的推拉运动至关重要，这模仿了人类肌肉的功能。这种旋转运动到直线运动的转换是行走、举升和操作物体等任务的基础。?

必威体育精装版一代的Optimus在关键关节中使用了14个线性执行器：肘部2个，腕部4个，髋部2个，膝部2个，踝部4个。这些线性运动与肩部等其他关节中的旋转执行器相结合，实现了机器人整体的运动范围和灵活性。?

人形机器人对线性执行器的性能有多种关键要求：

力容量：产生足够的力量来举起、携带和操作物体，以及进行移动。Optimus的设计目标是举起高达20公斤的物体，并具有150磅的硬举能力。?

精度和重复性：在精细任务和稳定操作中实现精确定位和运动。人形机器人需要高精度才能执行模仿人类灵巧性的任务。?

速度和加速度：运动的响应性和敏捷性。快速且响应迅速的运动对于动态交互和任务至关重要。?

耐久性和寿命：能够承受各种应用所需的连续运行和高工作周期。用于工业或家庭用途的人形机器人需要具有长寿命的执行器。?

尺寸和重量：紧凑且轻巧的设计，以最大限度地减少惯性和功耗，这对于移动人形机器人至关重要。Optimus的目标是达到类似人类的尺寸和重量（约1.73米高，57公斤重）。?

效率：低功耗以最大限度地延长电池寿命和运行时间。特斯拉为Optimus配备了2.3千瓦时的电池组。?

反向间隙：最小化关节中不必要的游隙或运动，以实现精确控制。反向间隙会对机器人运动的准确性产生负面影响。?

噪音：在人机交互环境中实现安静运行。降低噪音对于与人类并肩工作的机器人非常重要。?

Optimus设想执行各种任务（例如，制造助理、家庭帮助、协助老年人），这意味着线性执行器必须在所有这些性能参数之间取得平衡，而不是仅在其中一两个方面表现出色。通用机器人需要能够执行各种需要不同程度的力量、精度、速度和耐力的任务。例如，协助制造可能需要高力量和耐久性，而帮助老年人可能需要精确和轻柔的动作。因此，所选择的线性执行器需要提供平衡的性能，使Optimus能够真正实现多功能性。?

3.行星滚柱丝杠技术解析

行星滚柱丝杠是一种精密线性执行器，它使用螺纹滚柱（而不是滚珠丝杠中的滚珠）在螺母和丝杠之间将旋转运动转换为直线运动。其主要部件包括一个多头V形螺纹丝杠轴，一个带有与丝杠匹配的内螺纹的螺母，以及多个单头螺纹滚柱（也称为行星或卫星），这些滚柱以放射状排列在螺母内的丝杠周围。当丝杠旋转时（由电机驱动），滚柱与丝杠和螺母的螺纹啮合，使其自身旋转并围绕丝杠进行行星运动。这种行星运动将旋转输入转化为螺母沿丝杠轴的线性运动，反之亦然。滚柱的末端通常带有齿轮，并与螺母两端的齿圈啮合，确保滚柱旋转和行星运动的正确对齐和同步。其显