諧波減速器在機器人關(guān)節(jié)中的作用與工作原理

諧波減速器主要由波發(fā)生器、柔輪和剛輪三部分構(gòu)成。工作時，波發(fā)生器上的橢圓形凸輪裝入柔輪內(nèi)部，通過滾珠軸承驅(qū)動使柔輪產(chǎn)生可控的周期性彈性變形，與外部的剛輪齒面嚙合，實現(xiàn)高減速比的運動和動力傳遞。下圖示意了波發(fā)生器旋轉(zhuǎn)時諧波減速器各部分的相對運動：每旋轉(zhuǎn)180°，柔輪相對于剛輪移動一個齒差（柔輪齒數(shù)通常比剛輪少2齒），且有30%以上的齒數(shù)同時參與嚙合，以保證高扭矩輸出和高傳動比。

圖：諧波減速器工作示意圖（波發(fā)生器帶動柔輪在剛輪內(nèi)產(chǎn)生彈性變形并嚙合，示意各關(guān)鍵部件協(xié)同工作）。

• 高精度 ：諧波減速器回程間隙極?。ń咏惚诚叮軐崿F(xiàn)亞角秒級定位精度，確保機器人關(guān)節(jié)運動的重復定位精度。
• 緊湊輕量 ：諧波減速器結(jié)構(gòu)非常緊湊，柔輪薄壁杯體質(zhì)量輕，可在有限空間內(nèi)集成高減速比，減輕機器人手臂負載，提高靈活性。
• 高扭矩密度 ：得益于柔性齒輪設計和先進材料，諧波減速器能在小體積內(nèi)傳遞 較大輸出扭矩 。例如，哈默納科采用優(yōu)化柔輪結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了高扭矩容量，非常適合重載場景。
• 高效率與可靠 ：諧波傳動能量損失較小，運行平穩(wěn)可靠，長期使用壽命長，維護需求低。其無背隙特性也避免了低負載場合的反向滯后，提高控制精度和效率。

因此，諧波減速器廣泛應用于機器人各關(guān)節(jié)，尤其在小臂、腕部等需要高精度、高速比傳動的場景中表現(xiàn)優(yōu)秀。各類多關(guān)節(jié)機器人（如工業(yè)臂、人形機器人）多采用諧波減速器作為旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器的重要組成，為機器人提供精確、緊湊、高效率的動力傳遞。

設計制造與應用挑戰(zhàn)

諧波減速器雖優(yōu)勢突出，但由于結(jié)構(gòu)特殊，其設計與制造存在以下 技術(shù)挑戰(zhàn) ：

• 加工精度要求高 ：柔輪齒廓采用極精細設計（如漸開線、擺線或特殊S型曲線等），要求精密的加工和裝配。諧波減速器核心的柔輪材料選擇與熱處理工藝復雜，是制約產(chǎn)品性能的關(guān)鍵壁壘。
• 使用壽命受限 ：柔輪在運行中反復高速彈性變形，會產(chǎn)生材料疲勞和累積塑性，應力集中易導致壽命限制。盡管設計上會降低應力，但長周期高載荷下柔輪仍有壽命邊界，需要改進材料和潤滑技術(shù)來延長壽命。
• 傳動誤差與背隙 ：諧波減速器雖回程間隙小，但制造公差、齒形誤差及裝配偏差仍會產(chǎn)生 角傳動誤差 。高精度應用對其要求極高，需要改進齒形設計和加工工藝以降低誤差。
• 承載與沖擊能力 ：傳統(tǒng)諧波減速器承載能力相對有限，對沖擊和過載敏感。過大的沖擊力會損壞柔輪或軸承，要求新增結(jié)構(gòu)（如雙列滾子軸承支撐）來增強剛性和抗沖擊性能。
• 成本與批產(chǎn)難度 ：微米級加工精度帶來高成本，制造設備和檢測設備主要依賴進口。此外，精密齒輪批量化生產(chǎn)技術(shù)復雜，使得降低成本、擴大生產(chǎn)規(guī)模成為挑戰(zhàn)。

綜上，諧波減速器的 制造屬于系統(tǒng)工程 ，需要在設計、材料、設備、工藝、裝配等多方面攻關(guān)。目前國內(nèi)外企業(yè)都在針對柔輪材料、齒形精度、熱處理工藝等方面持續(xù)改進，以突破技術(shù)瓶頸。

創(chuàng)新發(fā)展趨勢

• 新型齒形與結(jié)構(gòu) ：國內(nèi)外均在探索改進齒形設計和波發(fā)生器結(jié)構(gòu)。綠的諧波提出了基于曲面幾何映射的P型齒設計，與哈默納科傳統(tǒng)IH齒形技術(shù)路線不同。P型齒具有更低的齒高、加寬的齒寬和更大根弧，能承受更大扭矩、減小柔輪變形量、延長壽命，其嚙合范圍也更廣。此外，綠的諧波Y系列還采用了三次諧波技術(shù)替代傳統(tǒng)二次諧波，使柔輪變形更加均衡，提高系統(tǒng)剛性和抑振效果。在結(jié)構(gòu)方面，南通振康等企業(yè)申請了雙列十字滾子軸承支撐的高剛度諧波減速機專利，通過并聯(lián)滾子軸承和超薄柔輪設計顯著提升了抗沖擊能力和傳遞扭矩。
• 機電一體化集成 ：機器人關(guān)節(jié)正向一體化執(zhí)行器方向發(fā)展，將驅(qū)動器、電機、減速器及傳感器等集成到緊湊模塊中。例如，中大力德等企業(yè)提出“減速器+電機+驅(qū)動”一體化方案，提高關(guān)節(jié)動力單元的集成度和可靠性。未來，諧波減速器將更多與無刷電機、力/扭矩傳感器協(xié)同設計，實現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能提升。
• 微型化與高扭矩平衡 ：隨著輕量化需求增強，諧波減速器向更小尺寸和更大扭矩密度發(fā)展。一方面采用先進合金或復合材料減輕質(zhì)量；另一方面通過多級設計或雙柔輪結(jié)構(gòu)等技術(shù)途徑提升扭矩輸出。同時，薄壁柔輪結(jié)構(gòu)和優(yōu)化的鋼材處理工藝，可在保證強度的前提下降低重量。在小型關(guān)節(jié)（如人形機器人手腕）領(lǐng)域，對小型化與高扭矩輸出的平衡尤為關(guān)鍵。
• 高可靠與低噪音設計 ：為提高可靠性和降低噪聲，廠商優(yōu)化潤滑系統(tǒng)、精度控制和齒面接觸設計。哈默納科研發(fā)了S型齒面設計，優(yōu)化齒面接觸連續(xù)性，減小接觸應力集中。國內(nèi)企業(yè)也不斷改進齒輪嚙合精度和軸承布局，以減少振動噪聲。同時，通過提高潤滑品質(zhì)和密封性能，降低溫升與磨損，提高長期運行穩(wěn)定性。

代表企業(yè)與研究進展

• 哈默納科 (Harmonic Drive AG，德國/日本) ：全球諧波減速器的 先驅(qū)和領(lǐng)導者 ，擁有50余年技術(shù)沉淀。其產(chǎn)品涵蓋多種結(jié)構(gòu)（杯型、帽型、平板型等），精度和可靠性業(yè)界領(lǐng)先。2021年全球市場占有率超過80%，產(chǎn)品廣泛應用于工業(yè)機器人、航天航空等領(lǐng)域。哈默納科持續(xù)推出高性能一體化模塊（集成電機和傳感器）以拓展下游應用。
• 日本新寶 (Nabtesco，日本) ：作為精密傳動巨頭，Nabtesco以高剛度RV減速器見長，同時也生產(chǎn)諧波系列，用于機器人大型關(guān)節(jié)。其技術(shù)特點是強度高、適合高負載場景。近年來，新寶與哈默納科并列占據(jù)中國市場，目前兩者合計在華市占率已降至約45%。
• 蘇州綠的諧波 (Leader Harmonious Drive) ：國內(nèi)諧波減速器龍頭企業(yè)，核心團隊深耕諧波傳動領(lǐng)域20余年。綠的諧波自主研發(fā)了P型齒與三次諧波技術(shù)，其Y、N系列產(chǎn)品的精度和壽命已達國內(nèi)領(lǐng)先。產(chǎn)品覆蓋標準杯型、帽型、高扭矩型、短筒型等多種規(guī)格，部分輕量型和平板型產(chǎn)品國內(nèi)首創(chuàng)。盡管部分性能已接近國外同類產(chǎn)品，但在產(chǎn)能規(guī)模、專利和應用領(lǐng)域拓展方面與國際大廠仍有差距。
• 浙江來福諧波 ：創(chuàng)業(yè)于2013年，憑借規(guī)模化生產(chǎn)和工藝優(yōu)化迅速發(fā)展。來福諧波以高性價比著稱，通過大批量生產(chǎn)壓低成本，現(xiàn)已成為國內(nèi)減速器行業(yè)規(guī)模領(lǐng)先、性價比最高的企業(yè)。公司產(chǎn)品從雷達天線、航空航天拓展到機器人領(lǐng)域，具備完整的柔輪杯型產(chǎn)品線，并積極參與國內(nèi)外合作。
• 南通振康機械 ：專注于高剛度諧波減速機研發(fā)。其獲批的雙剛輪諧波減速機和高剛度諧波減速機專利通過增加軸承支撐和強化剛輪設計，顯著提升抗沖擊能力和扭矩承載。這些技術(shù)創(chuàng)新為諧波減速器在高負載、高沖擊場景（如汽車設備、重型機械）中的應用提供了新思路。
• 其他機構(gòu)與廠商 ：國內(nèi)還有北京諧波傳動技術(shù)研究院、中技克美等機構(gòu)在基礎研究和小眾產(chǎn)品（如平板型）方面有所突破；高校和研究機構(gòu)也在柔輪仿真、材料改進等領(lǐng)域進行探索。國外還有德國Aurora、美國Alpha等企業(yè)和研究實驗室持續(xù)創(chuàng)新。

市場發(fā)展趨勢

隨著機器人產(chǎn)業(yè)特別是人形機器人快速發(fā)展，諧波減速器市場需求呈現(xiàn)爆發(fā)式增長：

• 需求量大幅提升 ：諧波減速器在機器人關(guān)節(jié)中是匹配電機與執(zhí)行機構(gòu)的核心組件。研究測算，2020年中國諧波減速器銷量約63萬臺，預計到2025年將增至188萬臺，年均復合增長率約25%，對應規(guī)模約47億元。每臺人形機器人約需14個諧波減速器，以特斯拉Optimus為例，減速器在整機成本中占比高達15%–20%，可見市場潛力巨大。
• 國產(chǎn)替代加速 ：國內(nèi)政策和產(chǎn)業(yè)升級推動國產(chǎn)減速器替代。雖然海外龍頭占據(jù)高額市場份額，但國產(chǎn)品牌不斷追趕。2023年，哈默納科和新寶在華市占率下降到約45%，綠的諧波、來福諧波等國產(chǎn)企業(yè)銷量和份額持續(xù)提升。中郵證券報告預測，中國諧波減速器市場規(guī)模將突破30億元，國產(chǎn)廠商市場份額顯著增長。隨著本體企業(yè)對國產(chǎn)化的重視，未來國產(chǎn)替代趨勢明確。
• 競爭格局 ：當前，日系和歐美廠商憑借技術(shù)壁壘仍占據(jù)高端市場，而國內(nèi)廠商則通過價格和服務占領(lǐng)中低端市場。國內(nèi)企業(yè)普遍采用差異化策略，例如以高性價比搶占市場（來福諧波）、以技術(shù)創(chuàng)新提升單品優(yōu)勢（綠的諧波）、以專利護城河擴展市場（南通振康）等。未來，隨著國產(chǎn)品牌規(guī)模擴張和技術(shù)提升，市場競爭將更加激烈。
• 未來預測 ：預計人形機器人等新應用的大規(guī)模落地將成為諧波減速器需求的 長期驅(qū)動因素 。同時，全球機器人自動化升級和國內(nèi)產(chǎn)業(yè)政策支持也將帶來增量需求。減速器向高精度、長壽命、低成本方向發(fā)展，專業(yè)化廠商和整機一體化方案將共存?？傮w而言，國產(chǎn)品牌通過研發(fā)投入和產(chǎn)能擴張有望繼續(xù)縮小與國際巨頭的差距，行業(yè)有望孕育出新的龍頭企業(yè)。

參考資料： 各項數(shù)據(jù)與結(jié)論主要參考行業(yè)研究報告和企業(yè)公開資料等。