人形机器人-谐波减速器

发布时间：

2025-04-18

减速器是连接动力源和执行机构的中间机构，具有匹配转速和传递转矩的作用。在人形机器人中，减速器是核心精密零部件之一，主要用于为各处关节运动提供稳定的动力支持，价值占比达到30%。应用于机器人的精密减速器主要有谐波减速器、行星减速器、RV减速器三类。

谐波减速器是一种利用谐波齿轮传动原理实现减速传动的精密传动装置，它主要由波发生器、柔轮和刚轮三部分组成。在运动过程中，波发生器使柔轮产生可控的弹性变形，从而与刚轮啮合，以实现减速和动力传递，具有结构紧凑、传动比大、精度高、噪声低等特点。

工作原理

谐波减速器主要由波发生器、柔性齿轮（柔轮）、柔性轴承、刚性齿轮（刚轮）四个基本构件组成。波发生器是主动件，刚轮和柔轮之一为从动件，另一个为固定件。当波发生器装入柔轮后，迫使柔轮的剖面由原先的圆形变成椭圆形，其长轴两端附近的齿与刚轮的齿完全啮合，而短轴两端附近的齿则与刚轮完全脱开，周长上其他区段的齿处于啮合和脱离的过渡状态。当波发生器沿一定方向连续转动时，柔轮的变形不断改变，使柔轮与刚轮的啮合状态也不断改变，由啮入、啮合、啮出、脱开、再啮入…… 周而复始地进行，从而实现柔轮相对刚轮沿波发生器相反方向的缓慢旋转，达到减速传动的目的。

特点

传动比大：单级谐波齿轮传动的传动比可达 70-500，在某些装置中甚至可达到 1000，多级传动速比更是可达 30000 以上，能够满足人形机器人对不同运动速度和扭矩的需求。

精度高：在齿轮精度等级相同的情况下，谐波减速器的传动误差只有普通圆柱齿轮传动的 1/4 左右，同时可通过微量改变波发生器的半径来增加柔轮的变形，使齿隙很小，甚至能做到无侧隙啮合，确保了人形机器人动作的精准性。

体积小、重量轻：与一般减速机相比，在输出力矩相同的情况下，谐波齿轮减速机的体积可减小 2/3，重量可减轻 1/2，这对于空间和重量限制较为严格的人形机器人来说非常重要。

承载能力强：谐波传动中，齿与齿的啮合是面接触，加上同时啮合齿数比较多，因而单位面积载荷小，承载能力较其他传动形式高2。

传动效率高：轮齿啮合部位滑动甚小，减少了摩擦产生的动力损失，在获得高减速比的同时，得以维持高效率，并实现驱动马达的小型化2。

应用部位

主要应用于人形机器人的小臂、腕部、手部等轻负载部分。在这些部位，对体积和灵活度的要求较高，谐波减速器体积小、重量轻、传动比高、精密度高的特点，使其能够充分发挥优势，助力机器人完成各类灵活、精细的动作。

关键技术设计

结构优化与运动学设计：采用双圆弧齿形设计，优化齿面接触应力分布，降低摩擦损耗；柔性轮设计为薄壁圆筒结构，通过有限元分析优化厚度分布，提升抗疲劳性能；参考电机 - 减速器一体化设计，通过无框力矩电机直接集成谐波减速器，减少中间连接件，降低重量并提升动态响应。

材料与表面处理技术：柔性轮采用镍基合金，其屈服强度高，抗疲劳性能优于传统合金钢，并通过激光熔覆工艺增强齿面耐磨性；刚性轮与壳体选用钛合金，兼顾轻量化与高刚性，并通过 DLC 涂层降低摩擦系数。

动态性能优化：基于模态试验装置，结合加速度传感器与力锤，识别系统固有频率并优化结构谐振点，降低振动幅度；集成嵌入式扭矩传感器与编码器，通过 PID 算法动态调整输出扭矩，适应人形机器人的非结构化运动场景。