人形机器人深度研究：谐波减速器：差齿传动，持续进化

发布时间：

2025-06-12

在人形机器人产业加速前行的浪潮中，谐波减速器作为核心关键部件，正成为决定产业进阶节奏的关键力量。其技术壁垒高筑于齿形设计、材料制备与精密加工，海外厂商长期领跑，国内虽在齿形等方面实现突破，但性能差距仍存。而人形机器人驱动需求的爆发式增长，让 2027 年谐波减速器供需拐点隐现，竞争格局也加速重构，国产替代机遇与挑战并存。

设计、材料、工艺、设备造就谐波减速器高壁垒

核心部件定位

减速器作为旋转执行器核心，包含谐波、行星、RV 减速器，人形机器人常用谐波与行星减速器。谐波减速器体积小、重量轻、精度高，但软轮抗冲与寿命存限、成本偏高；行星减速器精度有限，承载与抗冲击优于谐波。

RV 减速器经优化后未来有望用于人形部分关节，其靠摆线轮与针齿啮合，具备大扭矩和抗冲击性，已通过优化缩小体积、提升精度。

结构与传动原理

谐波减速器结构相对简单，由柔轮、刚轮和波发生器组成，传动基于柔轮和刚轮间错齿运动，核心是柔轮弹性变形与齿轮啮合。常见双波传动，如刚轮 200 齿、柔轮 198 齿时，电机带动波发生器转一圈，柔轮转 2/200 圈，反向错位 2 齿，减速比达 100。

调整柔轮和刚轮齿数可获不同减速比，单极传动可达 70 - 500 ，部分装置及多级传动减速比更高。

工作原理（核心：弹性变形与错齿运动）

装配： 柔轮通常安装在刚轮内部，波发生器装入柔轮内孔。

变形： 波发生器（椭圆形）迫使柔轮变形，使其在波发生器长轴两端处（波峰）与刚轮齿完全啮合，在短轴两端处（波谷）与刚轮齿完全脱开。

错齿啮合：

由于柔轮齿数少于刚轮齿数（通常少2个齿，即 N_r = N_f - 2，其中 N_r 为柔轮齿数，N_f 为刚轮齿数），当波发生器旋转时，柔轮与刚轮齿的啮合点会不断移动。

波发生器旋转一周，柔轮与刚轮在啮合区接触的齿会相对移动 (N_f - N_r) 个齿的角度，也就是2个齿的角度。

减速输出：

如果刚轮固定，波发生器输入旋转：

柔轮会朝着与波发生器相反的方向旋转。

减速比 i = - N_r / (N_f - N_r) = - N_r / 2 （负号表示方向相反）。

如果柔轮固定，波发生器输入旋转：

刚轮会朝着与波发生器相同的方向旋转。

减速比 i = N_f / (N_f - N_r) = N_f / 2。

这是两种最常用的配置。减速比通常很大（常见于50:1到320:1之间）。

关键特点（优势）

高精度： 多齿同时啮合（通常有30%的齿参与啮合），平均效应显著减小了单个齿的制造误差影响，传动精度高。

零背隙/极小背隙： 柔轮在预紧力作用下始终与刚轮齿保持紧密接触，可以实现理论上的零背隙传动，即使有微小背隙也极其稳定，这对机器人定位精度至关重要。

高减速比： 在单级传动中即可获得很大的减速比（通常50:1到320:1），结构紧凑。

高扭矩密度： 单位体积/重量下能传递很大的扭矩。

结构紧凑、重量轻： 零件数量少（三个基本构件），轴向尺寸小。

传动效率高： 相对其高减速比而言，效率通常可达80%-90%。

运动平稳、噪音低： 多齿啮合使得传动更平稳，噪音较低。