諧波減速器在機(jī)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(shí)，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(dòng)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(shí)現(xiàn)高減速比的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞。下圖示意了波發(fā)生器旋轉(zhuǎn)時(shí)諧波減速器各部分的相對(duì)運(yùn)動(dòng)：每旋轉(zhuǎn)180°，柔輪相對(duì)于剛輪移動(dòng)一個(gè)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(shí)參與嚙合，以保證高扭矩輸出和高傳動(dòng)比。

圖：諧波減速器工作示意圖（波發(fā)生器帶動(dòng)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?，能實(shí)現(xiàn)亞角秒級(jí)定位精度，確保機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的重復(fù)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(jī)器人手臂負(fù)載，提高靈活性。
• 高扭矩密度 ：得益于柔性齒輪設(shè)計(jì)和先進(jìn)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(shí)現(xiàn)了高扭矩容量，非常適合重載場(chǎng)景。
• 高效率與可靠 ：諧波傳動(dòng)能量損失較小，運(yùn)行平穩(wěn)可靠，長(zhǎng)期使用壽命長(zhǎng)，維護(hù)需求低。其無背隙特性也避免了低負(fù)載場(chǎng)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(yīng)用于機(jī)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(dòng)的場(chǎng)景中表現(xiàn)優(yōu)秀。各類多關(guān)節(jié)機(jī)器人（如工業(yè)臂、人形機(jī)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(jī)器人提供精確、緊湊、高效率的動(dòng)力傳遞。

設(shè)計(jì)制造與應(yīng)用挑戰(zhàn)

諧波減速器雖優(yōu)勢(shì)突出，但由于結(jié)構(gòu)特殊，其設(shè)計(jì)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(xì)設(shè)計(jì)（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(fù)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(yùn)行中反復(fù)高速?gòu)椥宰冃?，?huì)產(chǎn)生材料疲勞和累積塑性，應(yīng)力集中易導(dǎo)致壽命限制。盡管設(shè)計(jì)上會(huì)降低應(yīng)力，但長(zhǎng)周期高載荷下柔輪仍有壽命邊界，需要改進(jìn)材料和潤(rùn)滑技術(shù)來延長(zhǎng)壽命。
• 傳動(dòng)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(huì)產(chǎn)生 角傳動(dòng)誤差 。高精度應(yīng)用對(duì)其要求極高，需要改進(jìn)齒形設(shè)計(jì)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(duì)有限，對(duì)沖擊和過載敏感。過大的沖擊力會(huì)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(qiáng)剛性和抗沖擊性能。
• 成本與批產(chǎn)難度 ：微米級(jí)加工精度帶來高成本，制造設(shè)備和檢測(cè)設(shè)備主要依賴進(jìn)口。此外，精密齒輪批量化生產(chǎn)技術(shù)復(fù)雜，使得降低成本、擴(kuò)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(shè)計(jì)、材料、設(shè)備、工藝、裝配等多方面攻關(guān)。目前國(guó)內(nèi)外企業(yè)都在針對(duì)柔輪材料、齒形精度、熱處理工藝等方面持續(xù)改進(jìn)，以突破技術(shù)瓶頸。

創(chuàng)新發(fā)展趨勢(shì)

• 新型齒形與結(jié)構(gòu) ：國(guó)內(nèi)外均在探索改進(jìn)齒形設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，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(zhǎng)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(qǐng)了雙列十字滾子軸承支撐的高剛度諧波減速機(jī)專利，通過并聯(lián)滾子軸承和超薄柔輪設(shè)計(jì)顯著提升了抗沖擊能力和傳遞扭矩。
• 機(jī)電一體化集成 ：機(jī)器人關(guān)節(jié)正向一體化執(zhí)行器方向發(fā)展，將驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)、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(jī)+驅(qū)動(dòng)”一體化方案，提高關(guān)節(jié)動(dòng)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(jī)、力/扭矩傳感器協(xié)同設(shè)計(jì)，實(shí)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(qiáng)，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(jìn)合金或復(fù)合材料減輕質(zhì)量；另一方面通過多級(jí)設(shè)計(jì)或雙柔輪結(jié)構(gòu)等技術(shù)途徑提升扭矩輸出。同時(shí)，薄壁柔輪結(jié)構(gòu)和優(yōu)化的鋼材處理工藝，可在保證強(qiáng)度的前提下降低重量。在小型關(guān)節(jié)（如人形機(jī)器人手腕）領(lǐng)域，對(duì)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(shè)計(jì) ：為提高可靠性和降低噪聲，廠商優(yōu)化潤(rùn)滑系統(tǒng)、精度控制和齒面接觸設(shè)計(jì)。哈默納科研發(fā)了S型齒面設(shè)計(jì)，優(yōu)化齒面接觸連續(xù)性，減小接觸應(yīng)力集中。國(guó)內(nèi)企業(yè)也不斷改進(jìn)齒輪嚙合精度和軸承布局，以減少振動(dòng)噪聲。同時(shí)，通過提高潤(rùn)滑品質(zhì)和密封性能，降低溫升與磨損，提高長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性。

代表企業(yè)與研究進(jìn)展

• 哈默納科 (Harmonic Drive AG，德國(guó)/日本) ：全球諧波減速器的 先驅(qū)和領(lǐng)導(dǎo)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(chǎng)占有率超過80%，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)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(jī)和傳感器）以拓展下游應(yīng)用。
• 日本新寶 (Nabtesco，日本) ：作為精密傳動(dòng)巨頭，Nabtesco以高剛度RV減速器見長(zhǎng)，同時(shí)也生產(chǎn)諧波系列，用于機(jī)器人大型關(guān)節(jié)。其技術(shù)特點(diǎn)是強(qiáng)度高、適合高負(fù)載場(chǎng)景。近年來，新寶與哈默納科并列占據(jù)中國(guó)市場(chǎng)，目前兩者合計(jì)在華市占率已降至約45%。
• 蘇州綠的諧波 (Leader Harmonious Drive) ：國(guó)內(nèi)諧波減速器龍頭企業(yè)，核心團(tuán)隊(duì)深耕諧波傳動(dòng)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(dá)國(guó)內(nèi)領(lǐng)先。產(chǎn)品覆蓋標(biāo)準(zhǔn)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(guó)內(nèi)首創(chuàng)。盡管部分性能已接近國(guó)外同類產(chǎn)品，但在產(chǎn)能規(guī)模、專利和應(yīng)用領(lǐng)域拓展方面與國(guó)際大廠仍有差距。
• 浙江來福諧波 ：創(chuàng)業(yè)于2013年，憑借規(guī)?；a(chǎn)和工藝優(yōu)化迅速發(fā)展。來福諧波以高性價(jià)比著稱，通過大批量生產(chǎn)壓低成本，現(xiàn)已成為國(guó)內(nèi)減速器行業(yè)規(guī)模領(lǐng)先、性價(jià)比最高的企業(yè)。公司產(chǎn)品從雷達(dá)天線、航空航天拓展到機(jī)器人領(lǐng)域，具備完整的柔輪杯型產(chǎn)品線，并積極參與國(guó)內(nèi)外合作。
• 南通振康機(jī)械 ：專注于高剛度諧波減速機(jī)研發(fā)。其獲批的雙剛輪諧波減速機(jī)和高剛度諧波減速機(jī)專利通過增加軸承支撐和強(qiáng)化剛輪設(shè)計(jì)，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(fù)載、高沖擊場(chǎng)景（如汽車設(shè)備、重型機(jī)械）中的應(yīng)用提供了新思路。
• 其他機(jī)構(gòu)與廠商 ：國(guó)內(nèi)還有北京諧波傳動(dòng)技術(shù)研究院、中技克美等機(jī)構(gòu)在基礎(chǔ)研究和小眾產(chǎn)品（如平板型）方面有所突破；高校和研究機(jī)構(gòu)也在柔輪仿真、材料改進(jìn)等領(lǐng)域進(jìn)行探索。國(guó)外還有德國(guó)Aurora、美國(guó)Alpha等企業(yè)和研究實(shí)驗(yàn)室持續(xù)創(chuàng)新。

市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)

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

• 需求量大幅提升 ：諧波減速器在機(jī)器人關(guān)節(jié)中是匹配電機(jī)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的核心組件。研究測(cè)算，2020年中國(guó)諧波減速器銷量約63萬臺(tái)，預(yù)計(jì)到2025年將增至188萬臺(tái)，年均復(fù)合增長(zhǎng)率約25%，對(duì)應(yīng)規(guī)模約47億元。每臺(tái)人形機(jī)器人約需14個(gè)諧波減速器，以特斯拉Optimus為例，減速器在整機(jī)成本中占比高達(dá)15%–20%，可見市場(chǎng)潛力巨大。
• 國(guó)產(chǎn)替代加速 ：國(guó)內(nèi)政策和產(chǎn)業(yè)升級(jí)推動(dòng)國(guó)產(chǎn)減速器替代。雖然海外龍頭占據(jù)高額市場(chǎng)份額，但國(guó)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(guó)產(chǎn)企業(yè)銷量和份額持續(xù)提升。中郵證券報(bào)告預(yù)測(cè)，中國(guó)諧波減速器市場(chǎng)規(guī)模將突破30億元，國(guó)產(chǎn)廠商市場(chǎng)份額顯著增長(zhǎng)。隨著本體企業(yè)對(duì)國(guó)產(chǎn)化的重視，未來國(guó)產(chǎn)替代趨勢(shì)明確。
• 競(jìng)爭(zhēng)格局 ：當(dāng)前，日系和歐美廠商憑借技術(shù)壁壘仍占據(jù)高端市場(chǎng)，而國(guó)內(nèi)廠商則通過價(jià)格和服務(wù)占領(lǐng)中低端市場(chǎng)。國(guó)內(nèi)企業(yè)普遍采用差異化策略，例如以高性價(jià)比搶占市場(chǎng)（來福諧波）、以技術(shù)創(chuàng)新提升單品優(yōu)勢(shì)（綠的諧波）、以專利護(hù)城河擴(kuò)展市場(chǎng)（南通振康）等。未來，隨著國(guó)產(chǎn)品牌規(guī)模擴(kuò)張和技術(shù)提升，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)將更加激烈。
• 未來預(yù)測(cè) ：預(yù)計(jì)人形機(jī)器人等新應(yīng)用的大規(guī)模落地將成為諧波減速器需求的 長(zhǎng)期驅(qū)動(dòng)因素 。同時(shí)，全球機(jī)器人自動(dòng)化升級(jí)和國(guó)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(zhǎng)壽命、低成本方向發(fā)展，專業(yè)化廠商和整機(jī)一體化方案將共存?？傮w而言，國(guó)產(chǎn)品牌通過研發(fā)投入和產(chǎn)能擴(kuò)張有望繼續(xù)縮小與國(guó)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(xiàng)數(shù)據(jù)與結(jié)論主要參考行業(yè)研究報(bào)告和企業(yè)公開資料等。