人形机器人减速器是机器人机械系统中的关键组件,占机器人成本30%,主要负责在原动机(如电机)和工作机构(如机器人的关节)之间起到匹配转速和传递转矩。减速器由多个齿轮组成,通过不同大小齿轮的啮合传递动力,从而降低驱动设备的转速并提供更高的扭矩输出和承载能力。

  按照精度划分,减速器目前主要可分为一般传动减速器和精密减速器两大类。其中,一般传动减速器可进一步划分为通用减速器和专用减速器,精密减速器则主要包括精密行星减速器、谐波减速器和RV减速器等,具备体积小、精度高、重量轻、稳定性强等优点。

  行星减速器的工作原理基于齿轮传动原理,太阳轮输入转速与行星轮啮合,行星轮在自转的同时围绕中心轮公转,最后由行星架将转速和扭矩传递到输出轴上。结构简单且传动效率高,多安装在伺服电机上,用来降低转速,提升扭矩,精确定位,其常被用于机器人中对精度要求低的部分身体旋转关节。

  三大类精密减速器中,行星减速器开发时间最早。19世纪80年代德国出现第一个行星齿轮传导装置的专利,20世纪20年代,首次量产行星齿轮传动装置。我国从20世纪60年代起开始研制应用行星减速器,国内头部企业普遍成立于21世纪初,如科峰智能、中大力德、纽氏达特等。

  技术进步和创新正在推动精密行星减速器向更小型化、轻量化发展,以适应现代制造业对空间和重量的严格要求。同时,提高传动效率和降低噪音也是研发的重点方向。

  RV减速器是一种精密的机械传动装置,是旋转矢量(Rotary Vector)减速器的简称,最早由日本发明,用于实现高扭矩输出和高精度的旋转运动,通常适用于机器人基座、大臂、肩部等重负载的位置。

  1926年德国的Lorenz Blanc提出针摆行星传动,后经住友引进、摆线年日本帝人精机提出RV传动理论,1986年RV减速器正式大规模生产。1960年代针摆传动引入我国,80年代末我国开始RV理论研究,2010年以后随着双环传动、中大力德等厂商开始介入起逐步打破海外品牌垄断。由于RV减速器结构复杂且零部件较多,生产制造过程中约束条件较多,目前国产RV减速器市场份额相对不高,发展相对较慢。日本纳博特斯克是全球最大的RV减速器生产商,国产品牌主要有双环传动、珠海飞马、中大力德等。

  RV减速器通常由两级减速机构组成,第一级为正齿轮减速机构,第二级为差动齿轮减速机构。其工作原理涉及正齿轮变速和差动齿轮变速,通过行星轮和太阳轮实现的齿轮变速,以及RV齿轮和针轮之间的啮合来达到减速效果。

  RV减速器的设计和制造涉及复杂的齿轮啮合原理和动态力学分析,要求精度保持性、产品一致性高,并且需要与机器人算法紧密结合。这些技术要求对制造工艺和材料选择提出了挑战。高精度机器人传动越来越多地采用RV减速器,它在某些应用中甚至有逐渐取代谐波减速器的趋势。

  谐波减速器是一种高精度的机械传动装置,利用特殊的波形发生器、挠性花键(柔轮)和刚性花键(刚轮)三个关键部件实现运动和动力的传递。这种减速器体积小、重量轻,结构简单紧凑,以其高减速比、零齿隙、高扭矩密度、准确性和可靠性而著称,适用于机器人小臂、腕部、手部等部件,这些部位对体积和灵活度有较高要求。

  1955年美国发明家C.W.Musser发明谐波传动,1964年日本引入谐波齿轮传动技术,1970年开始谐波传动技术正式商业化。1961年谐波传动引入我国,1962年我国第一台谐波减速器研制成功,2003年以绿的谐波为首的国产谐波减速器企业开始研发,后逐步实现产业化。全球谐波减速器市场目前呈现高度集中状态,主要由日本的哈默纳科占主导地位,国内比较典型的企业是绿的谐波。

  波形发生器(椭圆形)作为输入端连接到电机轴上,通过其椭圆形轮毂和特殊薄壁轴承产生可控的弹性变形波。这些变形波传递到柔轮,柔轮与刚轮相互作用,实现减速和增加扭矩的效果。刚轮的齿数略大于柔轮的齿数,这种少齿差啮合的设计使得谐波减速器能够在较小的体积和重量下实现大的传动比。

  在于其紧凑的设计、高减速比、高传动精度,但其承载能力和使用寿命相比RV减速器较低。另外,谐波减速器的成本相对精密行星减速器高,但低于 RV 减速器。

  谐波减速器在人形机器人领域的应用预计将持续增长,特别是在轻负载和高精密要求的应用中。同时,谐波减速器在齿形设计、材料选择、加工精度等方面都有所进步,随着技术的不断进步和成本的降低,谐波减速器有望在更广泛的机器人应用中替代传统的减速器。

  国内厂商如绿的谐波已经开发出了具有自主知识产权的齿形设计,并在某些性能参数上达到或超过了国际先进水平。此外,国产谐波减速器在成本控制方面具有显著优势,这使得国产产品在市场上的竞争力不断增强。

  在智能制造的浪潮中,精密减速器宛若一颗璀璨的明珠,其光芒照亮了工业自动化的未来,特别是在人形机器人等前沿科技领域,精密减速器的技术进步将为机器人的灵活性和精确性提供更为坚实的保障。

  未来,精密减速器行业将呈现出技术创新和产业升级的双重趋势。技术创新将成为行业发展的重要驱动力,企业需要加大研发投入,提升产品性能和精度,以满足市场对高精度、高稳定性产品的需求。产业升级则意味着精密减速器将向着更加智能化、集成化的方向发展,通过与电子、计算机、自动控制等技术的有机结合,实现机电一体化,提高整体机械系统的效率和性能。

  同时,随着全球制造业的自动化水平不断提升,精密减速器的市场需求将持续增长。特别是在中国,随着劳动力成本的上升和制造业的转型升级,国产精密减速器正逐步打破国际品牌的市场垄断,展现出巨大的市场潜力和替代空间。国内企业如绿的谐波、双环传动等,正通过技术突破和产品创新,逐渐在国际市场上占据一席之地。


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