一、案例背景

人形機(jī)器人是人工智能與機(jī)電一體化技術(shù)的結(jié)合體，其關(guān)節(jié)需要高精度、輕量化且響應(yīng)迅速的傳動(dòng)裝置。某機(jī)器人公司在開發(fā)新一代人形機(jī)器人時(shí)，面臨傳統(tǒng)行星減速機(jī)體積大、重量高、背隙明顯等問題，導(dǎo)致關(guān)節(jié)動(dòng)作不夠靈活。通過采用諧波減速機(jī)作為核心關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)部件，顯著提升了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能和動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。

二、諧波減速機(jī)的應(yīng)用原理

諧波減速機(jī)（Harmonic Drive）基于彈性變形傳動(dòng)原理，主要由波發(fā)生器、柔性輪（Flex Spline）和剛性輪（Circular Spline）三部分組成：

波發(fā)生器：安裝在輸入軸上，通常為橢圓形凸輪或滾珠軸承結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)時(shí)迫使柔性輪發(fā)生彈性變形。

柔性輪：薄壁杯狀金屬彈性體，外齒數(shù)與剛性輪相差2齒（如剛性輪100齒，柔性輪98齒），在波發(fā)生器作用下周期性變形。

剛性輪：固定外齒圈，與柔性輪嚙合，通過齒差實(shí)現(xiàn)減速（減速比通常50:1至160:1）。

動(dòng)力輸出：柔性輪的彈性變形使其齒與剛性輪齒逐步嚙合，每轉(zhuǎn)一圈僅移動(dòng)2齒，從而實(shí)現(xiàn)高減速比輸出，直接驅(qū)動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)。

在人形機(jī)器人中，諧波減速機(jī)通常集成于關(guān)節(jié)模組，配合無框伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)精密運(yùn)動(dòng)控制（如膝關(guān)節(jié)的±90°高精度擺動(dòng)）。

三、諧波減速機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢

零背隙與超高精度

柔性輪與剛性輪的全程嚙合特性消除了傳統(tǒng)齒輪的齒隙，傳動(dòng)背隙可控制在≤1弧分（0.016°），重復(fù)定位精度達(dá)±5秒。例如，該機(jī)器人的手指關(guān)節(jié)可實(shí)現(xiàn)0.01mm級微調(diào)，精準(zhǔn)抓取易碎物品。

輕量化與高功率密度

諧波減速機(jī)重量僅為同級行星減速機(jī)的1/3（如HDI-14型號僅重0.23kg），卻可輸出15Nm扭矩，功率密度超200Nm/kg。機(jī)器人的髖關(guān)節(jié)模組因此減重40%，整體續(xù)航提升20%。

緊湊結(jié)構(gòu)與高集成性

超薄中空設(shè)計(jì)（最小軸向長度20mm）允許電機(jī)與減速機(jī)直連，節(jié)省空間。案例中機(jī)器人肩關(guān)節(jié)采用諧波減速機(jī)后，關(guān)節(jié)直徑縮小至50mm，滿足仿生外觀需求。

高動(dòng)態(tài)響應(yīng)與低慣性

彈性傳動(dòng)部件降低了系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，響應(yīng)速度比行星減速機(jī)快50%。機(jī)器人快速奔跑時(shí)（步頻2Hz），膝關(guān)節(jié)仍能實(shí)現(xiàn)毫秒級扭矩調(diào)整。

長壽命與免維護(hù)

采用特殊合金鋼柔性輪和終身潤滑設(shè)計(jì)，諧波減速機(jī)在機(jī)器人日均10萬次動(dòng)作的工況下壽命超1萬小時(shí)，無需中途維護(hù)。

四、經(jīng)濟(jì)效益對比

該機(jī)器人量產(chǎn)成本因諧波減速機(jī)的高集成性降低15%，且關(guān)節(jié)模塊標(biāo)準(zhǔn)化后故障率下降60%。相較于使用精密行星減速機(jī)的競品，其運(yùn)動(dòng)流暢度獲得市場廣泛認(rèn)可，溢價(jià)能力提升30%。

五、結(jié)論

諧波減速機(jī)以零背隙、輕量化等特性成為人形機(jī)器人關(guān)節(jié)的比較理想的解決方式。隨著人機(jī)協(xié)作、醫(yī)療機(jī)器人等領(lǐng)域的精細(xì)化需求增長，諧波減速機(jī)將繼續(xù)推動(dòng)高性能機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。