諧波減速器在機器人關節中的作用與工作原理

諧波減速器主要由波發生器、柔輪和剛輪三部分構成。工作時，波發生器上的橢圓形凸輪裝入柔輪內部，通過滾珠軸承驅動使柔輪產生可控的周期性彈性變形，與外部的剛輪齒面嚙合，實現高減速比的運動和動力傳遞。下圖示意了波發生器旋轉時諧波減速器各部分的相對運動：每旋轉180°，柔輪相對于剛輪移動一個齒差（柔輪齒數通常比剛輪少2齒），且有30%以上的齒數同時參與嚙合，以保證高扭矩輸出和高傳動比。

圖：諧波減速器工作示意圖（波發生器帶動柔輪在剛輪內產生彈性變形并嚙合，示意各關鍵部件協同工作）。

• 高精度 ：諧波減速器回程間隙極小（接近零背隙），能實現亞角秒級定位精度，確保機器人關節運動的重復定位精度。
• 緊湊輕量 ：諧波減速器結構非常緊湊，柔輪薄壁杯體質量輕，可在有限空間內集成高減速比，減輕機器人手臂負載，提高靈活性。
• 高扭矩密度 ：得益于柔性齒輪設計和先進材料，諧波減速器能在小體積內傳遞 較大輸出扭矩 。例如，哈默納科采用優化柔輪結構，實現了高扭矩容量，非常適合重載場景。
• 高效率與可靠 ：諧波傳動能量損失較小，運行平穩可靠，長期使用壽命長，維護需求低。其無背隙特性也避免了低負載場合的反向滯后，提高控制精度和效率。

因此，諧波減速器廣泛應用于機器人各關節，尤其在小臂、腕部等需要高精度、高速比傳動的場景中表現優秀。各類多關節機器人（如工業臂、人形機器人）多采用諧波減速器作為旋轉執行器的重要組成，為機器人提供精確、緊湊、高效率的動力傳遞。

設計制造與應用挑戰

諧波減速器雖優勢突出，但由于結構特殊，其設計與制造存在以下 技術挑戰 ：

• 加工精度要求高 ：柔輪齒廓采用極精細設計（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雜，是制約產品性能的關鍵壁壘。
• 使用壽命受限 ：柔輪在運行中反復高速彈性變形，會產生材料疲勞和累積塑性，應力集中易導致壽命限制。盡管設計上會降低應力，但長周期高載荷下柔輪仍有壽命邊界，需要改進材料和潤滑技術來延長壽命。
• 傳動誤差與背隙 ：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產生 角傳動誤差 。高精度應用對其要求極高，需要改進齒形設計和加工工藝以降低誤差。
• 承載與沖擊能力 ：傳統諧波減速器承載能力相對有限，對沖擊和過載敏感。過大的沖擊力會損壞柔輪或軸承，要求新增結構（如雙列滾子軸承支撐）來增強剛性和抗沖擊性能。
• 成本與批產難度 ：微米級加工精度帶來高成本，制造設備和檢測設備主要依賴進口。此外，精密齒輪批量化生產技術復雜，使得降低成本、擴大生產規模成為挑戰。

綜上，諧波減速器的 制造屬于系統工程 ，需要在設計、材料、設備、工藝、裝配等多方面攻關。目前國內外企業都在針對柔輪材料、齒形精度、熱處理工藝等方面持續改進，以突破技術瓶頸。

創新發展趨勢

• 新型齒形與結構 ：國內外均在探索改進齒形設計和波發生器結構。綠的諧波提出了基于曲面幾何映射的P型齒設計，與哈默納科傳統IH齒形技術路線不同。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替代傳統二次諧波，使柔輪變形更加均衡，提高系統剛性和抑振效果。在結構方面，南通振康等企業申請了雙列十字滾子軸承支撐的高剛度諧波減速機專利，通過并聯滾子軸承和超薄柔輪設計顯著提升了抗沖擊能力和傳遞扭矩。
• 機電一體化集成 ：機器人關節正向一體化執行器方向發展，將驅動器、電機、減速器及傳感器等集成到緊湊模塊中。例如，中大力德等企業提出“減速器+電機+驅動”一體化方案，提高關節動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、力/扭矩傳感器協同設計，實現產品結構優化和性能提升。
• 微型化與高扭矩平衡 ：隨著輕量化需求增強，諧波減速器向更小尺寸和更大扭矩密度發展。一方面采用先進合金或復合材料減輕質量；另一方面通過多級設計或雙柔輪結構等技術途徑提升扭矩輸出。同時，薄壁柔輪結構和優化的鋼材處理工藝，可在保證強度的前提下降低重量。在小型關節（如人形機器人手腕）領域，對小型化與高扭矩輸出的平衡尤為關鍵。
• 高可靠與低噪音設計 ：為提高可靠性和降低噪聲，廠商優化潤滑系統、精度控制和齒面接觸設計。哈默納科研發了S型齒面設計，優化齒面接觸連續性，減小接觸應力集中。國內企業也不斷改進齒輪嚙合精度和軸承布局，以減少振動噪聲。同時，通過提高潤滑品質和密封性能，降低溫升與磨損，提高長期運行穩定性。

代表企業與研究進展

• 哈默納科 (Harmonic Drive AG，德國/日本) ：全球諧波減速器的 先驅和領導者 ，擁有50余年技術沉淀。其產品涵蓋多種結構（杯型、帽型、平板型等），精度和可靠性業界領先。2021年全球市場占有率超過80%，產品廣泛應用于工業機器人、航天航空等領域。哈默納科持續推出高性能一體化模塊（集成電機和傳感器）以拓展下游應用。
• 日本新寶 (Nabtesco，日本) ：作為精密傳動巨頭，Nabtesco以高剛度RV減速器見長，同時也生產諧波系列，用于機器人大型關節。其技術特點是強度高、適合高負載場景。近年來，新寶與哈默納科并列占據中國市場，目前兩者合計在華市占率已降至約45%。
• 蘇州綠的諧波 (Leader Harmonious Drive) ：國內諧波減速器龍頭企業，核心團隊深耕諧波傳動領域20余年。綠的諧波自主研發了P型齒與三次諧波技術，其Y、N系列產品的精度和壽命已達國內領先。產品覆蓋標準杯型、帽型、高扭矩型、短筒型等多種規格，部分輕量型和平板型產品國內首創。盡管部分性能已接近國外同類產品，但在產能規模、專利和應用領域拓展方面與國際大廠仍有差距。
• 浙江來福諧波 ：創業于2013年，憑借規?；a和工藝優化迅速發展。來福諧波以高性價比著稱，通過大批量生產壓低成本，現已成為國內減速器行業規模領先、性價比最高的企業。公司產品從雷達天線、航空航天拓展到機器人領域，具備完整的柔輪杯型產品線，并積極參與國內外合作。
• 南通振康機械 ：專注于高剛度諧波減速機研發。其獲批的雙剛輪諧波減速機和高剛度諧波減速機專利通過增加軸承支撐和強化剛輪設計，顯著提升抗沖擊能力和扭矩承載。這些技術創新為諧波減速器在高負載、高沖擊場景（如汽車設備、重型機械）中的應用提供了新思路。
• 其他機構與廠商 ：國內還有北京諧波傳動技術研究院、中技克美等機構在基礎研究和小眾產品（如平板型）方面有所突破；高校和研究機構也在柔輪仿真、材料改進等領域進行探索。國外還有德國Aurora、美國Alpha等企業和研究實驗室持續創新。

市場發展趨勢

隨著機器人產業特別是人形機器人快速發展，諧波減速器市場需求呈現爆發式增長：

• 需求量大幅提升 ：諧波減速器在機器人關節中是匹配電機與執行機構的核心組件。研究測算，2020年中國諧波減速器銷量約63萬臺，預計到2025年將增至188萬臺，年均復合增長率約25%，對應規模約47億元。每臺人形機器人約需14個諧波減速器，以特斯拉Optimus為例，減速器在整機成本中占比高達15%–20%，可見市場潛力巨大。
• 國產替代加速 ：國內政策和產業升級推動國產減速器替代。雖然海外龍頭占據高額市場份額，但國產品牌不斷追趕。2023年，哈默納科和新寶在華市占率下降到約45%，綠的諧波、來福諧波等國產企業銷量和份額持續提升。中郵證券報告預測，中國諧波減速器市場規模將突破30億元，國產廠商市場份額顯著增長。隨著本體企業對國產化的重視，未來國產替代趨勢明確。
• 競爭格局 ：當前，日系和歐美廠商憑借技術壁壘仍占據高端市場，而國內廠商則通過價格和服務占領中低端市場。國內企業普遍采用差異化策略，例如以高性價比搶占市場（來福諧波）、以技術創新提升單品優勢（綠的諧波）、以專利護城河擴展市場（南通振康）等。未來，隨著國產品牌規模擴張和技術提升，市場競爭將更加激烈。
• 未來預測 ：預計人形機器人等新應用的大規模落地將成為諧波減速器需求的 長期驅動因素 。同時，全球機器人自動化升級和國內產業政策支持也將帶來增量需求。減速器向高精度、長壽命、低成本方向發展，專業化廠商和整機一體化方案將共存?？傮w而言，國產品牌通過研發投入和產能擴張有望繼續縮小與國際巨頭的差距，行業有望孕育出新的龍頭企業。

參考資料： 各項數據與結論主要參考行業研究報告和企業公開資料等。