谐波减速器特点、结构、原理及应用情况如何？

谐波减速器特点：相较于传统齿轮减速装置，谐波减速器结构简单。

谐波减速器由波发生器、柔轮 和刚轮三部分构成。①波发生器：以下图示中的绿色椭圆形部分，中间是凸轮，外圈是滚 珠轴承，其内圈固定在凸轮上，外圈通过滚珠发生弹性形变。②柔轮：图示中的粉红色部 分，使用柔性金属材料制成，外圈有齿。③刚轮：图示中的青色部分，使用刚性材料制成， 内圈有齿。以上三部分可任意固定一个，其余一个主动、一个从动，实现减速或增速；也 可变换成两个输入，一个输出，组成差动传动。

实际使用中，通常固定刚轮，利用电机带动波发生器，柔轮输出转动。波发生器为椭圆 形，将波发生器塞入柔轮，会迫使柔轮变为椭圆形，与波发生器紧密贴合。再将波发生器 和柔轮的整体塞入刚轮，柔轮长轴两端的外齿刚好和刚轮的内齿啮合，而短轴两端的外齿 与刚轮的内齿脱开。波发生器轴承处连接电机，电机带动波发生器一起顺时针转动。转动 过程中，椭圆形的波发生器会迫使柔轮不断变形，柔轮上的齿顺时针依次与刚轮内圈的每 个齿啮合。

谐波减速器原理：核心在于柔轮和刚轮之间的“错齿运动”。一般情况下，柔轮比刚轮 少两个齿，波发生器每顺时针转动一圈，就使得柔轮逆时针错位两个齿，随着电机的不断 转动，这种错位效应连续起来，便表现为柔轮的逆时针转动。假设刚轮总共有 200 个齿，柔 轮共有 198 个齿，电机带动波发生器每转动一圈，柔轮便会旋转 2/200 圈，即 1/100 圈。因 此，电机需要转动 100 圈，柔轮才会转动一圈，减速比为 100。因为柔轮的转速比波发生器 要小很多，以此实现降低电机转速和增大输出扭矩的目的。 通过调节柔轮和刚轮的相对齿数，可获得不同的减速比。假设刚轮总共有 200 个齿，柔 轮总共有 196 个齿，比刚轮少 4 个齿。电机带动波发生器每顺时针转动一圈，柔轮便会逆时 针错位 4 个齿，即逆时针旋转 4/200 圈（1/50 圈）。因此，电机转动 50 圈，柔轮才会转动 一圈，减速比为 50，从而实现了不同的减速效果。

谐波减速器下游应用：主要应用于机器人，此外涉及数控机床、半导体、光伏、医疗设 备等行业。以全球减速机龙头哈默纳科为例，其下游应用中工业机器人占比超过 50%，其余 应用领域相对比较分散，包括半导体制造设备、数控机床、电机制造商等其他行业。

主要下游机器人行业分析：品类众多，可分工业机器人、服务机器人和特种机器人三类。

（1）工业机器人：具有多关节和多自由度，通过编程实现自动运行，并具备一定的视 觉、力觉等感知能力的机器人。常见的工业机器人有多关节机器人、SCARA 平面多关节机器 人、delta 并联机器人、协作机器人、直角坐标机器人等。传统的工业机器人体积较大，较 为危险，一般被限制在特定的工作趋于独立工作，能够代替人类完成各种繁重、乏味或有 害环境下的工作，广泛应用于焊接、机加工、搬运、装配、分拣、喷涂等生产环节。

减速器系工业机器人产业链上游价值占比最高的核心零部件，成本占比约 35%。根据 OFWeek 的数据统计，工业机器人中减速器/伺服系统/控制系统/机器人本体/其他五部分的 价值量占比分别为 35%/20%/15%/15%/15%，其中减速器价值量居首位。

工业机器人中使用的减速器主要可分为 RV 减速器和谐波减速器，二者各有优劣。1）RV 减速器：传动比范围大、精度较为稳定、抗疲劳强度较高，具有更高的刚性和扭矩承载能 力，一般用于机器人大臂、基座等重负载部位，但其重量重、外形尺寸较大，无法向轻便、 灵活的轻负载领域发展，且结构复杂，成本较高。2）谐波减速器：具有单级传动比大、体 积小、质量小、运动精度高的优点，并能在密闭空间和介质辐射的工况下正常工作。与一 般减速器比较，在输出力矩相同时，谐波减速器的体积可减少 2/3，重量可减轻 1/2，这使 其在机器人小臂、腕部、手部等对轻便、灵活要求较高的部件处具有无可替代的优势。

谐波减速器广泛应用于工业机器人的关节处。1）六轴多关节机器人：按照负载大小通 常使用 1-6 个谐波减速器。六轴多关节机器人有 6 个自由度，若负载为 10kg 以下，6 个关 节都使用谐波减速器；若负载为 10kg-30kg，在负载端、手腕转动处、小臂转动处使用谐波 减速器，其余关节因为承重较大使用 RV 减速器；若负载为 30kg 以上，一般仅在负载端使用 谐波减速器，其余关节使用 RV 减速器。2）协作机器人：协作机器人有 6-7 个关节，用于人 机协作生产，负载较轻，一般全部使用谐波减速器。3）SCARA 机器人：一般使用 2-3 个谐 波减速器，其中 Z 轴使用皮带齿轮传动，也可能使用谐波减速器或行星减速器。4）DELTA 机器人：一般使用 3 个谐波减速器。

（2）服务机器人：一种半自主或全自主工作的机器人，能为人类提供保养、修理、运 输、清洗、保安、救援、监护等功能，广泛应用于餐饮、酒店、医疗、养老、物流、消防、 家政等场景。从中长期看，这类机器人有巨大的市场潜力。其中，减速器位于服务机器人 产业链上游，与工业机器人类似是服务机器人的核心零部件之一，广泛用于各种关节转动 处。

除机器人领域外，谐波减速器还广泛运用于数控机床、工厂自动化、光伏设备、医疗器 械、半导体设备、航空航天等其他领域。

（1）数控机床：数控机床动力来源于伺服电机，需要额外附加减速器来增加扭矩，提 高负载端的惯量匹配。因为谐波减速器体积小，精度高，传动效率高，高端数控机床生产 和制造已经逐步开始用谐波减速器替代原有电驱零部件。一般而言，高精度数控回转台和 加工中心的四或五轴需要使用 1-2 台谐波减速器，雕刻机分度回转装置以及义齿加工机等也 需要使用谐波减速器。（2）医疗器械领域：谐波减速器主要用在放疗设备、检测设备、医疗机器人、康复机 器人等设备关节部位。 （3）光伏设备领域：谐波减速器一般用于光伏智能制造设备，以及光伏发电设备中太 阳能跟踪系统中的自动化组件，可调节电池板与太阳的角度，保持太阳光垂直射电池板， 提高光伏组件的发电效率。