一文看懂人形机器人成本占比最高的核心部件：减速器

一文看懂人形机器人成本占比最高的核心部件：减速器

在人形机器人中，减速器是机器人机械系统的核心部件，通常占据整机成本的30%。减速器的主要功能是匹配原动机（如电机）和工作机构（如机器人的关节）之间的转速，并有效传递扭矩。其结构由多个齿轮组成，通过不同大小的齿轮啮合来降低转速并提高输出扭矩。

减速器类型

减速器可根据精度划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又可细分为通用减速器和专用减速器，而精密减速器则包括精密行星减速器、谐波减速器、RV减速器、环面包络蜗轮蜗杆减速器等。

精密行星减速器

在四大类精密减速器中，行星减速器的开发历史最为悠久。早在19世纪80年代，德国便出现了第一个行星齿轮传动装置的专利，标志着这一技术的起步。进入20世纪20年代，行星齿轮传动装置首次实现量产，开启了广泛应用的时代。我国自20世纪60年代起便开始研制和应用行星减速器，经过多年的发展，国内的头部企业如科峰智能、中大力德、纽氏达特等，普遍成立于21世纪初，推动了这一领域的创新与进步。这些企业不仅继承了行星减速器的传统优势，还不断进行技术突破，为行业发展注入新的活力。

工作原理

行星减速器基于齿轮传动原理，其结构包括太阳轮、行星轮、内齿圈和行星架。太阳轮与电机连接，行星轮围绕太阳轮转动，通过行星架传递扭矩。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。

结构特点

• 体积小、重量轻：精密设计与制造工艺相结合，减小了体积和重量。
• 高传动效率：对称结构使单级传动效率可达97-98%。
• 强承载能力：多个行星轮共同分担载荷，提高承载能力。
• 优良抗冲击性：惯性平衡使运动更为平稳。
• 结构简单：相比谐波、RV减速器、环面包络蜗轮蜗杆减速器，成本较低。

劣势

• 单级减速比小，一般在3到10之间。多级减速会增加长度和重量。
• 需要定期维护与保养，包括更换润滑油和维修传动部件。
• 精度相对不如其他类型减速器，高精度要求增加制造成本。

RV减速器

全称旋转矢量（Rotary Vector）减速器，是一种高精密的机械传动装置，最早由日本发明。它的设计旨在实现高扭矩输出和高精度的旋转运动，通常被广泛应用于机器人基座、大臂、肩部等重负载的位置。

RV减速器的历史可以追溯到1926年，当时德国的Lorenz Blanc首次提出了针摆行星传动的概念。此后，这一技术被住友引进并成功应用于摆线磨床的研发中。到了1980年，日本帝人精机进一步提出了RV传动理论，并在1986年实现了RV减速器的正式大规模生产。1960年代，针摆传动技术被引入我国，至80年代末，我国开始对RV理论进行研究。2010年以后，随着双环传动和中大力德等国内厂商的介入，逐渐打破了海外品牌的市场垄断。

尽管RV减速器在多个领域展现出优异的性能，但由于其结构复杂、零部件众多，生产制造过程中面临着较多的约束条件，这使得国产RV减速器的市场份额相对较低，发展速度也相对缓慢。目前，日本纳博特斯克是全球最大的RV减速器生产商，而国产品牌如双环传动、珠海飞马和中大力德等，正在稳步发展，逐步提升在市场中的竞争力。

工作原理

RV减速器通常由两级减速机构构成，其中第一级是正齿轮减速机构，第二级则为差动齿轮减速机构。

其工作原理结合了正齿轮变速与差动齿轮变速两个核心概念。通过行星轮与太阳轮之间的配合，齿轮实现了高效的变速功能，而RV齿轮与针轮之间的精准啮合则进一步增强了减速效果。这种复合的传动机制不仅提升了扭矩输出，还确保了运动的高精度与稳定性。

结构特点

• 传动比范围广泛：RV减速器能够提供多样化的传动比，灵活满足不同应用场景的需求，适应性极强。
• 长寿命与高精度：得益于同时啮合的齿轮数量较多，RV减速器展现出卓越的刚性和耐超载能力，确保其传动精度在长时间使用中保持稳定，延长了设备的整体使用寿命。
• 高效传动与平稳运行：凭借其结构的对称性和精密设计，RV减速器不仅具有较高的传动效率，还能有效控制振动，实现平稳的运行效果。

劣势

• 体积较大：为了实现强大的扭矩传递能力，RV减速器的齿轮数量和附属部件（如轴承、润滑系统和密封件）较多，这使得其整体体积相对较大。
• 制造成本较高：RV减速器的生产过程复杂，需依赖高精度的加工工艺及特殊制造设备。这不仅增加了生产和装配的复杂性，延长了制造周期，还导致了整体制造成本的上升。

谐波减速器

谐波减速器是一种卓越的高精度机械传动装置，依靠特殊的波形发生器、挠性花键（柔轮）和刚性花键（刚轮）三大核心部件，巧妙实现运动与动力的高效传递。其体积小、重量轻，结构简洁而紧凑，因而在高减速比、零齿隙、高扭矩密度、准确性与可靠性方面表现优异。正因如此，谐波减速器广泛应用于机器人小臂、腕部及手部等对体积和灵活度要求极高的领域。

谐波传动的历史可以追溯到1955年，由美国发明家C.W. Musser首次提出。1964年，日本引入了这一先进的谐波齿轮传动技术，并于1970年正式实现商业化。1961年，谐波传动技术进入中国，经过不懈努力，1962年我国成功研制出第一台谐波减速器。2003年，以绿的谐波为首的国产企业开始着手研发，逐步实现了产业化进程。

目前，全球谐波减速器市场呈现高度集中状态，主要由日本的哈默纳科占据主导地位，而绿的谐波则是国内代表性企业之一。这些企业凭借持续的技术创新和市场拓展，为推动谐波减速器的发展和应用贡献了重要力量。

工作原理

谐波减速器的工作原理十分独特而高效。其核心部件之一——波形发生器，呈椭圆形，与电机轴紧密连接。通过其精巧的椭圆形轮毂和特制的薄壁轴承，波形发生器能够产生可控的弹性变形波。这些变形波随后被传递到柔轮，促使柔轮与刚轮之间进行动态相互作用，从而实现减速并有效增加输出扭矩。在这个过程中，刚轮的齿数设计上略大于柔轮的齿数，这一少齿差的啮合设计使得谐波减速器在保持小体积和轻重量的同时，依然能够实现显著的传动比。

结构特点

• 速比大：紧凑设计、高减速比和高传动精度。
• 负载能力：适合轻负载、高精密应用。

劣势

• 承载力弱：相对于RV减速器，其承载能力和使用寿命较低。
• 成本较高：成本较高但低于RV减速器。

环面包络蜗轮蜗杆减速器

微型环面包络蜗轮蜗杆减速器采用蜗杆与环面蜗轮的配合，实现减速和扭矩放大的功能。蜗杆的旋转带动蜗轮，形成高减速比和高扭矩输出。采用环面包络的设计，使得蜗杆与涡轮间形成多齿啮合的状态，极大的提高其承载力和寿命。

环面包络蜗轮蜗杆传动的历史可以追溯到19世纪末的德国和法国。那时，蜗杆传动主要依赖于拟圆线和槽槽的结构，受到加工技术和制造精度的限制，导致传动效率较低，应用范围十分有限。随着机械加工技术的持续进步和材料的不断改进，进入20世纪下半叶，包络环面蜗杆传动逐渐崭露头角，成为一种主要的传动形式。

到了1960年代，德国著名企业法格成功研发出全封闭式包络环面蜗杆传动，推动了这一技术在工业领域的广泛应用。伴随着21世纪机器人的蓬勃发展，环面包络蜗轮蜗杆传动技术迎来了新的机遇。陶氏智能科技脱颖而出，成功攻克了微型环面包络蜗轮蜗杆的加工技术，成为全球唯一一家能够制造微型环面包络蜗轮蜗杆减速器的厂家。其产品的最小尺寸甚至能够达到指关节的大小，充分满足现代高精度和小型化的需求，推动了机器人及自动化设备的发展进程。

工作原理

微型环面包络蜗轮蜗杆传动的工作原理主要依赖于蜗杆与蜗轮之间的特殊啮合机制。蜗杆的螺旋形状与环面蜗轮的凹槽形成独特的接触面，蜗杆的旋转带动蜗轮转动，形成包络效应，有效减少摩擦和磨损，提升传动效率。由于蜗杆的螺距设计较小，蜗轮的转动速度相对较慢，实现减速增扭，适合高扭矩和低速的应用场景。同时，微型化设计使其能够在极小空间内工作，非常适合机器人、精密仪器和自动化设备等现代高科技产品，从而为小型化和高精度应用提供了坚实基础。

结构特点

• 体积小、重量轻：特别适合于空间受限的机器人部件，如手指和小型关节。
• 高扭矩密度：在小体积内提供较大的输出扭矩，适合高负荷应用。
• 简单制造：相对较少的部件使得制造和组装过程更为简单。
• 成本低：相较于RV和谐波，成本大幅下降。
• 精度高：其精度可与RV、谐波减速器相近。
• 噪音低：其噪音分贝≤50dB，比其他类型减速器噪音低很多。
• 寿命长：采用环面包络设计，相较于传统蜗轮蜗杆的单齿啮合设计，寿命高出3-5倍。

劣势

• 效率相对较低：由于蜗杆和蜗轮之间的滑动接触，可能导致能量损耗。
• 90°输出：天然形成直角输出状态，在某些场景中是天然优势；在需要0°输出场景中，需要额外转向。