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一文熟悉人形機器人成本占比最高的零部件:減速器

 阿明哥哥資料區(qū) 2024-05-13 發(fā)布于上海
人形機器人減速器是機器人機械系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件,占機器人成本30%,主要負責在原動機(如電機)和工作機構(gòu)(如機器人的關(guān)節(jié))之間起到匹配轉(zhuǎn)速和傳遞轉(zhuǎn)矩。減速器由多個齒輪組成,通過不同大小齒輪的嚙合傳遞動力,從而降低驅(qū)動設(shè)備的轉(zhuǎn)速并提供更高的扭矩輸出和承載能力。

按照精度劃分,減速器目前主要可分為一般傳動減速器和精密減速器兩大類。其中,一般傳動減速器可進一步劃分為通用減速器和專用減速器,精密減速器則主要包括精密行星減速器、諧波減速器和RV減速器等,具備體積小、精度高、重量輕、穩(wěn)定性強等優(yōu)點。

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一、精密行星減速器

行星減速器的工作原理基于齒輪傳動原理,太陽輪輸入轉(zhuǎn)速與行星輪嚙合,行星輪在自轉(zhuǎn)的同時圍繞中心輪公轉(zhuǎn),最后由行星架將轉(zhuǎn)速和扭矩傳遞到輸出軸上。結(jié)構(gòu)簡單且傳動效率高,多安裝在伺服電機上,用來降低轉(zhuǎn)速,提升扭矩,精確定位,其常被用于機器人中對精度要求低的部分身體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。

三大類精密減速器中,行星減速器開發(fā)時間最早。19世紀80年代德國出現(xiàn)第一個行星齒輪傳導裝置的專利,20世紀20年代,首次量產(chǎn)行星齒輪傳動裝置。我國從20世紀60年代起開始研制應(yīng)用行星減速器,國內(nèi)頭部企業(yè)普遍成立于21世紀初,如科峰智能、中大力德、紐氏達特等。

基本部件構(gòu)成
  • 太陽輪:又稱中心輪,作為輸入端,與驅(qū)動電機相連。
  • 行星輪:圍繞太陽輪轉(zhuǎn)動的齒輪,通過行星架傳遞扭矩。
  • 內(nèi)齒圈:與行星輪嚙合,固定或旋轉(zhuǎn)以傳遞運動。
  • 行星架:支撐行星輪,將轉(zhuǎn)速和扭矩傳遞到輸出軸。

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結(jié)構(gòu)特點
  • 體積重量?。和ㄟ^精密化設(shè)計減小了體積和重量。
  • 精度高:嚴格的制造和裝配工藝控制,提供優(yōu)異的性能指標。
  • 傳動效率高:由于傳動結(jié)構(gòu)的對稱性,單級傳動效率可達97-98%。
  • 承載能力強:多個行星輪分擔載荷,提高減速器的承載能力。
  • 抗沖擊和振動性能好:對稱結(jié)構(gòu)使得慣力平衡,運動平穩(wěn)。
  • 結(jié)構(gòu)簡單:相比諧波和RV減速器,成本較低。

行星減速器劣勢
  • 單級減速比?。鹤钚?,最大一般不超過10,多級減速會增加長度和重量。
  • 維護需求:需要定期維護和保養(yǎng),包括更換潤滑油和維修傳動部件。
  • 制造成本:高精度和高效率的要求可能增加制造成本。

技術(shù)發(fā)展
技術(shù)進步和創(chuàng)新正在推動精密行星減速器向更小型化、輕量化發(fā)展,以適應(yīng)現(xiàn)代制造業(yè)對空間和重量的嚴格要求。同時,提高傳動效率和降低噪音也是研發(fā)的重點方向。

典型企業(yè)

企業(yè)簡介

中大

力德

2006年正式成立,2008年生產(chǎn)出伺服用精密行星減速器,2011年生產(chǎn)出國內(nèi)第一款伺服用斜齒輪高精度行星減速器。國內(nèi)唯一同時提供精密減速器(包括精密行星減速器,RV減速器和諧波減速器)、伺服驅(qū)動、永磁直流電機和交流減速電機的企業(yè),已有“諧波減速器/RV減速器/精密行星減速器+伺服電機+驅(qū)動”的一體化產(chǎn)品。

紐氏

達特

成立于2006年,主營行星齒輪箱,產(chǎn)品性價比高。其產(chǎn)品適配日本安川、松下、三菱、富士、 臺灣東元等廠商的伺服馬達。

科峰

智能

實控人最早于2004年創(chuàng)立湖北行星進行行星減速器研發(fā),2010年正式創(chuàng)立科峰智能,2016年行星減速器投產(chǎn)。專注于行星齒輪箱、諧波齒輪箱、行星滾珠絲杠、機電一體化產(chǎn)品。

豐立

智能

成立于1995年,小模數(shù)齒輪龍頭企業(yè),主要產(chǎn)品包括鋼齒輪、精密減速器及零部件、精密機械件、粉末冶金制品以及氣動工具等產(chǎn)品,生產(chǎn)行星減速器、諧波減速器。

鼎智

科技

國內(nèi)高端微電機隱形冠軍。主營業(yè)務(wù)為醫(yī)療及工業(yè)自動化用線性執(zhí)行器、編碼器、驅(qū)控器 及其組件。公司精密齒輪箱等產(chǎn)品處于國內(nèi)領(lǐng)先地位,可應(yīng)用于人形機器人

二、RV減速器

RV減速器是一種精密的機械傳動裝置,是旋轉(zhuǎn)矢量(Rotary Vector)減速器的簡稱,最早由日本發(fā)明,用于實現(xiàn)高扭矩輸出和高精度的旋轉(zhuǎn)運動,通常適用于機器人基座、大臂、肩部等重負載的位置。

1926年德國的Lorenz Blanc提出針擺行星傳動,后經(jīng)住友引進、擺線磨床的研制成功, 1980年日本帝人精機提出RV傳動理論,1986年RV減速器正式大規(guī)模生產(chǎn)。1960年代針擺傳動引入我國,80年代末我國開始RV理論研究,2010年以后隨著雙環(huán)傳動、中大力德等廠商開始介入起逐步打破海外品牌壟斷。由于RV減速器結(jié)構(gòu)復雜且零部件較多,生產(chǎn)制造過程中約束條件較多,目前國產(chǎn)RV減速器市場份額相對不高,發(fā)展相對較慢。日本納博特斯克是全球最大的RV減速器生產(chǎn)商,國產(chǎn)品牌主要有雙環(huán)傳動、珠海飛馬、中大力德等。

基本原理
RV減速器通常由兩級減速機構(gòu)組成,第一級為正齒輪減速機構(gòu),第二級為差動齒輪減速機構(gòu)。其工作原理涉及正齒輪變速和差動齒輪變速,通過行星輪和太陽輪實現(xiàn)的齒輪變速,以及RV齒輪和針輪之間的嚙合來達到減速效果。
 
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結(jié)構(gòu)特點
  • 傳動比范圍大:RV減速器可以提供較大的傳動比,滿足不同應(yīng)用需求。
  • 壽命長、精度保持穩(wěn)定:由于同時嚙合齒輪數(shù)較多,RV減速器具備高剛性、耐超載的特性,且傳動精度穩(wěn)定。
  • 效率高、傳動平穩(wěn):由于結(jié)構(gòu)的對稱性和設(shè)計的精密性,RV減速器具有較高的傳動效率和良好的振動控制。

RV減速器劣勢
  • 體積較大:為了實現(xiàn)較大的扭矩傳遞能力,RV減速器齒輪的齒數(shù)相對較多且其附加的軸承、潤滑系統(tǒng)和密封件等附屬部件較多,這些導致RV減速器體積較大。
  • 成本較高:RV減速器的制造過程相對復雜,需要高精度的加工工藝和特殊的制造設(shè)備。這使得生產(chǎn)和裝配過程更加復雜和耗時,增加了制造成本。

挑戰(zhàn)與趨勢
RV減速器的設(shè)計和制造涉及復雜的齒輪嚙合原理和動態(tài)力學分析,要求精度保持性、產(chǎn)品一致性高,并且需要與機器人算法緊密結(jié)合。這些技術(shù)要求對制造工藝和材料選擇提出了挑戰(zhàn)。高精度機器人傳動越來越多地采用RV減速器,它在某些應(yīng)用中甚至有逐漸取代諧波減速器的趨勢。

典型企業(yè)

企業(yè)簡介

納博

特斯克

RV減速器龍頭企業(yè),在此領(lǐng)域中已有20年以上的實績。其產(chǎn)品具有高精度、高剛性同時兼?zhèn)湫⌒?、輕量的特點。

住友

住友傳動技術(shù)作為住友重機械工業(yè)(株)的核心業(yè)務(wù)單元,已在全球50個國家設(shè)立250多個辦事機構(gòu),是全球動力傳輸和控制系統(tǒng)的佼佼者。

雙環(huán)

傳動

成立于1980年,專注于齒輪及其組件產(chǎn)品的生產(chǎn)銷售,為國內(nèi)齒輪銷售的龍頭企業(yè)。2013年開始組建高精密減速器團隊,2016年批量上市銷售。雙環(huán)利用齒輪技術(shù)積累持續(xù)開發(fā)拓展RV減速器和諧波減速器,已形成工業(yè)機器人用全系列 RV減速器產(chǎn)品,諧波減速器多個型號產(chǎn)品也已開始批量供貨。

南通

振康

長期專注于焊接送絲裝置、RV減速器等高精度工業(yè)機器人及精密自動化產(chǎn)品。2010年開發(fā)RV減速器,2015年 RV減速器首批生產(chǎn)。

中大

力德

2006年正式成立,2008年生產(chǎn)出伺服用精密行星減速器,2011年生產(chǎn)出國內(nèi)第一款伺服用斜齒輪高精度行星減速器。國內(nèi)唯一同時提供精密減速器(包括精密行星減速器,RV減速器和諧波減速器)、伺服驅(qū)動、永磁直流電機和交流減速電機的企業(yè),已有“諧波減速器/RV減速器/精密行星減速器+伺服電機+驅(qū)動”的一體化產(chǎn)品。

秦川

機床

機床工具企業(yè)。公司著眼高端減速器市場,截至2021年末 RV 減速器產(chǎn)銷量超過3萬臺,占國產(chǎn)RV 減速器20%-25% 份額。截至2023年5月,其關(guān)節(jié)減速器產(chǎn)能6-9萬套,諧波減速器處于加速研發(fā)及試制階段。


三、諧波減速器

諧波減速器是一種高精度的機械傳動裝置,利用特殊的波形發(fā)生器、撓性花鍵(柔輪)和剛性花鍵(剛輪)三個關(guān)鍵部件實現(xiàn)運動和動力的傳遞。這種減速器體積小、重量輕,結(jié)構(gòu)簡單緊湊,以其高減速比、零齒隙、高扭矩密度、準確性和可靠性而著稱,適用于機器人小臂、腕部、手部等部件,這些部位對體積和靈活度有較高要求。

1955年美國發(fā)明家C.W.Musser發(fā)明諧波傳動,1964年日本引入諧波齒輪傳動技術(shù),1970年開始諧波傳動技術(shù)正式商業(yè)化。1961年諧波傳動引入我國,1962年我國第一臺諧波減速器研制成功,2003年以綠的諧波為首的國產(chǎn)諧波減速器企業(yè)開始研發(fā),后逐步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。全球諧波減速器市場目前呈現(xiàn)高度集中狀態(tài),主要由日本的哈默納科占主導地位,國內(nèi)比較典型的企業(yè)是綠的諧波。

工作原理
波形發(fā)生器(橢圓形)作為輸入端連接到電機軸上,通過其橢圓形輪轂和特殊薄壁軸承產(chǎn)生可控的彈性變形波。這些變形波傳遞到柔輪,柔輪與剛輪相互作用,實現(xiàn)減速和增加扭矩的效果。剛輪的齒數(shù)略大于柔輪的齒數(shù),這種少齒差嚙合的設(shè)計使得諧波減速器能夠在較小的體積和重量下實現(xiàn)大的傳動比。

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諧波減速器的優(yōu)勢
在于其緊湊的設(shè)計、高減速比、高傳動精度,但其承載能力和使用壽命相比RV減速器較低。另外,諧波減速器的成本相對精密行星減速器高,但低于 RV 減速器。

發(fā)展展望
諧波減速器在人形機器人領(lǐng)域的應(yīng)用預(yù)計將持續(xù)增長,特別是在輕負載和高精密要求的應(yīng)用中。同時,諧波減速器在齒形設(shè)計、材料選擇、加工精度等方面都有所進步,隨著技術(shù)的不斷進步和成本的降低,諧波減速器有望在更廣泛的機器人應(yīng)用中替代傳統(tǒng)的減速器。

國內(nèi)廠商如綠的諧波已經(jīng)開發(fā)出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的齒形設(shè)計,并在某些性能參數(shù)上達到或超過了國際先進水平。此外,國產(chǎn)諧波減速器在成本控制方面具有顯著優(yōu)勢,這使得國產(chǎn)產(chǎn)品在市場上的競爭力不斷增強。

典型企業(yè)
公司公司介紹
哈默
納科

日本品牌,1970年成立,全球諧波減速器領(lǐng)軍品牌,其諧波減速器具有小型、傳動效率高、精度高的優(yōu)點,在精度、質(zhì)量、尺寸、溫升、扭矩都多個領(lǐng)域產(chǎn)品都處于國際第一梯隊,還提供諧波減速器的伺服執(zhí)行元件及驅(qū)動器的機電一體化產(chǎn)品

日本

新寶

日本電產(chǎn)旗下品牌。成立于2003年,2015年進入中國市場。公司主營包括諧波減速部在內(nèi)的各種類型減速器,國際領(lǐng)先品牌。

綠的

諧波

2011年開始研發(fā),聚焦工業(yè)機器人領(lǐng)域諧波減速器技術(shù)。2012-2019年:公司正式成立,相繼推出系列產(chǎn)品并實現(xiàn)批量化生產(chǎn),在國內(nèi)市場逐步實現(xiàn)進口替代。2020年至今:科創(chuàng)板上市,產(chǎn)能逐步釋放,成長為國產(chǎn)諧波減速器龍頭。

中大

力德

2006年正式成立,2008年生產(chǎn)出伺服用精密行星減速器,2011年生產(chǎn)出國內(nèi)第一款伺服用斜齒輪高精度行星減速器。國內(nèi)唯一同時提供精密減速器(包括精密行星減速器,RV減速器和諧波減速器)、伺服驅(qū)動、永磁直流電機和交流減速電機的企業(yè),已有“諧波減速器/RV減速器/精密行星減速器+伺服電機+驅(qū)動”的一體化產(chǎn)品。

來福

諾波

2014年開始推出諧波減速器,產(chǎn)品定位是替代進口產(chǎn)品。產(chǎn)品在外部尺寸和連接方式上跟進口產(chǎn)品一致

大族

傳動

大族激光子公司,2016年成立工業(yè)機器人工程實驗室。自主研發(fā)300余款諧波減速器,全新升級到高扭矩系列。

豐立

智能

成立于1995年,小模數(shù)齒輪龍頭企業(yè),主要產(chǎn)品包括鋼齒輪、精密減速器及零部件、精密機械件、粉末冶金制品以及氣動工具等產(chǎn)品,于2022年上市并小批量試產(chǎn)諧波減速器產(chǎn)品。

雙環(huán)

傳動

成立于1980年,專注于齒輪及其組件產(chǎn)品的生產(chǎn)銷售,為國內(nèi)齒輪銷售的龍頭企業(yè)。2013年開始組建高精密減速器團隊,2016年批量上市銷售。雙環(huán)利用齒輪技術(shù)積累持續(xù)開發(fā)拓展RV減速器和諧波減速器,已形成工業(yè)機器人用全系列 RV減速器產(chǎn)品,諧波減速器多個型號產(chǎn)品也已開始批量供貨。

中技

克美

成立干1994年,是我國第一個專業(yè)從事諧波傳動減速器技術(shù)設(shè)計的企業(yè),科技部批準的“國家諧波傳動技術(shù)研究推廣中心”和“諧波傳動國家重點工業(yè)性試驗基地”。研制成功具有全球領(lǐng)先水平的固體潤滑諧波傳動減速器,應(yīng)用在我國“神舟號”

昊志

機電

公司是一家專業(yè)從事高精密電主軸及其零配件的研發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)制造、銷售與維修服務(wù)的企業(yè),也從事諧波減速器業(yè)務(wù)。公司主要從事高精密電主軸產(chǎn)品研發(fā),在用于生產(chǎn)減速器的資產(chǎn)上有一定積累。


小結(jié)

在智能制造的浪潮中,精密減速器宛若一顆璀璨的明珠,其光芒照亮了工業(yè)自動化的未來,特別是在人形機器人等前沿科技領(lǐng)域,精密減速器的技術(shù)進步將為機器人的靈活性和精確性提供更為堅實的保障。

三種精密減速器比較
名稱行星減速器RV減速器諧波減速器

產(chǎn)品

圖片

 

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組成主要結(jié)構(gòu)為行星輪、太陽輪、外齒圈主要結(jié)構(gòu)為行星減速器前級、擺線針輪減速器后級主要結(jié)構(gòu)為柔輪、剛輪、波發(fā)生器
技術(shù)特點太陽輪輸入轉(zhuǎn)速與行星輪嚙合,行星輪在自轉(zhuǎn)的同時圍繞中心輪公轉(zhuǎn),最后由行星架將轉(zhuǎn)速和扭矩傳遞到輸出軸上。通過多級減速實現(xiàn)傳動,一般由行星齒輪減速器的前級和擺線針輪減速器的后級組成,組成的零部件較多。通過柔輪的彈性變形傳遞運動,主要由柔輪、剛輪、波發(fā)生器組成。與 RV及其他精密減速器相比 ,諧波減速器使用的材料、體積及重量大幅度下降。
優(yōu)缺點優(yōu)點:扛沖擊性好、剛性好、價格低 壽命長 ;
缺點:精度差、數(shù)比小、較難做到中空結(jié)構(gòu)
優(yōu)點:速比大、精度高
缺點:價格貴、體積大
優(yōu)點:質(zhì)量輕、體積小、遺比大、精 度高:
缺點:價格貴、抗沖擊性差、壽命少
價格區(qū)間?5000-8000元1000-2000元
人形機器人人形機器人精度要求較低的部分身體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)人形機器人基座、大臂、肩部等負載比較重的位置人形機器人小臂、腕部、靈巧手等部件

未來,精密減速器行業(yè)將呈現(xiàn)出技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級的雙重趨勢。技術(shù)創(chuàng)新將成為行業(yè)發(fā)展的重要驅(qū)動力,企業(yè)需要加大研發(fā)投入,提升產(chǎn)品性能和精度,以滿足市場對高精度、高穩(wěn)定性產(chǎn)品的需求。產(chǎn)業(yè)升級則意味著精密減速器將向著更加智能化、集成化的方向發(fā)展,通過與電子、計算機、自動控制等技術(shù)的有機結(jié)合,實現(xiàn)機電一體化,提高整體機械系統(tǒng)的效率和性能。

同時,隨著全球制造業(yè)的自動化水平不斷提升,精密減速器的市場需求將持續(xù)增長。特別是在中國,隨著勞動力成本的上升和制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級,國產(chǎn)精密減速器正逐步打破國際品牌的市場壟斷,展現(xiàn)出巨大的市場潛力和替代空間。國內(nèi)企業(yè)如綠的諧波、雙環(huán)傳動等,正通過技術(shù)突破和產(chǎn)品創(chuàng)新,逐漸在國際市場上占據(jù)一席之地。

參考資料:
1.一種高性能移動機器人一體化關(guān)節(jié)模組設(shè)計;洪健.蔡華祥.王晟
2.減速器專題研究:人形機器人帶來產(chǎn)業(yè)深度變局;中泰證券

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