人形机器人背后的秘密武器：谐波减速器，你真的了解它吗？
一、人形机器人与谐波减速器的紧密结合
人形机器人作为科技领域的前沿探索，近年来发展迅猛。而谐波减速器在人形机器人的发展中扮演着至关重要的角色。
人形机器人的发展旨在实现更加灵活、智能的动作，以更好地适应各种复杂的工作和生活场景。而谐波减速器的出现，为实现这一目标提供了关键的技术支持。
谐波减速器具有体积小、重量轻的特点。对于人形机器人来说，这意味着可以在保持功能性的同时，减小整体体积和重量，使其更加灵活便携。例如，据相关资料显示，万里扬的机器人减速器产品在市场空间巨大，其谐波减速器的紧凑设计为人形机器人的灵活性提供了保障。
同时，谐波减速器能够提供高传动比和扭矩传递。它可以将电机产生的高速低扭矩转化为低速高扭矩，满足人形机器人关节运动的精确控制需求。特别是在模拟人类细致动作的部位，如手臂、手腕和手指等，谐波减速器的这一特性尤为关键。
高精度和平稳性也是谐波减速器的显著优势。人形机器人在执行任务时需要高度的精确性和稳定性，以确保动作的流畅和准确。谐波减速器通过其独特的工作原理，能够提供非常平稳且精确的运动控制。例如，在一些高端人形机器人中，电机常与谐波减速器结合使用，以实现高精度的低速输出，有效减少机械误差，提高机器人的运动控制精度。
综上所述，人形机器人与谐波减速器紧密结合，相辅相成。谐波减速器为人形机器人的发展提供了关键的技术支撑，推动着人形机器人不断向着更加智能、灵活的方向发展。
二、谐波减速器的发展现状
（一）市场空间广阔
随着人形机器人商业化进程加快，谐波减速器企业迎来了广阔的市场空间。参考特斯拉方案，假设 2024 年起人形机器人实现从 0 到 1 的跨越，且谐波减速器价格随着用量的提升呈逐步下降趋势。到 2030 年人形机器人产量有望达到 66 万台，对应谐波减速器市场将由 2024 年的 0.9 亿元增长至 115 亿元。远期当人形机器人的产量进一步提升到千万台级别时，对应谐波减速器的市场规模将达到千亿级。据预测，2030 年全球 500 万台人形机器人对应谐波减速器市场空间将超过 600 亿元。可见，人形机器人的发展为谐波减速器带来了巨大的市场潜力。
（二）国产替代加速
全球减速器行业目前以日系厂商为主。2021 年，谐波减速器龙头日本哈默纳科在全球占据超过 80% 的市场份额。然而，近几年随着国产工业机器人厂家的崛起，谐波减速器国产替代趋势明确。以绿的谐波、来福谐波为代表的国产厂家近年不断实现量产突破，市占率逐渐提高。2023 年，日本企业哈默纳科、日本新宝两家合计在中国市占率已下降到约 45%。国内企业在部分强度指标上已经可以媲美甚至优于哈默纳科，但在部分精度指标上仍有一定差距，另外在产品谱系完整程度以及专利数量上也还有较大的差距。例如，在产品扭矩上，哈默纳科产品峰值扭矩范围为 0.22Nm 到 6175Nm，目前国内仅绿的谐波和福德机器人较为接近；从专利数量上来看，哈默纳科凭借多年的研发投入，相关专利数量遥遥领先，绿的谐波在国内企业中专利数第一。不过，随着国内企业不断加大研发投入，国产替代进程有望进一步加速。
三、谐波减速器的技术特点
（一）结构与原理独特
谐波减速器由波发生器、柔轮和钢轮组成。其工作原理是通过波发生器使柔轮产生弹性变形，实现错齿运动，从而达到低速高扭矩输出。当波发生器装入柔轮内圆时，柔轮会因波发生器的形状而产生弹性变形，变成椭圆形。此时，柔轮的长轴两端的齿与刚轮完全啮合，短轴两端的齿则与刚轮齿完全脱开。当波发生器连续转动时，柔轮的长轴和短轴相位的连续变化，使柔轮的变形在圆周上是连续的简谐波形，从而实现柔轮相对于不动的刚轮沿与波发生器转向相反的方向作低速回转。
（二）多方面优势显著
谐波减速器具有体积小、重量轻的特点。与一般齿轮减速器相比较，输出力矩相同时，它的体积可减小 2/3，重量可减轻 1/2。例如，在人形机器人中，小巧轻便的谐波减速器可以使机器人更加灵活，适应各种复杂的工作环境。
传动比大也是谐波减速器的显著优势之一。单级谐波传动速比范围为 70 - 320，在某些装置中可达到 1000，多级传动速比可达 30000 以上。这使得谐波减速器在需要大减速比的场合表现出色，如工业机器人、数控机床等领域。
此外，谐波减速器还具有传动精度高、结构简单紧凑、安装方便、承载能力高、可向密闭空间传递运动、传动效率高、运动平稳等优势。在齿轮精度等级相同的情况下，传动误差只有普通圆柱齿轮传动的 1/4 左右。同时，由于只有三个基本组成部件，且输入与输出同轴线，所以结构简单紧凑，安装方便。而且，谐波传动中同时啮合的齿数多，承载能力高，双波传动同时啮合的齿数可达总齿数的 30% 以上。柔轮采用高强度材料，齿与齿之间是面接触，进一步提高了承载能力。
谐波减速器的这些优势使其广泛应用于机器人、数控机床、光伏设备、医疗器械、半导体设备、航空航天等多个领域。
（三）技术难点与挑战
在谐波减速器的技术发展中，存在着一些难点与挑战。
首先，柔轮材料方面，柔轮材料多为 40Cr 合金钢，如 40CrMoNiA/40CrA 等，为保证材料纯净度，长期依赖进口。国内材料在性能上与国外仍有一定差距，这影响了柔轮的疲劳性能。
其次，齿形也是一个难点。齿轮齿形影响传动性能，较小的齿高会导致柔轮过早发生疲劳断裂，新进入者较难避开齿形专利限制设计出性能相近的齿形。
再者，工艺方面，热处理工艺需根据材料自主研发，齿轮精密加工仍依赖高价值量进口设备。由于各公司产品材料有一定差异，为保证产品精度，应具备自主研发的热处理工艺。且精加工环节高度依赖进口设备如制齿机、磨床等，单位产能设备投资额超 800 万。
另外，柔性轴承也是一个卡点。轴承材料微合金元素配比和热处理工艺的调整可使轴承更耐冲击，使用寿命更长。但相关产品仅少数日本企业能够生产，且拒绝向国内供货。例如，绿的谐波耗时五年，实现了该轴承的自主可控。
四、谐波减速器在人形机器人中的作用
（一）提升运动性能
人形机器人作为一种高度复杂的智能设备，其运动性能至关重要。谐波减速器在其中发挥着关键作用，能够将高速低扭矩的动力转换为低速高扭矩的输出。这一特性使得人形机器人在不同的工作场景中能够更好地适应各种负载需求。例如，当人形机器人需要进行重物搬运时，谐波减速器可以将电机产生的高速动力转换为适合的低速高扭矩输出，确保机器人能够稳定地完成任务。根据市场调研数据显示，在采用谐波减速器的人形机器人中，其运动性能相较于未采用的机器人有显著提升，能够实现更加精准的动作控制和更高的工作效率。
（二）精确控制关键部位
在人形机器人的小臂、腕部和手部等区域，谐波减速器的应用尤为重要。这些部位通常需要进行精确的动作控制，以完成各种精细的任务。例如，特斯拉在其人形机器人中采用了谐波减速器作为旋转关节的核心组件，在这些关键部位实现了更高的运动控制和精度表现。谐波减速器的高精度特性使得机器人的手部能够准确地抓取和操作各种小尺寸物体，如电子元件等。同时，在小臂和腕部的运动控制中，谐波减速器能够确保动作的平稳性和准确性，提高机器人的工作质量。据统计，采用谐波减速器的人形机器人在这些关键部位的精度控制可以达到毫米级别，大大提高了机器人的应用范围和实用性。
五、谐波减速器的未来趋势
（一）人形机器人量产带动需求
人形机器人的量产化趋势日益明显，这将为谐波减速器带来巨大的市场需求。据相关数据显示，2022 年全球人形机器人的研发投入不断增加，众多科技企业纷纷布局这一领域。预计在未来几年内，人形机器人的产量将呈爆发式增长。
随着人形机器人的量产，对谐波减速器的需求将大幅增加。以特斯拉的 Optimus 为例，全身共计 28 个执行器中旋转执行器占 14 个，每个旋转执行器内均包含谐波减速器。按照这样的配置，单台人形机器人所需的谐波减速器数量可观。根据市场预测，当人形机器人实现大规模量产时，谐波减速器的市场规模将迎来爆发式增长。预计到 2030 年，人形机器人产量有望达到 66 万台，对应谐波减速器市场将由 2024 年的 0.9 亿元增长至 115 亿元。远期当人形机器人的产量进一步提升到千万台级别时，对应谐波减速器的市场规模将达到千亿级。
（二）持续技术创新
国产企业在谐波减速器领域持续发力，不断突破技术瓶颈，提升产品性能。近年来，国内企业如绿的谐波、来福谐波等通过加大研发投入，在齿形设计、材料选择、加工工艺等方面取得了显著进步。
在齿形设计方面，国内企业自主研发了新型齿形，提高了传动精度和承载能力。例如，绿的谐波的 “P 齿形” 设计理论体系，大幅提升了谐波减速器的输出效率和承载扭矩。在材料选择上，国内企业不断探索高性能材料，提高柔轮的疲劳寿命。同时，在加工工艺方面，国内企业通过引进先进的加工设备和自主研发加工技术，提高了产品的精度和稳定性。
随着技术创新的不断推进，国产谐波减速器的性能不断提升，与国际先进水平的差距逐渐缩小。这将进一步提升国内市场份额，推动国产替代进程加速。据统计，2021 年哈默纳科在全球占据超过 80% 的市场份额，但到 2023 年，日本企业哈默纳科、日本新宝两家合计在中国市占率已下降到约 45%。以绿的谐波为代表的国产厂家市占率逐渐提高，未来有望在全球市场上占据更大的份额。
此外，国内企业还在不断拓展应用领域，将谐波减速器应用于更多的高端制造领域，如航空航天、医疗器械、半导体设备等。这将为谐波减速器的发展带来新的机遇和挑战，推动行业持续创新和发展。
