减速机如何运用在机器人关节当中？

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一、减速机在机器人关节中的核心作用

机器人关节需要完成旋转、摆动、抓取等动作，而这些动作的实现离不开两个关键部件的配合：伺服电机（提供动力）和减速机（调整动力输出）。伺服电机本身转速快（可达每分钟数千转），但输出的扭矩（即“力量”）较小，而机器人关节通常需要低速、大力且精准的动作。减速机的作用就像汽车的变速箱——通过齿轮结构将电机的高转速转化为关节需要的低速高扭矩，同时提升控制精度和运动稳定性。

通过如1:100的高精度的减速比的减速机的介入，原本的6000转/分钟的高转速的电机，就能将其高的转速“降”为仅60转/分钟的低转速的电机，同时将其原始的几百的扭矩也“放”大到了原来的100倍以上的巨大的扭矩的输出上。通过对其精心的调优不仅能使机器人的动作更加平稳，且能充分地降低了因电机的频繁的启停所带来的能量的浪费。通过对齿轮的精心调配不仅能有效地提高了减速机的传动效率的同时还能通过减少齿轮的间隙（即传动中的“空转”）从而大大提高了定位的精度。例如，某些国产RV减速器的重复定位精度可达5弧秒以下，相当于将圆周分成259万等分时的误差不超过1份。

二、机器人关节常用的减速机类型及特点

机器人关节中常见的减速机主要有三类，分别适用于不同场景：

1. 谐波减速器——轻量化与高精度的代表

工作原理：通过柔性齿轮（柔轮）与刚性齿轮（刚轮）的弹性变形实现传动，结构紧凑，传动比大（通常50:1到160:1）。

优势：体积小、重量轻、零背隙（无空转），适合协作机器人、机械臂末端等对灵活性要求高的部位。例如，智芯精密开发的谐波减速模组将电机与减速器整合后，重量比传统方案降低30%。

应用案例：航天机械臂采用谐波减速器，其碳纤维柔轮材料能承受太空极端环境，误差控制在纳米级别。

2. RV减速器——重载关节的首选

工作原理：在行星齿轮基础上增加摆线针轮结构，传动比更大（通常100:1以上），可承受高负载。

通过其刚性强、耐冲击的优点，使其得以广泛的应用于机器人底座、大臂等承重的关节中。如RV减速器的应用就能为工业的焊接机器人带来极大的便利，如其可支撑数百公斤的巨大的负荷而不变形。

随着国产的RV减速器的逐步成熟，如南通振康等企业研发的RV减速器的精度已能达到千分之一的毫米级，2021年其在轴系的销量就增长了超70%，也逐步地打破了日本的垄断地位。

3. 行星减速器——经济性与可靠性的平衡

工作原理：通过多个行星轮围绕太阳轮转动，分散受力，提高传动效率。

其主要的优势在于成本相对较低，且可长期使用且对机器人腕部等需要频繁的扭转的部位具有极大的适用性。通过对主轴的精心的优化设计，对纽格尔行星减速机的腕关节的受力都能大幅的降低从而大幅的延长了其在复杂的工作条件下的使用寿命。

4. 新兴技术——章动减速器的潜力

特点：采用圆锥齿轮的章动运动（类似陀螺旋转），传动效率更高且噪音更小，有望替代传统减速器。国内已有企业将其用于半导体设备的精密传动。

三、减速机与机器人关节的集成设计

现代机器人关节普遍采用“电机+减速机+传感器”的一体化设计，例如：

通过将中空的减速机的中间留出空心的通道不仅便于电线、气管的穿过，而且也避免了外部的缠绕对其的不良影响。其对医疗机器人的手术器械的灵活操控尤为至关重要。

通过精心的算法对减速器与伺服电机的高效协同控制，实现了智能的自动化调速，有效地提高了系统的整体性能和灵活性。通过对实时的扭矩变化的监测对电流的即时的自动的调节，从而有效的防止了机械臂因负载的突然的突变而引起的抖动等问题的产生。

通过将减速器、电机、编码器等的集成为标准的可互换的模块，对用户来说就可以根据自己的需求快速地将这些模块组装起来不同的功能的关节单元，从而大大地提高了机器人手臂的灵活性和可扩展性。

四、技术挑战与发展趋势

尽管减速机技术已日渐成熟，但仍面临以下挑战：

但高精的齿轮制造又不能不求高的耐磨寿命，国产的高精的特殊钢材的热处理工艺还不能完全赶上国外的先进的工艺，使得国产的高精的齿轮的耐磨寿命都还不能完全满足现代的工业的需求。

随着国产化的不断推进，进口的谐波减速器的单价也逐渐下降了40%然而，在高端的市场上我们仍然不得不对其依赖进口。

微型化需求：人形机器人需要更小的关节减速器，例如特斯拉Optimus的指关节减速器直径已缩小至30毫米以下。

未来发展方向包括：

通过对碳纤维的巧妙应用如碳纤维的柔轮等，配上新型的陶瓷轴承的应用等，既可进一步降低机器的重量，又可大大地提高了机器的耐用性。

通过对齿轮的机器学习优化的设计中将其复杂的齿轮啮合的过程通过算法的模拟 finally使得我们能更好的开发出更高的效的齿形的结构。

借助了半导体的先进制造工艺如光刻的精准技术，将齿轮的量产也推向了高精度的时代。

五、总结

减速机是机器人关节的“力量调节器”和“动作校准器”，其性能直接决定了机器人的灵活性、精度与可靠性。从工业机械臂到人形机器人，不同类型减速器的组合应用正在推动机器人技术的边界。随着国产技术的突破与新兴材料的应用，未来机器人关节将朝着更轻、更强、更智能的方向持续进化。

国阜减速机/著