机器人关键部件——谐波齿轮的原理

谐波驱动的发明者 C.W.马瑟

谐波驱动是美国发明家马瑟基于崭新的构思和独树一帜的理论发明创造的。

马瑟是一位天才发明家，他跨越了所学的机械工程学领域，在物理、化学、生物等广泛领域，获得了1500多项专利。

迄今为止，传达动力的齿轮装置，为了达到“高速度、高精密”这一至上目标，使齿轮的刚度不断得到提高。

对此，马瑟的谐波驱动理论即应用金属的挠性和弹性力学，推翻了传统常识的动力传达方式跃然赢得举世瞩目。

应用金属弹性力学的谐波驱动

应用金属弹性力学的谐波驱动仅由三个基本零部件（波发生器、柔轮和刚轮）构成（因形状不同，有的是由四种基本元件构成的，但传动原理不变）。产生这一高精度传动的谐波驱动独树一帜的机制原理可从其啮合中窥见一斑。

波发生器

椭圆形凸轮外周嵌有薄壁滚珠轴承的部分。轴承内轮固定在凸轮上，外轮通过滚珠实现弹性变形。通常安装在输入轴上。

柔轮

具有薄壁杯型的金属弹性体部件。开口部外周刻有齿轮。柔轮底部（杯状物的底部）称为膜片，通常安装在输出轴上。

刚轮

刚体环状部件。内周刻有齿轮，比柔轮多两个轮齿。通常固定在外壳上。

工作原理

波发生器使柔轮产生弹性变形而呈椭圆状。为此，椭圆的长轴部分与刚轮完全啮合，而短轴部分两轮轮齿处于完全脱开状态。

使刚轮固定，波发生器顺时针旋转，柔轮产生弹性变形，与刚轮轮齿啮合的部位顺次移动。

波发生器顺时针旋转180度，柔轮逆时针移动一个轮齿。

波发生器旋转一周（360度），由于柔轮的齿数比刚轮少两个，因此逆时针移动两个轮齿。通常将该运动传递作为输出。

谐波驱动的特长

1. 减速比高
2. 单级同轴可获得1/30～1/320的高减速比。结构、构造简单，却能实现高减速比装置。
3. 齿隙小（空转）
4. 谐波驱动不同于普通的齿轮啮合，齿隙极小，该特长对于控制器领域而言是不可缺少的要素。
5. 精度高
6. 多齿同时啮合，并且有两个180度对称的齿轮啮合，因此齿轮齿距误差和累积齿距误差对旋转精度的影响较为平均，使位置精度和旋转精度达到极高的水准。
7. 零部件少，安装简便
8. 三个基本零部件实现高减速比，而且它们都在同轴上，所以套件安装简便，造型简捷。
9. 体积小、重量轻
10. 与以往的齿轮装置相比，体积为1/3，重量为1/2，却能获得相同的转矩容量和减速比，实现小型轻量化。
11. 转矩容量高
12. 柔轮材料使用疲劳强度大的特殊钢。与普通的传动装置不同，同时啮合的齿数占总齿数的约30%，而且是面接触，因此使得每个齿轮所承受的压力变小，可获得很高的转矩容量。
13. 效率高
14. 轮齿啮合部位滑动甚小，减少了摩擦产生的动力损失，因此在获得高减速比的同时，得以维持高效率，并实现驱动马达的小型化。
15. 噪音小
16. 轮齿啮合周速低，传递运动力量平衡，因此运转安静，且振动极小。