Harmonic Drive

又稱: Strain Wave Gear, Harmonic Gearbox, Harmonic Gear, Harmonic Reducer, Strain Wave
類別: Actuation & drivetrain › Transmission
標籤: gears, transmission

常用於機器人關節的高減速比、零背隙齒輪機構。

定義

諧波減速機（Harmonic Drive），通稱為應變波齒輪，利用三個零件在一個緊湊的單段中達到極高的減速比：一個帶內齒的剛性圓形鋼輪、一個外齒略少、稱為柔輪的撓性杯，以及柔輪內部的橢圓形波產生器。波產生器把柔輪撐成橢圓形，讓它的齒在兩個相對的點上與圓形鋼輪嚙合。輸入每轉一整圈，柔輪只前進齒數差的距離，通常是兩齒，因此在單段中就能提供 30:1 到 320:1 的減速比。

由於同時有許多齒嚙合，而且嚙合由撓曲本身預壓，背隙基本上為零，重複精度也非常出色。這樣的組合，就是工業手臂在手腕軸使用諧波減速機的原因，那裡最重視精度，負荷也最輕。

它的代價是實實在在的。柔輪是一個被反覆變形數百萬次的薄鋼杯，因此衝擊負荷與過載會損壞它，而整個組件價格昂貴，安裝也必須十分仔細。高減速比也意味著它實際上無法回驅：關節在斷電時能保持位置，但既無法透過馬達電流感測接觸，也不會在有人推動時退讓。而且零背隙並不等於零順應性：柔輪在扭矩下會彈性扭轉變形，表現為負荷下的位置誤差，而不是自由間隙。

為何重要

諧波減速機是一種應變波減速箱，以緊湊的同軸組件達到極高的減速比，背隙基本上為零。這樣的組合，就是它主宰工業機器人關節與精密定位器的原因：它提供組裝與加工所要求的剛性與重複精度。它的關鍵取捨正好是準直驅的鏡像：龐大的扭矩倍增與精度，代價是實際上無法回驅，而且在衝擊下相對脆弱。

主要應用

需要精度與剛性的工業機器手臂關節
協作機器人關節，搭配扭矩感測以確保安全
精密旋轉平台，以及望遠鏡或天線定位器
質量與背隙至關重要的航太與衛星機構
在負荷下需要高剛性的工具機軸
需要精細、可重複動作的手術機器人

實際應用

幾乎每一支傳統工業手臂的主要關節都使用諧波減速機，這就是為什麼這類手臂在負荷下能剛性地保持位置，並重複到毫米的幾分之一。這也是為什麼在沒有安全系統的情況下靠近它們很危險：高減速比的驅動無法被推開，而且它把接觸力掩蓋在摩擦之後，關節可能察覺不到自己撞到了東西。這個元件經過精密製造、價格昂貴，這在很大程度上解釋了工業手臂為何如此昂貴。

常見誤解

零背隙代表零順應性：諧波減速機在負荷下會扭轉變形，這是彈性變形，而不是背隙
高減速比代表高強度：它們是精密元件，衝擊負荷可能損壞它們
只要力量夠大就能回驅：高減速比讓它們基本上無法回驅，這是一項安全考量
任何高減速比的減速箱都等同：擺線減速機與行星減速機在背隙、剛性與耐衝擊性上各不相同

誰需要了解

指定工業或協作手臂關節規格的工程師
任何想知道工業手臂為何比愛好者手臂貴得多的人
在精度與可回驅性及安全之間權衡的設計者
學習機器人傳動類型的學生
任何在評估機器人能否於緊急情況下用手移動的人

影片

What is Strain Wave Gear a.k.a. Harmonic Drive?: How To Mechatronics
Harmonic Drive® Strain Wave Gear: Functional Principle | The Original: Harmonic Drive SE

維基百科

波動齒輪裝置

Open Source Robotics