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商城公告

達闥機器人減速器方案

發布時間 : 2024-02-21 11:55 | 瀏覽次數 : 238

特斯拉第二代人形機器人Optimus Gen2于2023 年12月發布，視頻展示中Optimus Gen 2變化上擁有具備2自由度的可主動控制脖子，使用了更快、具備11個自由度的新靈巧手，特斯拉人形機器人預計總共40個自由度關節。優必選人形采用41個自由度關節，傅里葉智能采用54個自由度，靈活性更高。工業領域最常見的多關節機器人通常使用3-6個減速機，而人形機器人的關節使用量隨著肢體數量和復雜度的提高而提高，為減速器的行業帶來較大的市場增量。今天，筆者就來和大家一起來學習研究人形機器人所用的精密減速器分類和市場空間情況。

一、精密減速器介紹

1.1、減速器原理

減速器定義機器人的“自由度”。減速器相當于機器人的“關節”，用于降低轉速、增加扭矩，從而讓機器人平滑、精確地完成動作。通常來說，減速器數量越多，關節越多，機器人的行動越靈活。

圖|減速器原理

來源：IOT 大數據

1.2、減速器分類

減速器是連接動力源和執行機構的中間機構，具有匹配轉速和傳遞轉矩的作用。按照控制精度劃分，減速器可分為一般傳動減速器和精密減速器。一般傳動減速器控制精度低，可滿足機械設備基本的動力傳動需求。精密減速器回程間隙小、精度較高、使用壽命長，更加可靠穩定，應用于機器人、數控機床等高端領域。精密減速器種類較多，包括諧波減速器、RV 減速器、擺線針輪行星減速器、精密行星減速器等。

1.3、諧波減速器

諧波減速器是一種靠波發生器使柔輪產生可控的彈性變形波，通過其與剛輪的相互作用，實現運動和動力傳遞的傳動裝置。諧波減速器主要由帶有內齒圈的剛性齒輪（剛輪）、帶有外齒圈的柔性齒輪（柔輪）、波發生器三個基本構件組成。單臺價值量可達1000-1500元/臺。

圖|諧波減速器實物圖

來源：與非研究院

圖|諧波減速器拆解示意圖

來源：與非研究院

其工作原理通常采用波發生器主動、剛輪固定、柔輪輸出形式，當波發生器裝入柔輪內圓時，迫使柔輪產生彈性變形而呈橢圓狀，使其長軸處柔輪齒輪插入剛輪的輪齒槽內，成為完全嚙合狀態；而其短軸處兩輪輪齒完全不接觸，處于脫開狀態，當波發生器連續轉動時，迫使柔輪不斷產生變形并產生了錯齒運動，從而實現波發生器與柔輪的運動傳遞。

圖|諧波減速器運行示意圖

來源：綠的諧波招股書

1.4、RV減速器

RV減速器又稱高精密擺線行星減速器，由一個行星齒輪減速機的前級和一個擺線針輪減速機的后級組成。此減器機具有高精度、大速比、高剛性、高過負載及長壽命特點，且具有振動小，噪音低，能耗低等優點，是最常用的減速機之一。單臺價值量可達 5000-8000 元/臺。

圖|RV減速器示意圖

來源：與非研究院

1.5、行星減速器

行星減速器中均勻分布在四周的圓柱齒輪在內齒輪和外齒輪之間圍繞一個同心圓做運動，圓柱、齒輪的循環運動類似于太陽系中的行星運行軌跡。因此，行星齒輪減速機也叫行星減速機。行星減速機主要用于傳遞必要的力矩，齒輪數量越多，其齒輪的負載面越大，承載能力越強。齒輪結構，成本相對較低，單價在200-400元/臺。

圖|行星減速器示意圖

來源：信達證券

1.6、三種減速器對比

根據高工機器人數據，工業機器人中諧波減速器和RV減速器的使用量約為35%：65%，人形機器人因形態類人相比工業機器人，預計會使用諧波減速機+RV減速器，帶來產業鏈較大增量空間。

諧波減速器具有單級傳動比大、體積小、質量小、運動精度高并能在密閉空間和介質輻射的工況下正常工作的優點，并且與一般減速器比較，在輸出力矩相同時，諧波減速器的體積更小，重量更輕，這使其在機器人小臂、腕部、手部等部件具有較強優勢。

RV 減速器傳動比范圍大、精度較為穩定、疲勞強度較高，并具有更高的剛性和扭矩承載能力，在機器人大臂、機座等重負載部位擁有優勢。

行星減速機以其體積小、傳動效率高、減速范圍廣、精度高等諸多優點，而被廣泛應用于伺服、步進、直流等傳動系統中。

圖|不同減速器對比

來源：華創證券研究所

據 MIR 睿工業，2021 年我國減速器整體市場規模達到 101 萬臺，實現同比 46.9％的高速增長。其中，諧波減速器 47 萬臺，同比增長 61.3%；RV 減速器 55 萬臺，同比增長 36.6％。據預測，減速器行業仍會保持 15% 以上的穩定增長趨勢，到 2024 年，我國減速器整體市場規模將達到 168 萬臺；其中，諧波減速器 79 萬臺，RV 減速器 89 萬臺。

二、人形機器人公司主要用減速裝置

2.1、特斯拉人形減速器方案

圖|特斯拉減速器方案

來源：AI day

根據特斯拉 AI Day 發布會展示的解決方案，旋轉執行模組主要分為了三種，分別是 20Nm/0.55kg、110Nm/1.62kg、180Nm/2.26kg。

特斯拉公布的旋轉執行器由永磁無刷電機+諧波減速器+雙編碼器+力矩傳感器+軸承+機械離合組成；旋轉過程如下：1）電機帶動轉子運動；2）其動力通過諧波減速器提升扭矩，降低轉速；3）諧波減速器通過交叉滾子軸承傳遞相應的力；4）無接觸力矩傳感器負責測量輸出扭矩并反饋；輸入/輸出位置傳感器負責測量位置和速度并反饋。

旋轉執行模組主要由手臂、腿部、軀干和脖子構成，覆蓋肩、肘、髖、腰關節；每一個旋轉執行模組對應所需要一個諧波減速器。單人形機器人需要旋轉執行模組16個，對應所需要16個諧波減速器。

2.2、達闥機器人減速器方案

達闥人形機器人Cloud Ginger 1.0還未采用人形腿部結構，但是已經采用了34個智能柔性關節遍布頸、肩、肘、腕、手、腰、膝、底盤等部位，實現能歌善舞、智能抓取、自主行走、自動避障、自動平衡。

圖|達闥機器人關節

來源：達闥官網

SCA（Smart Compliant Actuator）智能柔性執行器2.0，是達闥自主研發的第二代高集成化、高性能的智能柔性關節。SCA2.0集成新型伺服電機、底層伺服驅動、高精度編碼器、高精度減速器于一體，內置機械抱閘、扭矩傳感器、非晶電機，實現中空走線、精準力控、高防護IP54，支持多種通訊模式。 SCA2.0具備高度集成、總線控制、大扭矩輸出、低成本、體積小及易使用性等特點，是大多數機器人最核心的運動關節執行器。