谐波传动齿轮实际上在功能上相当出色,圆内柔性椭圆装置在转动时产生摆动运动,并且在任何给定点上只有约三分之一的两个主齿轮的齿相互接触,但结果是一个非常紧凑和轻便的小型驱动齿轮,能够以绝对精度提供出色的扭矩,并且没有驱动间隙或自由间隙。
最初是由宾夕法尼亚州的C.Walton Musser于1957年构思出来的,C.Walton Musser是一位极富创造力的发明家,拥有从动力转向系统、无后坐力步枪和气动救生衣充气机到喷气式飞机弹射座椅的诸多关键理念的多领域的专利。谐波驱动器于20世纪60年代初首次实现商业化。由三个关键部件组成:
●波发生器:略呈椭圆形的输入轮毂,其外缘周围有滚珠轴承座圈。
●柔轮:一种杯形柔性部件,外周带有齿。插入长方形波发生器后,柔轮会径向变形,但仍保持扭转刚度。
●刚性花键:一种完全刚性的环,带有内部齿,类似于行星齿圈,且比柔轮多两个齿。
当波发生器旋转时,两端的柔性花键齿的约30%会随时与圆形花键齿接触,形成前进的波形。这会导致柔性花键在圆形花键内旋转,但方向与输入方向相反。
该系统的一大优势在于零齿隙——齿轮之间没有间隙,非常适合精密、精细的电机控制。紧凑、轻巧的设计也非常适合空间有限的应用。由于运动部件很少,谐波传动非常可靠且耐用。
目前,谐波传动装置已遍布全球。Fanuc和Universal Robots等工业机器人使用谐波传动装置完成焊接和装配等任务,在这些任务中,可重复的精确运动至关重要。
达芬奇手术机器人专为微创手术而设计,其手臂采用谐波驱动器,可在对人体进行微创手术时实现精细的微运动且零间隙,实现最高精度。
波士顿动力公司的Atlas人形机器人和Spot四足机器人在手臂、腿部等部位使用谐波驱动器,以实现平稳、可控的运动,同时保持强劲动力。
甚至连美国宇航局的火星探测器“好奇号”和“毅力号”也在其机械臂和车轮上配备了谐波传动装置。将探测器送往另一个星球而无需维护或维修,证明了这种设计的可靠性和耐用性。
谐波驱动器是航天飞机标准遥控系统(又名“加拿大臂”)的常见组件,该系统用于哥伦比亚号和挑战者号等航天飞机,以处理有效载荷和部署货物。
这项发明诞生近70年后,以其独特而有目的的“摆动”继续出现在各个领域。从精确的外科手术运动到遥远星球的探索,谐波传动的出色之处在于其简单、可靠和精确。