工作原理：摇摆但精确的高扭矩谐波传动齿轮

谐波驱动是无数机器人应用的关键部分。令人难以置信的简单，但看起来却相当得奇怪，它非常精确，具有令人印象深刻的扭矩重量比，即使它确实会摆动。那么，它是如何工作的呢？

看似奇怪的谐波传动齿轮实际上在功能上相当天才 —— 其灵活的椭圆内圆设置在转动时会产生摆动运动，并且在任何给定点上只有两个主齿轮齿的三分之一相互接触 —— 但结果是一个非常紧凑、轻量的小传动齿轮，能够以绝对精度提供出色的扭矩，零传动间隙或自由间隙。

1957年，宾夕法尼亚州的c·沃尔顿·马瑟（C. Walton Musser）首次提出了这一想法。马瑟是一位极具创造力的发明家，拥有从动力转向系统、无后坐力步枪和充气救生衣充气机到支撑喷气式飞机弹射座椅的许多关键想法的专利。谐波驱动器在20世纪60年代初首次商业化。它由三个关键部分组成：

波浪发生器：一个略椭圆的输入轮毂，在其外缘周围有一个球轴承圈。

柔轮：一种灵活的杯形部件，齿在其外周长。当插入长方体波发生器时，它呈径向变形，但仍保持扭转刚度。

圆花键：一种完全刚性的内齿环，类似于行星环齿轮，比柔轮多两个齿。

当波浪发生器旋转时，在任何给定的时间，约30%的柔轮两端的齿与圆花键的齿接触，形成一个前进的波浪模式。这导致柔轮在圆形花键内旋转，但与输入方向相反。

该系统的天才之处在于其零间隙 —— 齿轮之间没有间隙，使其成为精确、精细电机控制的理想选择。其紧凑、轻便的设计也非常适合空间有限的应用。由于运动部件很少，谐波传动非常可靠耐用。

今天，谐波驱动器在地球上和地球外无处不在。发那科（Fanuc）和优傲机器人（Universal robots）等工业机器人将它们用于焊接和组装等任务，在这些任务中，可重复、精确的运动至关重要。

达芬奇手术机器人是为微创手术而设计的，它依靠手臂上的谐波驱动器，在对人进行微创手术时，使其具有零反弹的微妙微运动，从而达到最高的精度。

波士顿动力公司的阿特拉斯人形机器人和Spot四足机器人在手臂和腿部等部位使用它们，在保持强壮的同时实现平稳、可控的运动。

就连美国宇航局的火星探测器“好奇号”和“毅力号”的机械臂和轮子上也安装了谐波驱动装置。将漫游者送往另一个星球，而不需要进行维护或修理，这证明了这种设计的可靠性和耐用性。

虽然马瑟没能活着看到他的发明到达火星，但他至少见证了它进入太空。谐波驱动器是航天飞机标准配置的远程操纵系统（又名“加拿大臂”）中的常见部件，用于哥伦比亚号和挑战者号等航天飞机处理有效载荷和部署货物。

在它诞生近70年后，这个非凡的发明，带着它独特而有目的的“摆动”，继续在不同的领域被发现。从精确的外科手术到对遥远行星的探索，谐波驱动器的天才在于它的简单、可靠和精确。

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