人形機器人關節用減速機：諧波與行星減速機該怎麼選？

隨著人形機器人逐步走向商業化，關節致動器對精密傳動元件的需求也持續增加。

諧波減速機具備高減速比、低背隙與結構緊湊等優勢；精密行星減速機則以高效率、高剛性及良好的承載能力見長。

然而，人形機器人的不同關節具有各自的負載與運動需求，並沒有單一傳動方案適用於所有位置。實際選型仍需綜合考量輸出扭矩、減速比、定位精度、安裝空間、衝擊負載、能源效率與可回驅性。

本文將比較諧波減速機與精密行星減速機的特性，並整理人形機器人關節傳動的主要選型方向。

人形機器人對減速機的核心需求

人形機器人的機械設計，必須在有限的空間與重量條件下，同時兼顧扭矩、精度、剛性、效率與可靠性。

與固定式工業機械手臂相比，人形機器人不僅需要完成精細操作，行走時還必須承受地面反作用力、頻繁啟停及方向切換所產生的動態負載。若採用電池供電，傳動效率也會直接影響整機的續航能力。

常見的關節傳動需求包括：

• 高扭矩密度
• 低背隙與良好的定位精度
• 緊湊、輕量化設計
• 足夠的扭轉剛性
• 良好的傳動效率
• 承受峰值扭矩及衝擊負載的能力
• 符合控制需求的可回驅性
• 穩定的使用壽命與可靠性

不同關節的設計重點並不相同。例如，手腕與頸部通常更重視體積、重量及定位精度；髖部、膝部與踝部則需要特別考量峰值扭矩、衝擊負載、剛性與能源效率。

因此，減速機選型應從實際負載、運動條件與整體致動器架構出發，而不能只依照關節位置判斷。

諧波減速機如何運作？

諧波減速機主要由波發生器、柔輪與剛輪組成。

波發生器使柔輪產生彈性變形，讓柔輪與剛輪形成多齒嚙合，再利用兩者之間的齒數差實現減速傳動。這種結構能以單級達到較高的減速比，並兼具低背隙與緊湊化優勢。

諧波減速機的主要優勢

• 單級高減速比：不需多級齒輪，即可在有限空間內達到較高減速比。
• 低背隙：多齒同時嚙合，可降低換向時的機械間隙，適合重視定位與重複精度的關節。
• 結構緊湊：在高減速比需求下，可有效控制減速機的軸向尺寸與整體重量。
• 中空結構選擇：部分型式可提供中空孔，方便電纜、訊號線或管路穿過關節中心。
• 運轉平順：多齒嚙合有助於維持穩定的運動傳遞。

諧波減速機的選型限制

• 柔輪會產生彈性變形，選型時需確認扭轉剛性及負載變化下的角度偏移。
• 使用壽命會受到負載頻譜、峰值扭矩、轉速及潤滑條件影響。
• 面對頻繁衝擊或高動態負載時，需特別確認瞬間容許扭矩及疲勞壽命。
• 傳動效率容易受到減速比、負載率、轉速與潤滑條件影響。
• 製造精度要求較高，成本通常也相對較高。

諧波減速機通常適合需要低背隙、高減速比與緊湊尺寸的旋轉關節，例如肩部、手腕、頸部或部分腰部關節。但實際配置仍需依負載條件及整體致動器設計決定。

精密行星減速機如何運作？

行星減速機主要由太陽齒、行星齒、行星架與內齒圈組成。

運轉時，多個行星齒同時與太陽齒及內齒圈嚙合，使負載分散至多個接觸點。這種結構有助於提升承載能力、扭轉剛性與傳動效率。

精密行星減速機的主要優勢

• 高傳動效率：適合重視能源利用率與電池續航的應用。
• 高扭轉剛性：可降低負載變化時的角度偏移，提升控制反應。
• 良好的承載能力：多個行星齒共同分擔負載，適合較高扭矩需求。
• 適應動態負載：通常較適合頻繁啟停、方向切換及衝擊負載。
• 產品選擇多元：可依尺寸、減速比、精度、輸出形式及安裝方式選擇。
• 供應鏈成熟：製造技術及規格選擇較完整，較容易配合不同馬達與機構設計。

精密行星減速機的選型限制

• 若需要較高減速比，通常必須採用多級設計，可能增加軸向長度、重量及轉動慣量。
• 背隙會依齒輪精度、級數及產品等級而異，需依實際定位需求選擇。
• 高精度回授與控制演算法可以補償部分定位誤差，但無法取代減速機本身的低背隙、剛性與傳動精度。
• 若關節空間非常有限，需進一步評估外徑、長度及馬達整合方式。

精密行星減速機適合重視傳動效率、剛性、承載能力與動態負載的關節，也可應用於手指等需要小型化傳動的部位。

諧波減速機與精密行星減速機比較

比較項目	諧波減速機	精密行星減速機
減速比	單級即可達到較高減速比	高減速比通常需要多級設計
背隙	極低，適合高精度定位	依精度等級而定，精密型可低於1 arcmin
結構尺寸	高減速比下仍可維持緊湊結構	多級設計可能增加軸向長度
傳動效率	較容易受減速比、負載率及潤滑條件影響	通常較高
扭轉剛性	需考量柔輪的彈性變形	通常較高
承載能力	需依柔輪、軸承及產品結構確認	多齒輪分擔負載，承載能力通常較佳
衝擊負載	需確認峰值扭矩與柔輪疲勞壽命	通常較適合高動態及衝擊負載
可回驅性	取決於減速比、摩擦及整體設計	可透過較低減速比改善
成本	通常較高	供應鏈成熟，產品選擇較多
典型需求	低背隙、高減速比、空間有限	高效率、高剛性、高承載能力

實際性能仍會因產品型號、尺寸、減速比、負載率及潤滑方式而異，選型時應以各型號的技術規格為準。

不同關節有哪些常見傳動方案？

人形機器人的關節架構仍在快速發展。除了諧波與精密行星減速機，也可能使用擺線減速機、準直驅致動器，或搭配滾珠螺桿、行星滾柱螺桿的線性致動器。

以下為不同關節常見的設計需求與傳動選項：

關節／應用	主要需求	常見傳動方案
肩部、手腕、頸部	緊湊、低背隙、高減速比	諧波減速機、精密行星減速機
手肘	緊湊、剛性、力矩控制	諧波、行星或螺桿式線性致動器
腰部	高扭矩、高剛性、承受複合負載	諧波、精密行星或擺線減速機
髖部、膝部、踝部	高峰值扭矩、效率、衝擊負載、可回驅性	精密行星、擺線、準直驅或滾柱螺桿線性致動器
手指	小型化、輕量、靈活配置	微型行星、微型螺桿、肌腱或鋼索傳動

實際配置仍會受到關節結構、馬達尺寸、控制策略及整機重量分配影響。上述方案應視為選型參考，而非固定規則。

人形機器人減速機選型的10項關鍵參數

在選擇關節用減速機前，建議先確認以下條件：

1. 額定輸出扭矩：關節長時間運轉時所需的持續扭矩。
2. 啟停峰值扭矩：加速、減速或方向切換時產生的最大扭矩。
3. 瞬間衝擊扭矩：落地、碰撞或失衡時可能承受的瞬間負載。
4. 輸出轉速：關節所需的最高及平均運轉速度。
5. 減速比：依馬達轉速、關節轉速及輸出扭矩計算。
6. 背隙與傳動精度：兩者屬於不同指標，應分別確認。
7. 扭轉剛性：影響負載變化時的角度偏移及控制反應。
8. 安裝空間與重量：包括外徑、軸向長度、中空孔及模組總重量。
9. 外部負載：需確認徑向力、軸向力與傾覆力矩。
10. 使用壽命：應依負載頻譜、工作循環、轉速及潤滑條件評估。

減速機只是關節致動器的一部分。馬達、軸承、編碼器、機構剛性及控制器都會影響最終性能，因此不能只依減速機背隙推算機器人末端的定位精度。

諧波與行星減速機不是二選一

在人形機器人的設計中，諧波減速機與精密行星減速機各有適合的應用條件。

當設計重點是低背隙、單級高減速比與有限的安裝空間時，諧波減速機通常具有較明顯的優勢；若關節更重視傳動效率、扭轉剛性、承載能力及衝擊負載，精密行星減速機則可能更適合。

同一台人形機器人也可能依照不同關節的需求，同時採用多種傳動架構。真正的選型關鍵，是在精度、扭矩、效率、體積、重量、壽命及成本之間取得平衡。

GearKo精密關節傳動方案

台灣格高（GearKo）提供HM系列諧波減速機，以及GB, GD…等系列精密行星減速機，可依人形機器人不同關節的安裝空間、輸出扭矩、減速比、精度與剛性需求進行選型。

• GearKo HM系列諧波減速機：背隙≤1 arcmin，單級減速比30:1–160:1，適合空間有限且重視定位精度的旋轉關節。
• GearKo GB, GD…等系列精密行星減速機：提供多種尺寸、減速比及精度等級，背隙最低≤1 arcmin，適合重視傳動效率、剛性與承載能力的機器人及自動化設備。

不確定哪款減速機適合您的應用？

歡迎提供馬達型號、額定與峰值扭矩、輸出轉速、減速比、精度要求及安裝尺寸，台灣格高團隊將協助進行選型評估。