未来是属于协作机器人的，至少当ABI Research和Interact Analysis等分析师的观点是可信的：自动化的趋势和灵活的应用可能性将使这个市场在未来5~10年内大幅增长。根据国际机器人联合会（IFR）的数据，目前在所有工业机器人中，协作机器人的份额仅占5%。然而，预计到2030年，这一比例将上升到29%。

图1 协作机器人（Cobot）属于未来。这个细分市场也因此会呈现出增长的营业额

因此，这一领域有望增加营业额，而且不仅是对机器人制造商而言，也不仅在工业领域，供应商也将受益。此外，非工业应用的领域预计将增长得更快。这些前景也使新的参与者出现。因此，作为一个例子，我们想仔细了解为机器人提供齿轮的领域，因为在过去的2~3年中，市场上出现了新的供应商和新的产品。

波动齿轮装置最适合用于协作机器人

协作机器人，也被称为 “Cobot”，属于轻量级机器人的范畴。它们与人类一起工作，因此，它们的行进速度和加速度必须与人类–机器人合作所允许的程度相匹配。就驱动力而言，重量起着主要作用：自重越低，质量惯性矩越低，因此动力性也就越强。

重量同样是齿轮箱的一个决定性因素，因为它们必须以低重量提供高扭矩。这就是轻型机器人和协作机器人主要使用波动齿轮装置的原因，它们最能满足紧凑尺寸和低重量的要求，还提供了零背隙、高刚性、高精度和长使用寿命的理想组合。这种类型的齿轮箱是由3个部分组成的。

波发生器（Wave Generator）：一个装有可变形滚子轴承的椭圆盘；齿轮箱通过波发生器与电机轴相连柔性圈（Flexspline）——一个有外齿的圆柱形的、可变形的套筒。传递波发生器的椭圆运动外环（Circular Spline）：具有内齿的刚性环与柔性圈的外齿相比，多波动齿轮箱的优点是在整个使用寿命内绝对没有背隙，在整个扭矩范围内具有高扭转刚性、高减速比和重复精度。由于这些特性，机器人制造商长期使用这种类型的齿轮箱作为轴驱动。

图2 拨动齿轮箱由三个要素组成：外环，柔性圈和波发生器

Harmonic Drive是波动齿轮箱市场的领导者，几年前就已经感受到了人们对机器人越来越多的兴趣。其结果是，该公司为所有知名以及全球活跃的机器人制造商生产的齿轮出现了供应瓶颈。为此，从2017年到2019年，它在德国和美国的工厂的产能增加了一倍。

许多知名的机器人制造商经常在其小型变体中使用谐波传动轴齿轮。根据他们自己的信息，这不仅是由于高质量的产品，几十年的谐波齿轮箱生产经验和在德国、美国和日本的制造，也是由于Harmonic Drive提供的合格建议。例如，Harmonic Drive公司生产的特别轻的CPL-2A齿轮安装套件就注定要用于协作机器人。该系列有5种尺寸，减速比为50∶1、80∶1、100∶1、120∶1和160∶1，可重复的峰值扭矩为18~372  N·m，功率密度为340~735  N·m/kg。如果需要，也可以提供定制版本。较大的中空轴，使用于进一步驱动系统的电源线，轴和电缆得以通过。

CSG-2A系列同样也适用于较小的机器人，它是为高动态应用而开发的。与标准轴传动相比，它的扭矩高出30%。这意味着在应用中可以有更高的加速度，并且可以减少周期循环时间。另外，如果重量很重要，在相同负载的条件下，还可以选择较小的齿轮箱尺寸。该系列涵盖了广泛的扭矩范围，并且有10种尺寸可供选择。

根据客户要求开发波动齿轮箱

Nabtesco是机器人齿轮箱全球市场的领导者之一。该公司为经典工业机器人提供摆线齿轮箱。这些产品已经非常紧凑，并提供高功率密度，但这对较小的协作机器人来说是不够的。

“当涉及到极小的模型时，我们不可避免地会遇到物理上的限制。”Nabtesco Precision Europe GmbH公司的通用工业销售主管Daniel Obladen解释道。然而，自2017年以来，Nabtesco还拥有Ovalo品牌——一家自2006年以来一直为大批量应用（汽车行业）生产波动齿轮箱的制造商。这些Ovalo波动齿轮箱适用于较低的扭矩范围，而Nabtesco摆线齿轮箱主要覆盖较高的扭矩范围。

据该公司称，协作机器人制造商不应该在价格或质量上妥协。齿轮箱是按照汽车标准制造的，正如Obladen报告的那

样：数量大，质量要求高，以及具有高度的工艺可靠性和完整的可追溯性的自动化制造工艺。此外，它们在一个重要的点上与竞争对手不同，据Obladen说：“所有的波动齿轮箱都是完全按照客户的要求来开发。不是应用去适应齿轮箱，而是齿轮箱来适应应用要求。”

为了能够向客户提供完整的系统，Ovalo的产品涵盖与传动概念相关的所有范围，包括无背隙波动齿轮箱、无刷电动机和所有相关的附加部件和传感器。

图3 机器人市场将在未来几年内增长，但更为明显的是协作型机器人市场正在崛起

采用滚针轴承使更紧凑的齿轮箱成为可能

Schaeffler是协作机器人齿轮箱市场的一个新成员。该公司是著名的轴承制造商 – 也是机器人制造商 – 在这里可以画上重点：新的角接触滚针轴承XZU已于2020年上市，它比XRB系列的交叉滚子轴承（机器人关节的现有技术水平）至少高出25%的刚性。其原因是，在两个滚道中呈X形排列的滚针（45°倾斜），以及，由于是滚针而不是滚子，所以承载的滚动元件数量较多。

这种滚动轴承被用作轻型机器人的铰接臂轴承，同时也是新型RTWH系列轴齿轮箱的主轴承。这改善了系统的刚性和摩擦性能，同时使设计更加紧凑，工业机械业务部负责人Michael Heid在2020年初的产品发布会上解释道。

Schaeffler专门为协作机器人关节开发了这种Durawave波动齿轮箱，并利用了其在汽车领域的波动齿轮箱的开发经验。Schaeffler集团机器人业务部负责人Nicolai Hämmerle说，该齿轮箱采用了特殊材料和经过优化的制造工艺。例如，柔性圈作为齿轮箱的核心部件，是通过冷成型制造的，并使用了全新的表面处理方法。

Durawave齿轮箱目前有四种尺寸：14、17、25和32，齿轮比从100~160，额定扭矩从25  N·m到近900  N·m。“XZU角接触滚针轴承作为主轴承的整合也保证了最大的刚性和优化的摩擦性能，以提高机器人的定位精度，减少末端位置的摆动。”Hämmerle解释说。

Durawave齿轮箱可与UPRS电机系列相结合，后者也是专门为机器人技术而开发的。采用PCB电路板技术设计的，带定子的轴向磁通机实现了具有高高性能的同时，只需要较小的安装空间及较低的重量。与类似直径的机器相比，这种电机节省了1/4的重量，总的安装长度减少了30%。正如Hämmerle所报告的，一款集成到变速箱中的扭矩传感器目前也正在开发中。这使协作机器人的关节传感器化，而不需要考虑其安装空间。

图4 Schaeffler推出了自己的用于协作机器人（Cobot）的精密齿轮箱，旨在通过高刚性和高精确度为其加分

用于低成本市场的塑料齿轮箱

Igus公司正在采取一种有点不同的方法来处理机器人技术上的问题：低成本。波动齿轮通常是高价的精密齿轮。近年来，塑料专家一直在推动“低成本自动化”的话题，从而也推动了低成本的机器人解决方案。这方面的部件可以在Robolink模块化系统中找到，包括完全由塑料制成的波动齿轮箱。由于使用了高性能的塑料，Igus的波动齿轮不需要像金属材料那样进行额外的润滑。摩擦和磨损可以通过干式运行的三合一聚合物得到优化。同时，塑料的使用使其结构极为紧凑，且生产成本低廉；但用户须接受精度和刚性方面的限制。Igus公司一直在积极研究和开发波动齿轮箱。特别是在最新一代产品中，该公司通过设计优化和材料选择，进一步改善了其运行的平稳性、反向间隙和使用寿命。

应用领域的重点是服务型机器人，因为轻质塑料齿轮箱确保服务型机器人有较少的自重，因此有更大的装载能力。“我们看到了我们的轻质塑料波纹齿轮在整体重量小于8  kg的机器人市场中的机会。”Igus公司低成本自动化部主管Alexander Mühlens解释说。“因为对于低成本自动化的机器人来说，除了有效载荷和便宜的价格外，自重也常常是很重要的。”应用场景包括餐饮业或护理机器人，以及物流业。

新版的塑料波动齿轮箱已于2020年4月上市。2021年春季，Igus公司还推出了一种模块化齿轮箱系统，该系统带有尺寸为80和105的波动齿轮，并集成了电机控制器、力控制电子设备、绝对值编码器和电机。

图5 由于采用了免润滑的高性能塑料，Igus的波动齿轮箱的重量轻、维护少，而且耐用

几乎是一个用于机器人的摆线齿轮箱

摆线齿轮箱也可以传输高扭矩，并实现更高的效率。对于协作机器人的问题前面已经提到过。然而，Sumitomo Cyclo Drive在上一届Automatica 2018上展示了摆线齿轮和轴齿轮的组合。E-Cyclo齿轮箱（"E "代表 "弹性"）实现了无背隙动力传输，同时具有高刚性和传输精度。而且，它又小又轻：例如，最小的E-Cyclo型号ECY103，外径为74mm，长度为52.5mm。它的空心轴直径为19mm，重量为0.9kg。

通过使用大型空心轴，电源供应线或者轴之类的组件可以被牵引。该齿轮箱涵盖25~63  N·m的额定工作扭矩，甚至可以加载高达137  N·m的加速扭矩。

齿轮箱的选择正在随协作机器人应用领域的扩大而增长。趋势仍然是：越来越轻，越来越小，越来越强大 – 而且越来越数字化。最终，协作机器人也应该能与人类交流。在这个方向上，格拉茨科技大学的一位研究人员为机器人开发了一种智能齿轮箱，它不需要环绕旋转的齿轮。这个概念被称为“智能齿轮”，这也显示出齿轮箱的发展还远未结束。