工业机器人拥有国产“关节” 提升中国机器人核心竞争力

中国工业机器人的核心基本部件一直受制于人的局面正在被扭转。4月22日，记者从重庆大学获悉，在重庆大学机械传动国家重点实验室王家序教授的带领下，高性能机电传动系统教育部创新团队系统攻克了谐波减速器正向设计分析与试验评估系统的共性关键技术，成功研发出高可靠性、高精度谐波减速器， 并通过产学研合作建立了年产3万多台谐波减速器的生产线，实现了工业机器人核心基础部件的国产化，打破了日本在这一领域的垄断。

据悉，该项目属于“863计划”先进制造技术领域“工业机器人核心基础部件应用示范”主题项目，王家序教授是该主题项目的首席科学家，已通过科技部专家组验收。

减速器是工业机器人关键部件

工业机器人的R&D、制造和应用是衡量一个国家科技创新和高端制造业实力和水平的重要标志。工业机器人主要由三个核心部件组成：减速器、伺服电机和控制系统。精密减速器是工业机器人最关键的功能部件，也是目前制约我国机器人产业发展的瓶颈之一。

“比如工业机器人做成人手臂，减速器就是手臂的关节。”王家序说，减速器是连接动力源和执行器的中间机构，具有匹配转速和传递扭矩的功能。工业机器人需要高强度的重复运动，关节的质量决定了工业机器人动力传递和运动转换的准确性、可靠性和使用寿命。在机器人的总成本中，减速器的成本占30%以上。

工业机器人关节主要包括RV减速器和谐波减速器。长期以来，RV减速器一度被日本Nabtesk公司垄断，谐波减速器一度被日本Hamernaco公司垄断，严重制约了国产工业机器人的产业化发展。

王家序一生都在研究机械传动，他一向以敢于战斗而闻名。面对家用机器人发展对精密减速器的迫切需求，他一直从事减速器的研究。2005年，他带领团队开始科研，目标是高可靠性精密谐波减速器。

王家序表示，谐波减速器具有体积小、重量轻、传动比大、精度高等优点，在轻载精密减速器领域占据领先地位。但是谐波减速器的技术壁垒很高。要实现谐波减速器的自主研发和国产化，需要突破齿设计、材料、加工工艺、测试和评价等关键技术瓶颈。

提升我国机器人核心竞争力

在机械传动国家重点实验室，记者看到机器人使用了重庆大学自主研发的谐波减速器。“它已经在这里运行了6000个小时，精度和使用寿命都达到了日本同类机器人的水平。”王家序解释说，谐波传动通过薄壁柔轮的变形使齿轮分度圆变成椭圆，实现多齿啮合，从而提高了传动的高精度、刚度和承载能力。谐波减速器柔轮的高弹性变形特性使得啮合齿廓的精确设计和修改非常困难，齿面容易磨损，精度保持性差。此外，柔性轮加工工艺性差，在周期性交变应力下容易疲劳断裂，这也使得高精度、高刚度和高可靠性之间的调节成为突出矛盾。因此，谐波传动实现多齿啮合的原理对设计和制造工艺提出了非常严格的技术要求，这也是制约国产谐波减速器性能提高的主要原因。

针对上述问题，王家序带领团队根据国家的重要需求，瞄准学科发展的前沿。在长期扎实研究的基础上，通过啮合原理、界面力学、传动摩擦学、系统动力学、材料科学等多学科创新和优化设计研究，系统克服了精密谐波减速器的设计、制造、测试和评价技术，建立了共轭参数驱动的圆弧齿廓谐波传动设计、分析和测试评价系统。短杯、超短杯、高帽型全系列高可靠性、高精度谐波减速器已研制成功，年产谐波减速器3万余台，销售近万台。高可靠性、高精度谐波减速器产品已广泛应用于工业机器人、卫星指向机构、扫描机构、展开机构、控制力矩陀螺等空间机构，以及无人机等设备。

该项目通过专家组验收后，克服了工业机器人核心基础部件谐波减速器的设计、制造、测试和评估等关键共性技术，以及产品在大批量生产和装配过程中的可靠性和一致性，形成了具有自主知识产权、高精度、高刚度、高可靠性、长寿命、高效率、低噪声、高功率密度的达到国际先进水平的机器人谐波减速器。为提高我国企业自主创新能力、大跨度提升国产工业机器人技术水平、提升我国工业机器人核心竞争力、满足我国先进制造、战略性新兴产业等工程领域国产机器人产业化发展的重要需求提供关键技术支撑。