日本將率先量產(chǎn)球形齒輪，中國(guó)亦迎突破共促工業(yè)齒輪革新

據(jù)《日本經(jīng)濟(jì)新聞》15日消息，日本綜合商社兼松計(jì)劃最早于2027年，在全球率先實(shí)現(xiàn)球形齒輪的量產(chǎn)。目前，受托生產(chǎn)該齒輪的兄弟工業(yè)旗下企業(yè)已成功確立量產(chǎn)工藝，并著手開(kāi)展具體設(shè)備零部件的研發(fā)工作。

球形齒輪優(yōu)勢(shì)顯著，其可動(dòng)范圍大幅拓展，通過(guò)減少零部件數(shù)量，可達(dá)成設(shè)備輕量化和省力化的目標(biāo)。這一特性有望加速人型機(jī)器人以及人造衛(wèi)星太陽(yáng)能電池板等領(lǐng)域的進(jìn)化進(jìn)程。

自2022年起，兼松便攜手山形大學(xué)，共同開(kāi)展金屬材質(zhì)球形齒輪的聯(lián)合開(kāi)發(fā)工作。對(duì)球形齒輪的材質(zhì)從原先的樹(shù)脂改進(jìn)為金屬的迭代，相應(yīng)的其所帶來(lái)的耐用性也得到了極大的提升，從而在工業(yè)的零部件應(yīng)用也為其創(chuàng)造了廣闊的可能。

球形齒輪的結(jié)構(gòu)獨(dú)具特色，它由帶有齒狀凸起的球形零部件，以及兩個(gè)與之嚙合驅(qū)動(dòng)球體旋轉(zhuǎn)的“鞍形齒輪”共同構(gòu)成一套可轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，共計(jì)3個(gè)零部件。與普通齒輪僅能朝單一方向旋轉(zhuǎn)不同，球形齒輪可實(shí)現(xiàn)360度全方位無(wú)限制旋轉(zhuǎn)，涵蓋上下、左右、前后各個(gè)方向。

齒輪作為所有機(jī)械設(shè)備傳動(dòng)系統(tǒng)的核心部件，其重要性不言而喻。從巨輪般的工業(yè)浪潮中初步破浪起航,到鐘表般的精準(zhǔn)計(jì)時(shí),再到工廠機(jī)器轟鳴的運(yùn)轉(zhuǎn),直至現(xiàn)在的衛(wèi)星翱翔太空,無(wú)處不在的齒輪,都為現(xiàn)代的工業(yè)體系的穩(wěn)定有著舉足輕重的作用。因此，創(chuàng)新性的球形齒輪若投入實(shí)用化，將帶來(lái)顛覆性變革。以往需要組合多個(gè)傳統(tǒng)齒輪才能完成的動(dòng)作，如今一個(gè)球形齒輪即可替代，不僅能大幅減少設(shè)備零部件數(shù)量、提高設(shè)備可靠性，還能減輕驅(qū)動(dòng)源負(fù)荷，對(duì)整個(gè)工業(yè)體系產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

如以日常生活中常見(jiàn)的相機(jī)云臺(tái)為例就需要為實(shí)現(xiàn)上下、左右、前后3軸的旋轉(zhuǎn)就必須將3個(gè)方向的框架都組合在一起，才能實(shí)現(xiàn)相機(jī)360度的全方位拍攝。而通過(guò)對(duì)球形齒輪的采用，就可以將原有的兩只齒輪都抹殺掉，僅僅用一只即可，甚至可將其原有的重量減輕約30%。在更為高端的應(yīng)用領(lǐng)域，如太空環(huán)境中，由于維護(hù)條件受限，機(jī)械臂采用球形齒輪有助于提升能源效率、降低故障風(fēng)險(xiǎn)。

在人形機(jī)器人的不斷發(fā)展背景下，代表未來(lái)最前沿的領(lǐng)域也將越來(lái)越廣闊，尤以球形齒輪的前景更為可期。當(dāng)前，機(jī)器人關(guān)節(jié)主要依賴諧波減速器和RV減速器，僅能實(shí)現(xiàn)一個(gè)自由度的可控輸出。由于機(jī)器人關(guān)節(jié)一般都需要兩個(gè)自由度同時(shí)動(dòng)作，目前只能將兩套諧波減速器和RV減速器組合安裝，這就使得整機(jī)的體積大、重量增大、傳出力矩的減小、發(fā)熱嚴(yán)重等問(wèn)題都十分突出尤其對(duì)當(dāng)下備受關(guān)注的人形機(jī)器人而言都難以完全滿足其對(duì)運(yùn)動(dòng)的需求。而球形齒輪能夠直接完成雙旋轉(zhuǎn)自由度的同步輸出，實(shí)現(xiàn)更接近人類(lèi)的動(dòng)作，在簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的同時(shí)提高效率。

可以說(shuō)，球形齒輪將使人形機(jī)器人的動(dòng)作更加逼真、可靠。目前，高性能人形機(jī)器人價(jià)格居高不下的原因之一，正是機(jī)器人關(guān)節(jié)自由度問(wèn)題。盡管關(guān)節(jié)自由度直接決定了機(jī)器人的靈活性和擬人化程度——自由度越高，機(jī)器人動(dòng)作越復(fù)雜精細(xì)，但這也意味著硬件數(shù)量成倍增加，每個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)都需要電機(jī)、編碼器、齒輪組合系統(tǒng)等進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和支持。而球形齒輪能夠極大簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，有望在此方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。

盡管當(dāng)前日本可能率先推進(jìn)球形齒輪的工業(yè)化量產(chǎn)，但中國(guó)近年來(lái)也在相關(guān)領(lǐng)域多有突破。據(jù)報(bào)道，華拓科技在球形齒輪機(jī)器人關(guān)節(jié)方向最近已經(jīng)取得了重大進(jìn)展，他們?cè)谌珖?guó)范圍內(nèi)首次自主設(shè)計(jì)并加工制造出了雙旋轉(zhuǎn)自由度球型齒輪機(jī)器人關(guān)節(jié)核心部件——球形齒輪，這標(biāo)志著擁有中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、高度靈活的仿生學(xué)機(jī)器人關(guān)節(jié)將在西安落地。

該公司研制的球形齒輪采用仿生學(xué)原理，與人體骨骼關(guān)節(jié)高度相似，可以完成雙旋轉(zhuǎn)自由度的直接輸出，具有雙旋轉(zhuǎn)自由度直接精密控制、輸出力矩大、體積小、重量輕等絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，非常適合在機(jī)器人關(guān)節(jié)上廣泛應(yīng)用，尤其對(duì)于人形機(jī)器人的四肢、頸部、胯部和腿部應(yīng)用上更是具有顛覆性技術(shù)優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。這項(xiàng)技術(shù)的推廣應(yīng)用，將會(huì)對(duì)中國(guó)智能機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到關(guān)鍵的推動(dòng)作用。