整合性谐波减速器及光学编码器圆盘尺

角度编码器、圆盘尺、光学尺、谐波减速器

谐波减速器之高精度特性使其成为各类精密运动控制领域之核心部件，机械人的谐波减速器（harmonic drive）之精度影响机器人运动之精准性及稳定性，下列为谐波减速器精度之特性：

1. 扭转刚性与传动误差：（1）传动误差（backlash）：谐波减速器之回差几乎可以忽略不计，通常在0.5 弧分（arcmin）以下，有些高精度型号可以做到0.1 弧分或更低，这种高精度非常适合机器人关节驱动；（2）扭转刚性（torsional rigidity）

高刚性的结构设计可以减少传动过程产生之弹性变形，进而提高定位精度。

2. 重复定位精度：重复定位精度是衡量机器人在相同条件下返回同一位置的能力，与谐波减速器之性能直接相关。机器人所搭载之谐波减速器能保证重复定位精度在± 0.01 mm 至± 0.05 mm，视系统整体设计而定。

3. 影响精度之因素：（1）设计及装配质量：高精度的谐波减速器需要精密的设计与制造，安装时对同心度和对齐要求非常高；（2）负载能力与寿命：长期运行会造成磨损，可能影响精度。选择合适负载范围的减速器能延长其使用寿命并保持稳定精度；（3）驱动控制系统：优秀的伺服控制系统能进一步减小传动误差，使谐波减速器的精度发挥到极致。

应用场域：（1）机器人关节驱动：要求高精度、高刚性，适合协作机器人与工业机器人；（2）半导体设备：需要极高的定位精度；（3）医疗设备：如手术机器人。

在谐波减速器中，刚轮是一个关键部件，其主要作用是与柔轮（flexsplines）共同完成减速和传动功能，以下为刚轮之特性：

1. 刚轮之结构与材质：（1）结构：刚轮通常是圆形刚性齿轮，内部具有均匀分布之齿形，与柔轮的外齿啮合。刚轮通常固定于机器之壳体或其他刚性部件上，起到支撑和固定的作用。（2）材质：刚轮一般采用高强度钢或特殊合金制成，以提供足够的刚性和耐磨性，同时确保长期使用下的稳定性能。

2. 刚轮的工作原理：刚轮和柔轮通过齿形啮合实现传动。刚轮齿数比柔轮齿数略多（通常多1 至2 齿），这种齿数差决定了减速比的大小。当波发生器（wave generators）转动时，柔轮的外齿依序与刚轮的内齿啮合，实现相对运动。刚轮本身固定不动，柔轮以波形变形进行运动。

3. 刚轮之设计特点：（1）高精度齿形：刚轮之齿形经过精密加工，与柔轮之齿形高度匹配，减少齿侧间隙（backlash），提高传动精度；（2）高刚性结构：刚轮需要承受柔轮传来的变形力和负载力，故其刚性设计尤为重要，以确保运行稳定性；（3）减少应力集中：刚轮与柔轮的啮合部位会产生交变应力，刚轮设计需避免局部应力集中，延长减速器寿命。

4. 刚轮之作用与优势：（1）提供固定参考点，确保传动稳定性；（2）与柔轮共同决定减速比的准确性；（3）高刚性设计避免运行中变形，确保高精度。

5. 刚轮之应用与限制：（1）应用：刚轮广泛应用于工业机器人、精密机械、航空航天设备等需要高精度传动之场域；（2）限制：刚轮本身不会变形，但需要与柔轮、波发生器密切配合，其性能受限于整个谐波减速器系统的设计与装配精度。

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将谐波减速器之刚轮（rigid wheels）与光学编码器圆盘尺（scales for optical encoders）整合是一种创新的设计，旨在提升系统之精度和性能。这种设计主要用于高精度运动控制系统（如机器人、半导体设备等），以下是具体的整合方案及其考量：

1. 整合设计的原理：将光学尺与刚轮结合，通过测量刚轮的角位移或角速度，直接反映减速器的输出端运动状态，实现高精度的反馈控制。光学尺的作用为利用光学感应技术测量位置或速度，提供高解析度的数据，通常用于闭环控制。刚轮作为谐波减速器的一部分，直接参与传动并固定不动。将光学尺安装在刚轮周围，可以稳定读取相关运动数据。

2. 整合之实现方式：（1）直接安装光学编码器圆盘尺：在刚轮外围或内部加工特制光栅结构，将其作为光学编码器圆盘尺之测量对象，光学传感器检测刚轮的运动状态；（2）刚轮的内嵌设计：光学尺的编码盘可以与刚轮集成，通过刚轮的精密齿形提供稳定的光学参考点；（3）非接触式测量：使用非接触式光学编码器，可以避免由机械接触带来的磨损和误差。

3. 优势：（1）高精度反馈：刚轮的高刚性特性和光学编码器圆盘尺的高解析度结合，可提供极其精确的位置和速度反馈；（2）减少误差传递：光学编码器圆盘尺直接检测刚轮运动，避免了因柔轮变形或波发生器运动引起的间接误差；（3）结构紧凑：刚轮与光学尺整合设计可以减少附加部件，使机械结构更加简洁；（ 4）实时闭环控制：精确的输出数据支持高频率的闭环控制，提高整个系统的动态响应能力。

4. 挑战与设计考量：（1）刚轮加工精度：刚轮需进一步加工光栅结构或其他编码设计，对加工精度要求更高；（2）对位与校准：光学尺的传感器需与刚轮对准，确保测量的准确性，这要求极高的装配精度；（3）环境影响：光学编码器圆盘尺对灰尘、温度变化较为敏感，需采用密封或保护措施以避免影响测量精度；（ 4）成本增加：整合设计可能会增加制造和装配成本，需要根据应用场合权衡效益。

5. 应用场域：（1）高精度工业机器人：实现机器人关节的超高定位精度，适用于协作机器人或手术机器人；（2）半导体制造设备：在曝光机、检测机等设备中，要求极高的位置和速度控制；（3）精密光学对准系统：如天文望远镜或雷射激光对准设备。

机器人之关节是其运动功能之核心部件，通常根据功能、结构和应用场域来设计。以下为机器人关节之主要设计种类及技术特点：

1. 按运动类型区分：（1）旋转关节（revolute joints）：提供单轴旋转运动，类似人类肘关节。是机器人最常见的关节设计，用于多自由度运动。应用包含：工业机器人之关节模块、协作机器人、服务机器人等；（2）滑动关节（prismatic joints）：提供线性移动，用于改变距离或位置，通常与旋转关节结合使用。应用包含：码垛机器人中的臂伸缩设计，或移动机器人的垂直运动模块；（3）球面关节（spherical joints）：提供三轴旋转运动，模拟人体肩关节功能。结构复杂，通常需要多个子模块协同工作。应用包含：某些高自由度机器人（如仿人机器人）之肩部或腰部设计；（4）弹性关节（elastic joints）：结合弹性元件提供柔性运动，允许微量变形吸收冲击。应用包含：协作机器人、柔性机械臂等，增强安全性和适应性。

2. 按驱动方式区分：（1）电机驱动关节：使用伺服电机或步进电机作为主要动力源。精度高，易于控制，适合大部分机器人设计。应用包含：工业机器人、医疗机器人、检测机器人；（2）液压驱动关节：高功率密度，适合处理重负载。结构复杂，需液压泵和管路系统支持。应用包含：建筑机器人、大型机械臂等；（3）气动驱动关节：适合轻量型运动控制，且能快速反应。控制精度较低，适用于简单任务。应用包含：教育机器人、物流机器人等；（4）绳索驱动关节：通过柔性绳索实现运动传递，减少关节重量。应用包含：仿人机器人、医疗辅助机器人等；（5）柔性材料驱动关节：使用形状记忆合金或电致动聚合物实现运动，结构轻巧，适合柔性机器人。应用包含：仿生机器人、软体机器人等。

3. 按结构设计区分：（1）轮齿传动关节：使用齿轮组实现运动传递。刚性高，适合重负载运动。应用包含：工业机器人的重载型模块；（2）谐波减速关节：通过柔轮和刚轮组合，实现高精度传动。轻量化设计，广泛用于小型机器人。应用包含：协作机器人、高精度工业应用等；（3）行星减速关节：多行星齿轮组结构，适合中高负载应用。应用包含：中型机器人的关节模块；（4）柔性关节结构：通过弹性元件或柔性材质，实现一定范围的变形运动。应用包含：机器人与人协作的安全设计。

4. 按应用场域区分：（1）工业机器人关节：刚性高，精度要求高，通常选用齿轮传动或谐波减速设计；（2）仿人机器人关节：结构灵活，模仿人体运动，可能结合多种驱动方式与弹性设计；（3）柔性机器人关节：重点在于柔性运动和安全性，适合医疗和服务机器人应用。

产品特性

集成型关节模块：将电机、减速器和传感器整合，减少设计复杂度。
轻量化设计：特别针对协作机器人和便携型设备的应用需求。
智能关节：搭载力矩传感器和AI 驱动算法，提升运动控制能力。

产品应用

高精度工业机器人
半导体制造设备
精密光学对准系统

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整合性谐波减速器及光学编码器圆盘尺

角度编码器、圆盘尺、光学尺、谐波减速器/京碼研发之精密雷射光机电技术，广泛应用于精密加工制造及客密设备机台之设计。