整合性諧波減速器及光學編碼器圓盤尺

角度編碼器、圓盤尺、光學尺、諧波減速器

諧波減速器之高精度特性使其成為各類精密運動控制領域之核心部件，機械人的諧波減速器（harmonic drive）之精度影響機器人運動之精準性及穩定性，下列為諧波減速器精度之特性：

1. 扭轉剛性與傳動誤差：（1）傳動誤差（backlash）：諧波減速器之回差幾乎可以忽略不計，通常在 0.5 弧分（arcmin）以下，有些高精度型號可以做到 0.1 弧分或更低，這種高精度非常適合機器人關節驅動；（2）扭轉剛性（torsional rigidity）

高剛性的結構設計可以減少傳動過程產生之彈性變形，進而提高定位精度。

2. 重複定位精度：重複定位精度是衡量機器人在相同條件下返回同一位置的能力，與諧波減速器之性能直接相關。機器人所搭載之諧波減速器能保證重複定位精度在 ± 0.01 mm 至 ± 0.05 mm，視系統整體設計而定。

3. 影響精度之因素：（1）設計及裝配質量：高精度的諧波減速器需要精密的設計與製造，安裝時對同心度和對齊要求非常高；（2）負載能力與壽命：長期運行會造成磨損，可能影響精度。選擇合適負載範圍的減速器能延長其使用壽命並保持穩定精度；（3）驅動控制系統：優秀的伺服控制系統能進一步減小傳動誤差，使諧波減速器的精度發揮到極致。

應用場域：（1）機器人關節驅動：要求高精度、高剛性，適合協作機器人與工業機器人；（2）半導體設備：需要極高的定位精度；（3）醫療設備：如手術機器人。

在諧波減速器中，剛輪是一個關鍵部件，其主要作用是與柔輪（flexsplines）共同完成減速和傳動功能，以下為剛輪之特性：

1. 剛輪之結構與材質：（1）結構：剛輪通常是圓形剛性齒輪，內部具有均勻分佈之齒形，與柔輪的外齒嚙合。剛輪通常固定於機器之殼體或其他剛性部件上，起到支撐和固定的作用。（2）材質：剛輪一般採用高強度鋼或特殊合金製成，以提供足夠的剛性和耐磨性，同時確保長期使用下的穩定性能。

2. 剛輪的工作原理：剛輪和柔輪通過齒形嚙合實現傳動。剛輪齒數比柔輪齒數略多（通常多 1 至 2 齒），這種齒數差決定了減速比的大小。當波發生器（wave generators）轉動時，柔輪的外齒依序與剛輪的內齒嚙合，實現相對運動。剛輪本身固定不動，柔輪以波形變形進行運動。

3. 剛輪之設計特點：（1）高精度齒形：剛輪之齒形經過精密加工，與柔輪之齒形高度匹配，減少齒側間隙（backlash），提高傳動精度；（2）高剛性結構：剛輪需要承受柔輪傳來的變形力和負載力，故其剛性設計尤為重要，以確保運行穩定性；（3）減少應力集中：剛輪與柔輪的嚙合部位會產生交變應力，剛輪設計需避免局部應力集中，延長減速器壽命。

4. 剛輪之作用與優勢：（1）提供固定參考點，確保傳動穩定性；（2）與柔輪共同決定減速比的準確性；（3）高剛性設計避免運行中變形，確保高精度。

5. 剛輪之應用與限制：（1）應用：剛輪廣泛應用於工業機器人、精密機械、航空航天設備等需要高精度傳動之場域；（2）限制：剛輪本身不會變形，但需要與柔輪、波發生器密切配合，其性能受限於整個諧波減速器系統的設計與裝配精度。

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將諧波減速器之剛輪（rigid wheels）與光學編碼器圓盤尺（scales for optical encoders）整合是一種創新的設計，旨在提升系統之精度和性能。這種設計主要用於高精度運動控制系統（如機器人、半導體設備等），以下是具體的整合方案及其考量：

1. 整合設計的原理：將光學尺與剛輪結合，通過測量剛輪的角位移或角速度，直接反映減速器的輸出端運動狀態，實現高精度的反饋控制。光學尺的作用為利用光學感應技術測量位置或速度，提供高解析度的數據，通常用於閉環控制。剛輪作為諧波減速器的一部分，直接參與傳動並固定不動。將光學尺安裝在剛輪周圍，可以穩定讀取相關運動數據。

2. 整合之實現方式：（1）直接安裝光學編碼器圓盤尺：在剛輪外圍或內部加工特製光柵結構，將其作為光學編碼器圓盤尺之測量對象，光學傳感器檢測剛輪的運動狀態；（2）剛輪的內嵌設計：光學尺的編碼盤可以與剛輪集成，通過剛輪的精密齒形提供穩定的光學參考點；（3）非接觸式測量：使用非接觸式光學編碼器，可以避免由機械接觸帶來的磨損和誤差。

3. 優勢：（1）高精度反饋：剛輪的高剛性特性和光學編碼器圓盤尺的高解析度結合，可提供極其精確的位置和速度反饋；（2）減少誤差傳遞：光學編碼器圓盤尺直接檢測剛輪運動，避免了因柔輪變形或波發生器運動引起的間接誤差；（3）結構緊湊：剛輪與光學尺整合設計可以減少附加部件，使機械結構更加簡潔；（4）實時閉環控制：精確的輸出數據支持高頻率的閉環控制，提高整個系統的動態響應能力。

4. 挑戰與設計考量：（1）剛輪加工精度：剛輪需進一步加工光柵結構或其他編碼設計，對加工精度要求更高；（2）對位與校準：光學尺的傳感器需與剛輪對準，確保測量的準確性，這要求極高的裝配精度；（3）環境影響：光學編碼器圓盤尺對灰塵、溫度變化較為敏感，需採用密封或保護措施以避免影響測量精度；（4）成本增加：整合設計可能會增加製造和裝配成本，需要根據應用場合權衡效益。

5. 應用場域：（1）高精度工業機器人：實現機器人關節的超高定位精度，適用於協作機器人或手術機器人；（2）半導體製造設備：在曝光機、檢測機等設備中，要求極高的位置和速度控制；（3）精密光學對準系統：如天文望遠鏡或雷射激光對準設備。

機器人之關節是其運動功能之核心部件，通常根據功能、結構和應用場域來設計。以下為機器人關節之主要設計種類及技術特點：

1. 按運動類型區分：（1）旋轉關節（revolute joints）：提供單軸旋轉運動，類似人類肘關節。是機器人最常見的關節設計，用於多自由度運動。應用包含：工業機器人之關節模塊、協作機器人、服務機器人等；（2）滑動關節（prismatic joints）：提供線性移動，用於改變距離或位置，通常與旋轉關節結合使用。應用包含：碼垛機器人中的臂伸縮設計，或移動機器人的垂直運動模塊；（3）球面關節（spherical joints）：提供三軸旋轉運動，模擬人體肩關節功能。結構複雜，通常需要多個子模塊協同工作。應用包含：某些高自由度機器人（如仿人機器人）之肩部或腰部設計；（4）彈性關節（elastic joints）：結合彈性元件提供柔性運動，允許微量變形吸收衝擊。應用包含：協作機器人、柔性機械臂等，增強安全性和適應性。

2. 按驅動方式區分：（1）電機驅動關節：使用伺服電機或步進電機作為主要動力源。精度高，易於控制，適合大部分機器人設計。應用包含：工業機器人、醫療機器人、檢測機器人；（2）液壓驅動關節：高功率密度，適合處理重負載。結構複雜，需液壓泵和管路系統支持。應用包含：建築機器人、大型機械臂等；（3）氣動驅動關節：適合輕量型運動控制，且能快速反應。控制精度較低，適用於簡單任務。應用包含：教育機器人、物流機器人等；（4）繩索驅動關節：通過柔性繩索實現運動傳遞，減少關節重量。應用包含：仿人機器人、醫療輔助機器人等；（5）柔性材料驅動關節：使用形狀記憶合金或電致動聚合物實現運動，結構輕巧，適合柔性機器人。應用包含：仿生機器人、軟體機器人等。

3. 按結構設計區分：（1）輪齒傳動關節：使用齒輪組實現運動傳遞。剛性高，適合重負載運動。應用包含：工業機器人的重載型模塊；（2）諧波減速關節：通過柔輪和剛輪組合，實現高精度傳動。輕量化設計，廣泛用於小型機器人。應用包含：協作機器人、高精度工業應用等；（3）行星減速關節：多行星齒輪組結構，適合中高負載應用。應用包含：中型機器人的關節模塊；（4）柔性關節結構：通過彈性元件或柔性材質，實現一定範圍的變形運動。應用包含：機器人與人協作的安全設計。

4. 按應用場域區分：（1）工業機器人關節：剛性高，精度要求高，通常選用齒輪傳動或諧波減速設計；（2）仿人機器人關節：結構靈活，模仿人體運動，可能結合多種驅動方式與彈性設計；（3）柔性機器人關節：重點在於柔性運動和安全性，適合醫療和服務機器人應用。

產品特性

集成型關節模塊：將電機、減速器和傳感器整合，減少設計複雜度。
輕量化設計：特別針對協作機器人和便攜型設備的應用需求。
智能關節：搭載力矩傳感器和 AI 驅動算法，提升運動控制能力。

產品應用

高精度工業機器人
半導體製造設備
精密光學對準系統

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整合性諧波減速器及光學編碼器圓盤尺

角度編碼器、圓盤尺、光學尺、諧波減速器 / 京碼研發之精密雷射光機電技術，廣泛應用於精密加工製造及客密設備機台之設計。