1-5 Harmonic vs Cycloidal drive 的比較

對於一隻商用的機械手臂來說，因為空間上的限制，再加上需要高減速比的要求下，市場上的機械手臂商多是使用以下兩種減速機：
(1) Harmonic drive (諧和減速機，亦或稱簡諧減速機)
(2) Cycloidal drive (擺線式減速機)
本文將略為介紹這兩種減速的內容。

Harmonic drive諧和減速機

諧和減速機是一種靠金屬彈性變形傳遞力量的一種減速機構，其原始的概念Strain wave gearing在1957年被當時在USM當研究顧問的C.W. Musser以專利發表出來之後，就逐漸發展成現在的諧和減速機。而Harmonic Drive也是Harmonic Drive company的商標。

相較於傳統的斜齒輪、行星齒輪，它帶來許多其它類型減速無法做到的優點。其中的優點如下：(1)無背隙；(2)緊湊且輕量；(3)高減速比；(4)在標準外殼內易重新設計減速比；(5)很好的解析度與重覆精度；(6)高容許扭力；(7)同軸輸出和輸入；(8)小空間中達較高的減速比 (在一樣的空間下，該類型傳動機構減速比可達320:1，而行星齒輪只能達到10:1的減速比。) 其缺點則是在因為輸入慣量大，以至低扭力的區域容易停下來。

基本諧和減速機的機構由三個部分組成：

(1) Wave Generator波產生器(輸入)
(2) Flex Spline柔輪(輸出)
(3) Circular Spline外環輪(固定)

  

由左至右依序為(1) Wave Generator；(2) Flex Spline；(3) Circular Spline

Wave Generator是由兩個部分組合：一個橢圓形盤和外側軸承(同為橢圓外型)。

Flex Spline像個淺杯，開口側為易彈性變形的薄壁，封閉側為厚實且高剛性

Circular Spline在內圈側有對應的齒型。

當Wave Generator塞進Flex Spline之中，則開口側則隨之變形為橢圓形，但因為外側齒形依然有部分喫合在固定外環輪Circular Spline上，所以Flex Spline不會隨Wave Generator旋轉，但形橢圓的形狀則可以跟著變化。

因此當Wave Generator轉一圈時，橢圓形也變位一圈，代表Flex Spline的外齒也對應Circular Spline內齒喫合一圈。此時若Flex Spline的齒數與Circular Spline的齒數一樣，那代表Flex Spline的軸心是沒有任何變化的。

但若此時Flex Spline的齒數198齒，Circular Spline的齒數200齒，代表Wave Generator轉一圈時，Flex Spline則少了兩齒，往反方向旋轉1/100圈。

Cycloidal drive擺線式減速機

擺線式減速機可以在緊湊的空間中得到很高的減速比。其結構主要分成4個部分：

(1)   Input Shaft & Eccentric disc (輸入偏心輪)

(2)   Cycloidal Disc (擺線轉盤)

(3)   Ring Pins (固定環齒輪)

(4)   Output Rollers with Shaft (輸出軸)

輸入軸(input shaft)偏心地安裝於軸承上(eccentrically mounted bearing)，使擺線轉盤(Cycloidal disc)以圓圈的方式移動，擺線轉盤將獨立地圍繞著軸承旋轉。因為它被壓靠在環齒輪(Ring Pins)，所以旋轉方向是相反於輸入軸的方向。

擺線轉盤上具有孔洞，比輸出軸上的插銷來得大，讓插銷得以在孔中移動，以實現擺線轉盤所謂「擺線運動」，以推動輸出軸的穩定轉動。擺線轉盤的減速比如下公式，其中P為環形齒輪銷的數量，L是擺線轉盤上的齒數。

r = (P-L)/L

在商品化的產品中，單級的減速比可以達119:1，效率可以接近93%。若雙級的話減速比可以達7569:1，效率則可以達到86%。

其中當然也有缺點，不像其他減速機構，擺線式減速機反向從輸出軸回推輸入軸驅動是十分困難的。另外因為輸入軸偏心的問題，以致旋轉時的動平衡不佳而振動或者是造成磨損。

小結

因此我們總結一下這兩種減速機的差別，做成如下表格進行比較。所以在機器人上，比較大荷重的機械手臂，通常會用Cycloidal drive為主。而10公斤以下的4、5、6軸 (比較輕負荷的) 就會使用Harmonic drive居多。

而世界上這兩種減速機的主要供應商，一為Harmonic Drive System (對！公司名稱就叫Harmonic)。另一個Cycloidal drive則由Nabtesco佔大部分的市場。

參考資料

1. http://www.shijou.com.tw/hds/hd/main.html

2. https://en.wikipedia.org/wiki/Harmonic_drive

3. http://www.hds.co.jp/english/

4. https://en.wikipedia.org/wiki/Cycloid

5. https://en.wikipedia.org/wiki/Cycloidal_drive

6. https://www.youtube.com/watch?v=guvatctnjww

7. http://www.nabtesco-motion.cn/index.html
8. Cycloid vs. Harmonic Drives for use in High Ratio, Single Stage Robotic Transmissions, Jonathon W. Sensinger, Member, IEEE and James H. Lipsey