日企将率先量产球形齿轮，或颠覆机器人与太空装备设计范式

齿轮——工业文明的“血脉”，自工业革命以来便默默支撑着机械传动的每一个角落。然而，数百年来，其基本形态始终未能突破“单轴旋转”的物理限制。

近日，日本综合商社兼松（Kanematsu）宣布，最早将于2027年实现球形齿轮的全球首次量产。

受托生产这种齿轮的兄弟工业旗下的齿轮巨头NISSEI（爱知县安城市）最近确立了量产工艺，并开始着手研发具体的设备零部件。这一革命性技术由山形大学多田隈理一郎教授团队研发，不仅打破了传统齿轮的运动边界，更可能彻底改变人形机器人、航空航天、精密设备等领域的机械设计逻辑。

▎传统减速器的技术短板

尽管传统减速器在工业中广泛应用，但其局限性日益凸显：

• 精密行星齿轮减速器

优点：体积小、承载强、成本低；

短板：单级减速比小，需定期维护，精度有限。

• 谐波减速器

优点：结构紧凑、传动精度高；

短板：承载能力弱、寿命短、成本高。

• RV减速器

优点：刚性高、耐冲击、传动平稳；

短板：体积大、制造成本高。

• 球面包络涡轮蜗杆减速器

优点：扭矩密度高、噪音低、寿命长；

短板：传动效率低，仅支持90°输出，需额外转向机构。

这些传统方案均需通过多组组合才能实现多方向运动，导致系统复杂、效率低下，而球形齿轮正是为了解决这些痛点而生。

▎何为球形齿轮？

球形齿轮系统由三大部件构成：

一个球形齿轮本体：表面带有精密齿状凸起的金属球体；

两个鞍形齿轮：与球体啮合，通过输入动力驱动球体进行多自由度旋转。

球形齿轮的可动范围扩大，有望通过减少零部件数量来轻量化和灵巧化。其最大创新在于实现了360度全方向无限制旋转，突破传统齿轮仅能单向传动的局限。通过两个鞍形齿轮的协同驱动，球体可在上下、左右、前后任意方向连续转动，形成真正的“全域运动”能力。

材料升级亦是关键突破。早期球形齿轮采用树脂材质，耐用性不足，难以应用于工业场景。改为金属材质后耐用性大幅提升，使得用于工业零部件成为可能。

▎为何重要？

极致简化结构，实现轻量化与节能

传统机械装置为实现多方向运动，需叠加多个齿轮与框架，导致部件繁多、重量大、能耗高。

球形齿轮可直接替代多个传统齿轮，大幅减少零部件数量。以相机云台为例，原本需3组框架实现三轴旋转，改用球形齿轮后重量减轻30%，同时降低驱动负荷，减少能源消耗与二氧化碳排放。

拓展高自由度应用场景

①人形机器人：当前机器人关节依赖谐波减速器、RV减速器等单自由度装置，需多组叠加才能模拟人类关节动作，导致体积庞大、传动效率低、发热严重。球形齿轮可直接输出双自由度运动，简化结构的同时提升动作流畅性与精度。

②太空设备：如卫星太阳能板支架，需精准追踪光源。球形齿轮的紧凑结构与高可靠性，特别适合在维护困难的太空环境中长期运行。

③医疗与科研设备：可用于高精度搅拌器、外骨骼机器人或显微操作装置，通过程序控制实现复杂的多轴运动甚至模拟重力变化。

驱动产业升级与市场规模扩张

据Global Information预测，2030年全球齿轮市场规模将达到2940亿美元。球形齿轮有望切入汽车变速器、风力发电设备等大型市场，但其量产能力仍需突破。兼松已与NISSEI合作确立量产工艺，并正与其他3家企业磋商合作，以应对未来可能的需求爆发。

文章来源：机器人技术与应用