“轻塑未来”：机器人齿轮箱迈入高性价比量产时代

随着人工智能技术与机器人不断融合，机器人产业正迎来前所未有的发展机遇。

一款全新机械臂齿轮箱近日问世，引发行业高度关注。与传统全金属齿轮箱相比，这款齿轮箱成本降低50%、重量减轻50%，性能却丝毫不逊色。

由恩骅力携手SENTImotion GmbH和福根集团（Frencken Group）共同实现，将为机器人实现高性价比、大规模量产铺平道路。

轻量化赋能机器人

长期以来，机器人高昂的制造成本和沉重的自重一直是限制大规模应用的主要障碍。即使最智能的机器人也要依赖高成本的执行器硬件，尤其是各关节处的齿轮箱。以往，一个7自由度机械臂需要7个齿轮箱，一个完整人形机器人齿轮箱数量可达30多个。这些金属齿轮箱不仅占据机器人近一半的制造成本，也是导致机器人整机过重的重要原因。

恩骅力、SENTImotion和福根集团此次合作开发的全新齿轮箱方案（命名为SMFdrives），在机器人轻量化方面取得了革命性突破。方案采用先进工程塑料材料替代金属，大幅降低重量和成本，使机器人总体价格有望降至1万美元级别，为服务机器人、协作机器人等进入大众市场创造了条件。

轻量化带来的更低惯性也提高了机器人的安全速度，即在人机协作时允许的安全运动速度，让机器人运行更安全高效。性能甚至超出当前国际安全标准（ISO/TS 15066）的要求，有望推动安全规范的更新升级。

从设计到量产的协作创新

齿轮箱创新背后是跨领域企业的强强联合。

SENTImotion GmbH作为一家专注高功率密度、高效率驱动技术的工程服务公司，提供了先进的齿轮传动设计方案。

恩骅力凭借在高性能材料和CAE仿真方面的深厚积累，对齿轮箱结构进行了优化设计，并提供关键材料支持。

福根集团（Frencken Group）则是一家在汽车、医疗、工业、航空航天等领域拥有丰富经验的全球制造供应商，担任本项目的工业合作伙伴，负责齿轮箱及相关塑料部件的大批量精密制造。

三方紧密合作确保了这款齿轮箱完全具备量产条件。目前，他们正计划与多家机器人制造商及供应链伙伴展开大型合作项目，率先推动这款新型齿轮箱在家庭服务、零售物流、医疗护理等场景的人形机器人和服务机器人中实现量产。项目团队也在研发新一代塑料齿轮箱，以满足更高负载的工业机器人应用需求。

福根集团利用自动化加工技术和全球化生产布局，实现了塑料齿轮的精密注塑成型量产，并严格控制公差，为机器人厂商提供可靠的供货和本地化交付支持。这种从设计到制造、供应链的一体化协作，正是本次突破能够快速落地的重要保障。

塑料齿轮箱的创新优势

这款SMFdrives塑料齿轮箱之所以能够颠覆传统，在于多方面的创新设计和材料优势。齿轮箱无需额外的制动系统即可防止关节松动或意外反向转动——设计中集成的内置反向驱动锁止结构取代了传统的机电制动器。由此，齿轮箱自身的重量和零件数量大幅减少，省去了独立刹车部件，不仅减轻重量，也降低了组装复杂度和成本。

塑料齿轮箱的外形尺寸与传统金属齿轮箱兼容，可以直接适配原有的安装空间，方便现有机器人平台进行升级换装，无需对整机结构进行改动。

借助工程塑料注塑工艺的优势，齿轮箱的核心齿轮等部件可通过高精度注塑一次成型，达到复杂的几何精度要求。与金属切削加工不同，注塑件成型后即是可直接装配的净成型部件，无需额外的铣削、抛光、热处理等后续工序。这使得在大批量生产时制造效率和经济性远超金属方案。

选用塑料材料，还可将支架、导轨、紧固件等功能集成到齿轮箱部件中，从设计源头减少零件种类和数量，再次降低了系统成本和潜在故障点。通过这些创新设计，SMFdrives齿轮箱在保持高性能的同时，实现了结构简化和成本优化的双赢。

高性能材料保证可靠扭矩输出

实现塑料齿轮箱的轻量化并不意味着牺牲性能。关键在于选择高性能工程塑料并经过严谨的设计验证。本次齿轮箱的核心材料选用了恩骅力的Stanyl® PA46（聚酰胺46）——一种特殊的高性能热塑性塑料。恩骅力通过CAE仿真分析，综合考虑材料特性、齿轮结构和成型工艺，对齿轮齿形和箱体进行了优化设计，确保塑料部件在长期运转中具有足够的强度和精度。PA46材料在高温环境下仍能保持出色的刚度、强度和抗疲劳性能，并具备优异的耐磨损、耐刮擦、耐腐蚀特性及自润滑的低摩擦系数，非常适合用于高速传动齿轮。

SMFdrives的各组件细节。得益于Stanyl®聚酰胺46材料与轻量化优化设计，该齿轮箱重量约为同类金属产品的一半，生产成本降低约50%。

得益于PA46材料和创新齿轮设计的结合，塑料齿轮箱实现了远超传统方案的扭矩密度。在达到同等扭矩输出的情况下，塑料齿轮箱更轻巧紧凑。塑料齿轮方案还能够实现非常高的减速比，满足机器人关节对大扭矩、低转速的要求。这些特性对于机器人这样的应用尤为重要，使轻量化的齿轮箱依然能够提供强劲可靠的动力输出。过去市场上的塑料齿轮方案往往因为刚性不足、精度欠佳，难以应用于高扭矩机器人关节。Stanyl® PA46材料与SENTImotion全新齿形设计的结合成功克服了这一挑战，证明高性能塑料完全可以胜任严苛的机器人传动需求，实现质的飞跃。

轻量化设计提升性能与安全

整机重量的降低对机器人性能和安全带来了显著提升。机械臂关节减重后，驱动所需的动力更小，这直接降低了机器人的能源消耗。由于运动部件更轻，机械臂的响应速度更快，执行任务更加敏捷高效。

更重要的是，轻质齿轮箱带来的低惯性特性提升了机器人的协作安全性——当机器人与人类共同工作时，低惯性意味着碰撞时产生的力更小，更不易对人造成伤害。这使得机器人在实际应用中可以以更高的速度运行而不牺牲安全性，从而提高生产效率。

行业标准ISO/TS 15066对协作机器人在人机接触时的安全速度有明确限制。实践表明，采用塑料齿轮箱的机器人其安全运行速度显著高于标准要求。这不仅提高了现有协作机器人的工作上限，还有望推动行业对安全标准的更高制定。在机器人需要频繁与人互动的领域，如物流搬运、医疗辅助等，重量更轻且更安全的机器人将大大降低工伤风险，提升人机协作的可信赖度。

协作机器人市场的机遇与挑战

在工业自动化浪潮下，协作机器人正越来越多地出现在制造、农业、食品加工、仓储物流、医疗护理等场景中。这些机器人能够与人类并肩工作，加快生产流程，承担单调、危险或精细的任务，并帮助解决劳动力短缺问题。

据市场研究机构MarketsandMarkets预测，到2027年全球协作机器人市场规模将超过100亿美元。其中，设计用于有效载荷10公斤以下的小型协作机器人是增长最快的细分领域。这类机器人通常数量多、应用广，更需要在保证性能的同时降低成本和重量，以满足企业的大规模部署需求。

传统上，协作机器人的各类机械臂关节部件主要采用高强度金属制造，经久耐用但代价高昂。不仅材料和加工成本高，而且金属零件往往需要额外的涂覆、电镀等工序，涉及有害化学品，对环境和工人健康带来隐患。

金属部件的重量使机器人存在本体惯性过大的问题，一旦发生碰撞更容易对人造成伤害。正因如此，如何降低成本并提高安全性已成为协作机器人产业亟待解决的课题。

降本增效——注塑工艺与功能集成

高性能热塑性塑料的出现为解决传统难题提供了可行方案。

在降低制造成本方面，塑料件可采用注塑成型的大规模批量生产方式。一旦设计成熟，模具化生产能带来显著的规模经济效应。改用易于注塑加工的高质量聚合物材料，可为机器人制造商节省约30%的生产成本。

协作机器人往往由众多小型且形状复杂的部件组成，各部件对强度、韧性、尺寸稳定性以及耐热、电气性能有不同要求。而现代工程塑料能够针对不同需求提供定制化解决方案，在满足功能的前提下尽可能采用同一材料或减少材料种类，从而方便生产管理并降低采购和装配成本。

功能集成设计也是降低成本、提高可靠性的关键手段之一。塑料材料的可设计性强，可以将原先由多个金属件组合实现的功能整合到一体化塑件上。将支撑架与齿轮箱外壳合为一体，或在塑料件上直接成型导轨和卡扣。这减少了零件数量和装配工序，也消除了许多潜在的连接松动点，使系统更加简单可靠。

生物基材料与可持续发展

随着行业竞争加剧和环保意识提升，绿色可持续正在成为机器人产业新的竞争点。采购决策越来越多地考虑产品的碳足迹和可持续性——能够提供环保解决方案的协作机器人厂商将更具优势。

材料供应商也在积极推出生物基和再生塑料产品。恩骅力目前已拥有约150种含可持续成分（生物基或回收料）的工程材料牌号，并在研发全生物基或完全可循环再用的新材料。这意味着机器人厂商在追求轻量化、降成本的同时，还可以选择更环保低碳的材料方案。

除了Stanyl® PA46，恩骅力还提供了部分生物基材料如EcoPaXX® PA410用于机器人传动系统。EcoPaXX PA410是一种高性能聚酰胺，部分原料来自可再生的蓖麻油，实现了碳中和生产。在协作机器人齿轮和结构件中采用此类生物基材料，不仅同样能够降低重量和成本，还进一步减少了产品生命周期的碳排放。由轻质材料降低运行能耗叠加可持续材料减少制造碳足迹，机器人行业正朝着更加环保的方向发展。

从材料到量产的全方位支持

要成功将金属零件替换为工程塑料，除了材料本身，专业的技术支持也至关重要。选择不当的材料可能导致反复设计修改，造成时间和经济损失。恩骅力在提供材料之余，更通过全面的应用工程支持来确保客户顺利完成从设计到量产的转换。

以恩骅力的产品组合为例，高性能材料几乎覆盖协作机器人各关键部件的需求——从结构支撑件的Xytron™ PPS、ForTii® PPA，可替代沉重且昂贵的铝合金，到齿轮传动系统的Stanyl® PA46、EcoPaXX® PA410，用于减重降本的高强度齿轮，再到末端执行器如Arnitel® TPE在缓冲护罩、电缆护套、柔性夹具上的应用，以及连接器和传感器所需的PA6、PBT等耐高温高稳定性材料。通过提供齐全的材料解决方案，供应商可以帮助机器人设计者一次性选定最适合的材料，避免走弯路。

在产品开发各阶段提供的CAE模拟与测试服务，也是成功转向塑料方案的关键。恩骅力团队利用先进的计算机辅助工程手段，在设计早期就评估纤维取向、浇口和熔接线位置等对零件短期和长期性能的影响，预测塑料部件的疲劳寿命，确保设计满足强度和寿命要求。他们还协助优化模具设计、成型工艺和零件检测流程，加速产品验证和量产爬坡。与材料供应商紧密合作，机器人制造商可以大幅缩短开发周期，以更快速度将轻量化、低成本、可持续的新一代协作机器人推向市场。

从齿轮箱这一关键部件入手，机器人行业正掀起一场轻量化革命。

恩骅力与SENTImotion、福根集团的跨界合作表明，高性能工程塑料结合创新设计，完全能够突破传统金属方案的限制，实现机器人更轻盈、更高效、更安全、更环保的发展目标。

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