2015年至2021年间,国内的工业机器人对减速器需求从26.3万台增长至93.11万台,而谐波减速器对于工业机器人而言是组成关节部位的关键部件。目前国内的机器人用谐波减速器三分之一的市场仍然被日本企业Harmonic Drive占据,国内虽然也有绿的谐波这样的企业正在崛起,但是国内的谐波减速器的综合性能还是略显不足。本文打算从影响谐波减速器综合性能中的齿形方面入手,以啮合侧隙较为稳定的S齿形作为研究对象,以Matlab与Workbench软件为辅助工具,对S齿形进行了平面齿廓设计、空间齿廓设计与啮合特性分析。最后通过仿真分析表明了柔轮进行空间齿廓设计的必要性并能提升谐波齿轮的传动精度与寿命,本文主要完成了如下工作:首先,引入了凸集积分几何来描述柔轮原始曲线,以支撑函数为余弦曲线形式推导了柔轮原始曲线方程与谐波齿轮传动各构件的角度关系。对谐波减速器中主要构件进行了选型与设计并对容易发生失效的柔轮与柔性轴承进行校核。其次,由原始曲线运动轨迹对理想运动状态下的S齿形进行设计,考虑柔轮齿廓在运动过程中存在齿廓偏转对S齿形进行平面齿廓修形。为了验证平面修形效果,对平面修形后的S齿廓进行了一系列啮合特性分析,包括柔轮齿廓相对刚轮齿槽的运动轨迹分析、柔轮与刚轮的装配状态分析、齿廓运动过程的侧隙值变化分析。然后,使用柔轮母线线性变形假设与仿真结果分别对平面修形后的S齿廓进行空间齿廓设计,考虑到刚轮较柔轮难以实现空间齿廓加工,故最后拟定对柔轮齿廓进行变位的方式完成空间齿廓设计。这两种方法均需要将柔轮由主截面分为前后两段,在得到每个截面的初始壁厚调整量后,通过不断减少调整量数值得到齿廓运动轨迹无干涉状态下的最终壁厚调整量。对空间齿廓设计后的柔轮典型截面的啮合特性进行分析。最后,对两种空间齿廓设计与平面齿廓设计的谐波减速器进行有限元模型建立,对上述两种减速器的整体与柔轮的应力与变形进行了分析,对两种空间齿廓设计的减速器的柔轮应力与径向变形、齿廓接触压强进行了分析,验证了空间齿廓设计的必要性且基于仿真设计得到的柔轮综合性能相对较好。