为机器人项目打造专属的3D打印高减速摆线齿轮箱

摆线传动是机器人技术的核心。它们是一种高性能的齿轮箱，广泛应用于机械臂、人形机器人和四足机器人中，已成为工业标准。其显著特点是高精度，这得益于极小的回差。与谐波传动等其他驱动方式相比，摆线传动的独特之处在于可通过增材制造技术高效且低成本地生产，使得业余爱好者和发烧友能够在家廉价地打印此类传动装置。

工作原理：

与使用齿轮的传统变速箱相比，摆线传动采用的是摆线齿轮。摆线是一种数学图形，由滚动圆边缘上的一个点所描绘而成。这种摆线形状在圆形轮廓周围重复出现，形成“齿”。以下是摆线传动中的摆线齿轮：

通常，摆线齿轮箱内包含两个摆线齿轮。如上图所示，上方的齿轮为标准排列，具有15个摆线;下方的齿轮相对于上方的齿轮相位偏移了180度。两个摆线驱动装置也以偏心方式分开布置。这样做是为了抵消摆线齿轮与齿轮箱壳体接触时产生的振动。下图展示了这一概念。您还会注意到，在摆线齿轮每一点旋转过程中，总有一个摆线始终与齿轮箱壳体接触。

理解传动比：

在齿轮箱和传动系统计算中，最重要的概念可能是齿轮减速比或齿轮比。该数值说明了与电机输入相比，扭矩或转速将增加到何种程度。通常，这一数值是根据齿轮齿数来计算的。例如，当考虑一个20齿齿轮和一个10齿齿轮的啮合时，齿轮比就是输出齿轮(10齿)的齿数除以输入齿轮(20齿)的齿数：因此，比值为1:2。这意味着输入齿轮每转一圈，输出齿轮就转两圈，从而实现转速的提升。

摆线齿轮箱的情况略有不同。要计算摆线传动的齿轮比：将内齿圈叶片的数量(本例为15)除以外销钉数量(16)减去内齿圈叶片数量(15)，从而得到15:1的比值。这意味着内轴需要旋转15次，才能使外轴转一圈，这表明扭矩显著增加。

当然，这个计算仅考虑了理想情况。实际上，由于摩擦和材料限制导致的能量损耗，齿轮比会更低。我们将在后续章节中讨论我的“真实”结果。

装配流程：

•将电机连接到底座：

•将电机轴连接到套筒上：

•带10mm×22mm×6mm轴承的压入式摆线齿轮：

•将两个摆线齿轮连接到偏心轴上：

•使用焊锡枪将嵌件插入底座上的各种孔中：

组装外置滚轮：

•带有偏心轴和外滚轮基座的摆线齿轮组件连接：

•在摆线和轴承的每个接触面处涂抹润滑脂：

组装内部滚轮：

•使用焊锡枪将嵌件插入内部转子的各个孔中：

•将滚轮安装到转子上：

•将轴承安装到转子上：

•将盖帽安装到轴承和转子上：

将帽盖安装到底座上：

测试与最终结果：

最终结果表明，摆线驱动在100毫米距离下可产生1.7公斤的力，从而产生1.67牛·米的扭矩。传统上用于计算传动效率的公式如下：实际值/期望值，其中期望扭矩是忽略摩擦及其他因素的理想情况。对于15:1的减速比，期望扭矩为3牛·米。因此：1.67除以3得到效率为55%。

结论：

摆线齿轮是机器人传动系统未来的方向。其独特之处在于体积相对较小，但齿轮减速比高。此外，它们具有低回差、噪音小的特点，而且使用3D打印机和一些现成零件，非常容易在家制作。接下来需要对3D摆线驱动进行改进的步骤，是通过优化材料选择或润滑方式来提高效率。

本文编译自hackster.io