Planetary Gearbox

• Detto anche: epicyclic gearbox, epicyclic gear train, planetary gear reducer, planetary reducer, Planetary Gear, Planetary Drive
• Categoria: Actuation & drivetrain › Transmission
• Tag: gearbox, transmission, actuator, mechanical-design, robot-arm, torque

Sistema di trasmissione a ingranaggi in cui più satelliti ruotano attorno a un solare centrale all'interno di una corona, offrendo un'elevata moltiplicazione della coppia in un ingombro compatto.

Definizione

Un riduttore planetario (detto anche rotismo epicicloidale) è un sistema di trasmissione a ingranaggi composto da tre elementi principali: un ingranaggio centrale detto solare, più ingranaggi satelliti montati su un portasatelliti e una corona esterna a dentatura interna. I satelliti ingranano contemporaneamente sia con il solare sia con la corona, distribuendo il carico su più denti. Bloccando elementi diversi e usandone altri come ingresso e uscita si possono ottenere vari rapporti di riduzione. In robotica la configurazione più comune blocca la corona, usa il solare come ingresso e preleva l'uscita dal portasatelliti.

Il vantaggio principale dei riduttori planetari è la loro eccezionale densità di coppia, ossia la capacità di trasmettere una coppia elevata in un ingombro ridotto e con poco peso. Poiché più satelliti si dividono il carico (in genere da 3 a 5), ogni dente sopporta meno forza che in una semplice coppia di ingranaggi cilindrici a denti dritti, e il meccanismo nel suo complesso può essere più compatto. Il design coassiale, con alberi di ingresso e di uscita allineati sullo stesso asse, semplifica l'integrazione meccanica nei giunti robotici rispetto alle disposizioni con ingranaggi ad assi sfalsati.

In robotica i riduttori planetari offrono tipicamente rapporti di riduzione tra 3:1 e 100:1 in un singolo stadio, mentre le versioni a più stadi raggiungono rapporti di 1000:1 o più. Il rendimento di un singolo stadio è tipicamente del 95-97%, ma diminuisce con ogni stadio aggiuntivo. Il rapporto di riduzione dipende dal numero di denti del solare e della corona: rapporto = 1 + (denti della corona / denti del solare) quando la corona è bloccata.

Il gioco, cioè il piccolo spazio angolare tra i denti degli ingranaggi in presa, è un problema importante nelle applicazioni robotiche che richiedono un posizionamento preciso. I riduttori planetari standard hanno un gioco misurabile che può limitare la precisione di posizionamento. I riduttori planetari di precisione riducono il gioco grazie a tolleranze di lavorazione più strette e a soluzioni precaricate, ma a un costo maggiore. Per le applicazioni che richiedono gioco nullo si preferiscono spesso i riduttori armonici o i riduttori cicloidali, nonostante i loro compromessi.

I riduttori planetari si trovano in tutta la robotica: nei giunti dei bracci robotici, nella trazione delle ruote dei robot mobili, nei meccanismi di brandeggio (pan-tilt) e negli attuatori rotativi. Tra i principali produttori figurano Maxon (per i robot piccoli), Harmonic Drive (che produce anche i riduttori a onda di deformazione che portano il suo nome), Neugart, Nabtesco e Apex Dynamics. La scelta tra riduttori planetari, riduttori armonici e riduttori cicloidali è una delle decisioni meccaniche fondamentali nella progettazione dei giunti di un robot.

Perché è importante

I riduttori planetari sono la trasmissione più comune in robotica: colmano il divario tra motori che girano ad alta velocità e il movimento a bassa velocità e coppia elevata richiesto dai giunti dei robot. Comprenderne le caratteristiche (rapporto di riduzione, rendimento, gioco e capacità di coppia) è essenziale per chiunque progetti o scelga attuatori per robot.

Applicazioni principali

• Giunti dei bracci robotici: convertire la rotazione ad alta velocità del motore in un movimento del giunto ad alta coppia
• Trazione delle ruote dei robot mobili: ridurre i giri dei motori per ottenere velocità e coppia adeguate alle ruote
• Meccanismi di brandeggio delle telecamere: azionamenti compatti e coassiali per il posizionamento della telecamera
• Meccanismi satellitari e aerospaziali: attuazione rotativa leggera e ad alta affidabilità
• Trasmissioni dei veicoli elettrici: riduzione a stadio singolo tra motore e ruote
• Estrusori delle stampanti 3D: riduzione compatta per l'avanzamento del filamento

In pratica

Quando progetta un braccio robotico a 6 gradi di libertà, l'ingegnere affronta a ogni giunto una decisione classica: quale riduttore usare. I giunti di spalla e gomito, che sopportano i carichi maggiori, usano spesso riduttori planetari con rapporti da 50:1 a 100:1 abbinati a motori brushless frameless. I giunti del polso, che richiedono maggiore precisione e meno coppia, possono invece usare riduttori armonici. Il giunto di rotazione della base usa spesso un grande riduttore planetario, perché deve sostenere il peso dell'intero braccio mentre ruota.

Nel mondo hobbistico e didattico, i riduttori planetari si trovano praticamente in ogni motore CC con riduttore e in ogni servo. Quando un maker acquista un "motore con riduttore da 100 giri/min", la testa riduttrice è quasi sempre un piccolo riduttore planetario che converte gli oltre 10.000 giri/min del motore nella velocità di uscita desiderata. Saperlo aiuta nella scelta dei motori: il riduttore determina non solo la velocità ma anche la capacità di coppia, il rendimento e la precisione di posizionamento dell'attuatore completo.

Idee sbagliate comuni

• I riduttori planetari sono sempre migliori dei riduttori armonici: ciascuno ha i suoi compromessi; i riduttori armonici offrono gioco nullo e rapporti più alti in un singolo stadio, ma con un rendimento inferiore
• Un rapporto di riduzione più alto significa sempre prestazioni migliori: i rapporti elevati riducono la reversibilità e possono far sembrare il robot pesante e poco reattivo
• Tutti i riduttori planetari hanno un gioco significativo: i riduttori planetari di precisione raggiungono un gioco inferiore a 1 minuto d'arco, adatto a molte applicazioni di precisione
• I riduttori planetari sono intercambiabili con qualsiasi motore: un corretto abbinamento di velocità, coppia e inerzia del motore alle specifiche del riduttore è fondamentale per un funzionamento affidabile

Chi dovrebbe saperlo

• Ingegneri meccanici che progettano giunti robotici e gruppi attuatori
• Ingegneri robotici che scelgono le trasmissioni per sistemi azionati da motori
• Hobbisti e maker che costruiscono bracci robotici o robot mobili su misura
• Ingegneri dell'automazione industriale che specificano gli azionamenti per sistemi robotici
• Studenti di progettazione meccanica e trasmissione di potenza

Tecnologie correlate

• Riduttore armonico
• Riduttore cicloidale
• Ingranaggio cilindrico a denti dritti
• Vite senza fine
• Riduttore a onda di deformazione (strain wave)
• Reversibilità

Termini correlati

• Cycloidal Drive
• Backlash
• Gear Ratio
• Backdrivability

Progetti correlati

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• Ruckig: Real-time jerk-constrained time-optimal trajectory generation for robots and machines
• OpenManipulator-X: ROBOTIS modular robot arm with DYNAMIXEL servos and full ROS 2 and MoveIt support

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