Cycloidal Drive

又稱: Cycloidal Reducer, Cycloidal Gearbox, Cyclo Drive, Cycloidal Speed Reducer
類別: Actuation & drivetrain › Transmission
標籤: gears, transmission, actuation, 3d-printing, backlash

高減速比的減速機構，由偏心軸推動帶凸瓣的圓盤沿固定銷滾動；因耐衝擊、背隙低而受機器人關節青睞。

定義

擺線減速機是一種高減速比的減速機構：輸入軸帶動偏心軸承旋轉，偏心軸承再推動一片帶有凸瓣的圓盤（擺線盤）沿著一圈固定銷滾動。擺線盤的凸瓣比銷的數量少一或兩個，因此輸入軸每轉一整圈，擺線盤只前進這個差額。這個差異就是減速的來源：單一緊湊的級數就能常規達到 10:1 到 100:1 的減速比，輸出則由穿過擺線盤上加大孔洞的第二組銷取出。

由於扭矩是同時由許多處於滾動接觸的銷承擔，而不是由一兩個嚙合的齒輪齒承擔，擺線減速機能把負荷廣泛分散，耐衝擊能力遠優於同等級的行星減速機或諧波減速機。接觸以滾動為主而非滑動，因此效率尚可、磨耗低。代價是偏心運動本身並不平衡，所以實用的設計會使用兩片相位相差 180 度的擺線盤來抵銷振動，而且這種幾何對製造誤差非常敏感。

在機器人領域，它介於行星減速機與諧波減速機之間。行星減速機便宜又強韌，但背隙明顯；諧波減速機背隙接近零、剛性很高，卻不耐衝擊且昂貴；擺線減速機則在低背隙之外還具備真正的耐衝擊性，成本與複雜度介於兩者之間。它尤其已成為 3D 列印機器人關節的預設選擇，因為其齒形是可以列印的曲線，而不是需要切削的齒輪齒，銷也可以使用現成的定位銷或軸承。

為何重要

選擇減速機決定的是一個關節能承受什麼，而不只是它能舉起什麼。擺線減速機讓業餘預算的手臂或腿部被撞一下也不會崩齒：分布在許多銷上的滾動接觸能吸收足以損壞諧波減速機的衝擊。它也是自造者社群在列印致動器上一致採用的傳動方式，因為它的幾何是印表機能準確做出的曲線，而精密的齒輪齒則做不到。了解擺線減速機在行星與諧波之間的定位，就足以讓你以批判的眼光閱讀致動器規格書。

主要應用

工業機器手臂的基座與肩部關節，這裡的衝擊負荷最大
3D 列印的機器人致動器，其凸瓣齒形比齒輪齒更能準確列印
必須承受足部著地衝擊的腿式機器人關節
需要在單一緊湊級數內達到高減速比的變位機與轉台
希望低背隙、又不想承受諧波減速機脆弱性的外骨骼與協作型關節
必須以單一級數取代多級行星齒輪系的改裝致動器

實際應用

典型的機器人關節做法是把無刷馬達搭配一級 15:1 到 40:1 的擺線減速，用兩片相位相反的擺線盤平衡偏心，並在輸出端裝上絕對式編碼器。Berkeley Humanoid Lite 正是採用這種配置，搭配 3D 列印的 15:1 擺線減速機，這讓開源人形機器人的關節不需機械加工齒輪也能做得出來。在商用領域，同樣的原理出現在 Nabtesco RV 與 Sumitomo Cyclo 產品中，它們承擔大多數工業手臂的重負荷關節，也就是衝擊負荷最大的基座與肩部軸；較輕的腕部軸則較常使用諧波減速機。

常見誤解

擺線代表零背隙：它是低背隙，通常約一弧分，而諧波減速機更接近零
它只是外觀奇特的行星減速機：它的負荷路徑是銷上的滾動接觸，而不是嚙合的漸開線齒，耐衝擊性正是由此而來
減速比高，所以只要用力推就能回驅：與其他高減速比減速機一樣，它實際上不可回驅，這一點對安全很重要
列印的擺線減速機與機械加工的一樣好：列印版本能用，但在剛性、精度與散熱餘裕上都有所犧牲

誰需要了解

任何自行設計或列印機器人致動器的人
為關節在行星、擺線與諧波之間做選擇的工程師
減速機總是在衝擊下而非穩定負荷下損壞的製作者
任何閱讀致動器規格書、比較以弧分表示之背隙數值的人
想了解工業手臂關節為何與業餘伺服機關節不同的學生

影片

How does a cycloidal gearbox work? | Structure and function simply explained | parametric equation: tec-science
What makes cycloidal gearboxes so amazing?: 3D Printer Academy
3d Printed Cycloidal Drive for Robot Arms: RoTechnic

Open Source Robotics