Gear Ratio

又稱: Reduction Ratio, Transmission Ratio, Speed Ratio
類別: Actuation & drivetrain › Ratings
標籤: gears, transmission, actuation, sizing

馬達要轉幾圈才能讓輸出轉一圈：這個數字以速度換取扭矩，也默默決定了大部分的關節行為。

定義

減速比是傳動機構中輸入與輸出轉動之間的比值，寫成 15:1 或 100:1。15:1 的驅動讓馬達轉十五圈，輸出才轉一圈，作為交換，扭矩大約放大十五倍，再扣除損耗。

這些只是算術。讓減速比值得深入了解的，是它所決定的其他一切。反射慣量，也就是推動輸出端時馬達感覺起來有多重，會隨減速比的平方增加，因此減速加倍會讓關節難以回驅四倍。輸出轉速則成比例下降，對步行機器人來說這可能比扭矩更重要。背隙與順應性都會逐段累積，因此透過多段達到高減速比會犧牲精度。效率則會相乘：三段各 90%，最後只剩 73%。

這就是為什麼減速比是看致動器規格時第一個要看的數字，也是最不該隨意更改的數字。選擇 6:1 而不是 60:1，並不是對同一個設計做小幅調整；它會產生一台根本不同的機器，能採用的控制策略也不同。

為何重要

幾乎每一項對機器人關節的抱怨，都可以追溯到它的減速比。扭矩不足、太慢、無法用手推動、感覺不到接觸、反轉時游移，這些全都是換了外衣的減速比決定。它也是最常被直接照抄別人的作品、卻沒問對方在最佳化什麼而選定的數字，專案就是這樣做出強壯卻遲鈍又僵硬的關節，而它們需要的其實是順應又快速的關節。

主要應用

依關節實際需要的扭矩與速度選定致動器規格
判斷關節能否回驅，或必須使用力感測器
比較單段與多段傳動設計
從馬達的額定 RPM 估計輸出轉速與週期時間
診斷關節為何強壯但緩慢，或快速但無力

實際應用

機器人中的典型數值：最重視可回驅性的準直驅足式關節為 6:1 到 10:1；愛好者手臂中的列印擺線減速段為 15:1 到 40:1；以精度與剛性為重、使用諧波減速機的工業手臂關節為 50:1 到 160:1。多段設計的減速比會相乘，例如 5:1 的皮帶接上 20:1 的減速箱，總共是 100:1，而每一段都會加入自己的背隙、摩擦與損耗，這就是為什麼單一段高減速比常比兩段便宜的減速更受青睞。

常見誤解

減速比越高就只是扭矩越大：它也會讓反射慣量按平方增加並摧毀可回驅性，而這通常是更大的後果
減速比與扭矩會精確相乘：由於損耗，實際輸出扭矩總是低於算術數值，多段設計低得更多
兩段 10:1 等於一段 100:1：同樣的減速比，卻帶來兩倍的背隙、更多的摩擦與更低的效率
如果關節無力，之後再提高減速比就好：減速會同時改變速度、慣量與控制策略，因此那是重新設計，而不是替換

誰需要了解

任何為關節選定馬達與減速箱規格的人
關節強壯但太慢，或快速但太無力的打造者
任何在比較不同設計之致動器規格表的人
學習機構設計核心之速度與扭矩取捨的學生
任何在不知道某個致動器設計為何而最佳化的情況下照抄它的人

影片

Gears Explained - mechanical engineering: The Engineering Mindset
How do Gear Ratios Work?: Concerning Reality

Open Source Robotics