Planetary Gearbox
- 又稱: epicyclic gearbox, epicyclic gear train, planetary gear reducer, planetary reducer, Planetary Gear, Planetary Drive
- 類別: Actuation & drivetrain › Transmission
- 標籤: gearbox, transmission, actuator, mechanical-design, robot-arm, torque
一種齒輪傳動系統，多個行星齒輪在環齒輪內繞著中央的太陽齒輪旋轉，以緊湊的組件提供高扭矩倍增。
定義
行星減速機（又稱周轉輪系）是一種齒輪傳動系統，由三個主要元件組成：中央的太陽齒輪、裝在行星架上的多個行星齒輪，以及外側的環齒輪（內齒圈）。行星齒輪同時與太陽齒輪和環齒輪嚙合，把負荷分散到多個齒上。透過固定不同的元件，並以其他元件作為輸入與輸出，可以得到各種減速比。在機器人中，最常見的配置是固定環齒輪、以太陽齒輪為輸入，並從行星架取得輸出。
行星減速機的主要優點是出色的扭矩密度，也就是能以小巧、輕量的組件傳遞高扭矩。由於多個行星齒輪分擔負荷（通常 3-5 個行星齒輪），每個齒承受的力比單純的一對正齒輪小，讓整個機構可以更加緊湊。同軸設計讓輸入軸與輸出軸位於同一軸線上，與偏置的齒輪配置相比，更容易整合進機器人關節。
機器人中的行星減速機通常在單段提供 3:1 到 100:1 的減速比，多段設計則可達 1000:1 以上。單段效率通常為 95-97%，但每多一段就會降低。減速比取決於太陽齒輪與環齒輪的齒數：固定環齒輪時，減速比 = 1 +（環齒輪齒數 / 太陽齒輪齒數）。
背隙，也就是嚙合齒之間微小的角度間隙，在需要精確定位的機器人應用中是一大考量。標準行星減速機有可量測的背隙，可能限制定位精度。精密行星減速機透過更嚴格的製造公差與預壓設計來減少背隙，但成本較高。對於需要零背隙的應用，雖然諧波減速機或擺線減速機各有其取捨，但往往更受青睞。
行星減速機遍布機器人的各個角落：機器手臂關節、移動機器人車輪驅動、雲台機構與旋轉致動器。主要製造商包括 Maxon（用於小型機器人）、Harmonic Drive（他們也生產以公司名稱命名的應變波齒輪）、Neugart、Nabtesco 與 Apex Dynamics。在行星減速機、諧波減速機與擺線減速機之間做選擇，是機器人關節設計中最基本的機械設計決定之一。
為何重要
行星減速機是機器人中最常見的傳動機構，銜接高速旋轉的馬達與機器人關節所需的高扭矩、低速運動。了解它的特性，包括減速比、效率、背隙與扭矩容量，對任何設計或挑選機器人致動器的人都不可或缺。
主要應用
- 機器手臂關節：把馬達的高速旋轉轉換成高扭矩的關節運動
- 移動機器人車輪驅動：為馬達減速，以得到合適的車輪轉速與扭矩
- 攝影機雲台機構：用於攝影機定位的緊湊同軸驅動
- 衛星與航太機構：輕量、高可靠度的旋轉致動
- 電動車傳動系統：馬達與車輪之間的單段減速
- 3D 印表機擠出機：用於送料的緊湊齒輪減速
實際應用
設計 6 自由度機器手臂時，工程師在每個關節都面臨一個典型的抉擇：該用哪種減速機。承受最大負荷的肩關節與肘關節，常使用減速比 50:1 到 100:1 的行星減速機，搭配無框無刷馬達。需要更高精度、較低扭矩的腕關節，則可能改用諧波減速機。底座旋轉關節常使用大型行星減速機，因為它必須在旋轉時支撐整支手臂的重量。
在愛好者與教育領域，幾乎每一顆減速直流馬達與伺服機裡面都有行星減速機。當創客買下一顆「100 RPM 減速馬達」時，它的減速頭幾乎總是一個小型行星減速機，把馬達 10,000+ RPM 的轉速轉換成想要的輸出轉速。了解這一點有助於挑選馬達：減速機決定的不只是轉速，還有整個致動器的扭矩容量、效率與定位精度。
常見誤解
- 行星減速機一定比諧波減速機好：兩者各有取捨；諧波減速機在單段就能提供零背隙與更高的減速比，但效率較低
- 減速比越高，效能一定越好：高減速比會降低可回驅性，可能讓機器人感覺笨重、反應遲鈍
- 所有行星減速機都有明顯的背隙：精密行星減速機的背隙可低於 1 弧分，適合許多精密應用
- 行星減速機可以搭配任何馬達互換使用：讓馬達的轉速、扭矩與慣量和減速機規格正確匹配，是可靠運作的關鍵
誰需要了解
- 設計機器人關節與致動器組件的機械工程師
- 為馬達驅動系統挑選傳動機構的機器人工程師
- 打造客製機器手臂或移動機器人的愛好者與創客
- 為機器人系統指定驅動規格的工業自動化工程師
- 研究機械設計與動力傳動的學生
相關技術
- 諧波減速機
- 擺線減速機
- 正齒輪
- 蝸輪
- 應變波齒輪
- 可回驅性
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