![](https://habrastorage.org/webt/ip/kw/vu/ipkwvuuzdmye7n4xnky0fiay2y8.gif)
В робототехнических проектах зачастую требуется использование разнообразных редукторов и передач. Слабым местом таких конструкций остаётся их относительная громоздкость и, соответственно, дороговизна.
В этой статье мы поговорим о том, как можно решить этот вопрос наиболее простым способом.
Классический вариант решения такой задачи сразу раздувает бюджет и вес конструкции: планетарный редуктор.
Проверено, надёжно, всё понятно: состоит из как бы трёх слоёв шестерней — серединная, промежуточные (сателлиты) и внешняя.
У такого редуктора возможно несколько вариантов, где крайними являются следующие: в первом случае — когда внешняя шестерня заблокирована и соединена с корпусом редуктора:
![image](https://habrastorage.org/getpro/habr/post_images/93d/5f3/194/93d5f3194ab7e9778ecb529cbeb06753.gif)
Другими словами, в этом варианте, например, электродвигатель приводит в действие центральную шестерню, а сателлиты уже связаны с полезной нагрузкой, которую и приводят в движение.
В противовес ему существует ещё и второй вариант — когда электродвигатель приводит в действие внешнюю шестерню, вращение которой передаётся на сателлиты, к которым подключена полезная нагрузка:
![image](https://habrastorage.org/getpro/habr/post_images/d54/897/bc7/d54897bc701c21b0d05909002ed79195.gif)
Кроме того, возможен и вариант, где электродвигатель приводит в движение центральную шестерню, а полезная нагрузка подключена к внешней шестерне:
![image](https://habrastorage.org/getpro/habr/post_images/a38/f35/d08/a38f35d08b588a5290607baac79b1d80.gif)
Количество вариантов не ограничивается только этими, более подробно вы можете прочитать об этом, например, вот здесь.
Насколько я могу судить, по крайней мере, по видео ниже, где человек постарался создать мотор-редуктор своими руками (собранный по третьей из схем, показанных выше), — в известных робособаках используются планетарные двигатели, как раз этой схемы:
Если у вас есть больше информации по этому вопросу, то буду рад прочитать в комментариях.
Тем не менее, а что насчёт гибких шестерней? Как ни странно, такие существуют!
Самое раннее упоминание об этом вопросе мне удалось найти ещё в литературе 1960 годов, где в качестве изобретателя подобной передачи называется американский изобретатель Ч. В. Мессер, который дал название новому типу появившейся передачи как «гармонической», а в настоящее время, их ещё называют «волновыми»:
![image](https://habrastorage.org/webt/id/s3/x9/ids3x97bihrdscfthmtu-gu6k30.jpeg)
На картинке выше, в левой части показана гибкая передача, а в правой части — как то же самое могло бы быть выполнено с использованием жёстких передач (обычных шестерней).
Кстати говоря, ниже будет ещё один редуктор, под названием «волновой» — но тут, чтобы их отличать, наверное, имеет смысл называть их всё же «гармонический» и «циклоидальный» (он будет ниже).
Насколько можно судить по литературе, создание такого редуктора явилось делом побочным, а основной задачей, которую пытались решить инженеры в течение долгих лет — являлась передача движения через герметичную стенку, так как активное развитие промышленного производства диктовало свои условия к герметичности аппаратов. Сальники, с помощью которых обычно герметизируют вращающиеся валы, — уже не удовлетворяли требованиям, особенно это касалось атомной сферы и химических производств, где даже малейшая утечка будет грозить огромными проблемами. Поэтому необходимо было разработать такой способ, который бы обеспечил передачу вращения, и в то же время, дал абсолютную герметичность.
В качестве справки, для тех, кто не знает: сальником называется специальная прокладка, плотно надевающаяся на вращающийся вал с одной стороны, а с другой стороны — плотно соединённая с корпусом устройства.
При достаточно высокой чистоте (т. е. гладкости) обработки поверхности вала — такой способ герметизации оказывается в подавляющем большинстве случаев весьма надёжным.
Кроме того, так как сальники обычно используются для герметизации объёмов аппаратов, заполненных какой-либо жидкостью, эта жидкость неизбежно проникает в зазор между валом и сальником, и её микронная плёнка, образующаяся между ними, служит дополнительным средством герметизации.
Просто для понимания, насколько высокую степень герметичности могут обеспечивать жидкостные плёнки: в маленьких двигателях внутреннего сгорания, использующихся для приведения в движение игрушечных моделей, зачастую у поршня отсутствуют поршневые кольца — их роль выполняет тонкая плёнка из бензина и масла, находящаяся в промежутке между поршнем и стенкой цилиндра.
У меня нет данных по поводу того, какое давление образуется в момент вспышки в этих двигателях, однако в более крупных их собратьях, использующихся для бензокос, это давление составляет порядка 60 бар. Более подробно об этом можно почитать тут.
Итак, вернёмся обратно к нашему вопросу…
В самом простом варианте такая гибкая передача содержит три элемента:
- внешнюю жёсткую шестерню, обращённую зубцами внутрь,
- гибкую внутреннюю шестерню эллиптической формы, обращённую зубцами наружу. Количество зубцов должно быть меньше, чем на внешней шестерне; разница в количестве зубцов должна быть равна количеству роликов или кратна ей,
- двух гладких роликов, укреплённых на планке, вращаемых электродвигателем — они называются волнообразователем.
Количество роликов не обязательно должно быть таким — могут быть варианты и с большим количеством.
Касательно принципа действия — возможны три варианта сборки, в которых один из элементов является неподвижным, а два остальных движутся.
Что касается конкретного конструктивного исполнения, то их может быть большое количество видов: например, как показанный выше вариант, где жёсткая шестерня находится снаружи, а гибкая внутри, прижимаемая вращающимися роликами в центре — к внешней шестерне.
Также возможен интересный вариант конструкции, где внешняя гибкая шестерня находится снаружи жёсткой, а прижатие осуществляется шариками или роликами одного диаметра, расположенными на внешнем корпусе:
![image](https://habrastorage.org/webt/9-/wn/a3/9-wna3bl90lbt-gg0pwvehbtnp0.jpeg)
Как можно видеть, на картинке выше показан один из вариантов реализации гибкой шестерни: в виде тонкостенного металлического стакана из пружинной стали, который изгибается при прокатывании по нему шариков/роликов.
При этом любопытным является то, что могут быть одновременно использованы шарики/ролики разного диаметра, таким образом, в момент вращения конструкции происходит распределение нагрузки, усиливаясь только в те моменты, когда нужно. И, вероятно, такое решение позволит уменьшить износ в целом (т. е. там, где не нужно — прижимаем слабо, там, где нужно — прижимаем сильно и передаём большое усилие).
Плюсом такого типа передачи является возможность реализации больших передаточных чисел, даже 1: 1 000 000, что позволяет достичь высоких степеней точности перемещения. А само её устройство даёт возможность передавать большие усилия, так как одновременно в сцеплении находится целый ряд зубьев, а другие, смежные, находятся в частичном сцеплении, как бы подстраховывая основное место сцепления, в случае возникновения динамических перегрузок (удары, рост усилия).
Кроме того, дополнительным средством усиления передаваемого момента является возможность создания конструкции с множеством роликов.
Ну и, кроме того, как уже говорилось выше, неординарным качеством такой передачи является возможность передавать вращательное движение через герметичную стенку — в таком случае, герметичная труба делается гибкой, и на каком-то её участке внутри нарезаются (или иным способом формуются) зубцы шестерни.
Прокатываясь по внешнему диаметру трубы, ролики прижимают зубцы трубы к расположенной внутри трубы жёсткой шестерне, связанной, например, с клапаном для перекрытия, и, соответственно, вращение этой шестерни открывает/закрывает клапан.
Среди основных минусов такой гибкой передачи называют большую нагруженность всех элементов и недостаточную прочность на скручивание.
Что, тем не менее, не мешает её использовать в современной робототехнике, в виду:
- простоты конструкции,
- небольших получающихся габаритов,
- высокого передаточного числа, а, соответственно, и реализации высокой точности перемещений,
- возможности передавать большие усилия, несмотря на компактную конструкцию,
- тихой работы, так как гибкая шестерня, постоянно прижатая к внешней жёсткой шестерне и центральному волнообразователю — эффективно гасит все возникающие вибрации,
- простоты реализации на обычном бытовом 3D принтере.
Ради интереса я решил посмотреть, а не делал ли кто-нибудь современную реализацию такой передачи?
Мне удалось найти достаточно подробное исследование, где автор реализовал такую передачу для перемещения своей фотокамеры — то есть, на её базе построил роботизированную руку (так как покупная готовая робо-рука стоила слишком дорого).
После множества промежуточных итераций редуктор успешно получился и стал развивать усилие в 10 Нм.
В качестве небольшого спойлера: если бы он взял двигатель не с круглым валом, а со срезанным, то мучился бы меньше с переделками:
Плюсом проекта выше является то, что автор выложил все исходники, — не только программного обеспечения (для тестирования системы), но и исходные файлы 3D моделирования, а также готовые stl файлы для 3D печати. Всё это можно найти здесь.
В завершение рассказа можно посмотреть познавательный старый ролик о волновых передачах:
В качестве интересной альтернативы рассмотренной выше передаче, выступает «циклоидальная» передача:
![image](https://habrastorage.org/getpro/habr/post_images/73f/862/b59/73f862b59c54fcb86917c4c98050f9b6.gif)
Ещё одной альтернативой является использование усовершенствованного варианта — волнового редуктора с промежуточными телами качения.
Также в этом проекте любопытно то, что выложены исходники для 3D печати, а также генератор профиля тел.
Тем не менее, такой редуктор тоже имеет свои недостатки, о которых можно узнать, почитав комментарии. В частности, там отписался человек, защитивший кандидатскую диссертацию в МАИ по этому вопросу, который и расставил все точки над «и»: что такой редуктор отличается большим люфтом, низким КПД, а также низкой жёсткостью на скручивание, что и ограничивает его практическое промышленное применение.
Кроме того, люфт ещё и увеличивается со временем, так как шарики прокатывают канавку, таким образом, если в качестве промежуточных тел что и использовать — то только ролики…
Тем не менее, в познавательных целях, ролик ниже интересен, а сам автор подчёркивает, что по сравнению с его редуктором, классический гармонический редуктор, с гибкой шестерней (который мы рассмотрели выше) — однозначно выигрывает:
В качестве мысли от себя: думаю, что если делать редуктор с гибкой шестернёй, то в качестве материалов для 3D печати (обеих шестерней) следует выбрать, например, нейлон, что, по идее, должно обеспечить достаточную износостойкость. А жёсткость внешней нейлоновой шестерни будет обеспечена тем, что она будет плотно вложена во внешний корпус.
Немного ещё интересных применений шестерней (и около них)
▍ Оружие
Может ли шестерня уменьшить отдачу оружия? Оказывается, может! По крайней мере, если это оружие — пневматическое.
Дело здесь вот в чём: профессионалы знают, что стрелять из пневматического оружия (как ни странно) — сложнее, чем из огнестрельного.
Почему: так как при стрельбе из пневматического оружия стрелок испытывает двунаправленный вектор отдачи — когда он только нажал на спусковой крючок, поршень пневматического оружия начинает движение вперёд, а импульс, направленный в противоположную сторону, соответственно, толкает стрелка назад. После того, как поршень доходит до передней стенки цилиндра, он ударяет в неё — соответственно, стрелка дёргает вперёд.
Таким образом, получается, что при стрельбе из пневматического оружия, при нажатии на спусковой крючок — сначала ствол подкидывает вверх, а потом бросает вниз — и всё это в тот момент, когда пуля всё ещё находится в стволе.
Нетрудно догадаться, что это самым негативным образом сказывается на точности…
А у огнестрельного оружия — стрелка толкает только назад, то есть вектор отдачи однонаправленный.
Немецкие инженеры придумали, как это обойти: на поршень пневматического оружия (на картинке ниже — слева) нанесли зубчатую рейку, которую через шестерню связали с подобием поршня (на картинке ниже — справа), такой же массы:
![image](https://habrastorage.org/getpro/habr/post_images/362/34b/409/36234b409b992861b21b90f041347082.jpg)
Таким образом, при нажатии на спусковой крючок, когда поршень начинает движение вперёд, точно такая же масса начинает, с такой же скоростью, движение назад. И одновременно с поршнем, который ударяется в переднюю стенку, эта масса ударяется в заднюю стенку.
В результате, отдача при стрельбе из такого оружия практически полностью отсутствует!
Рассмотренная система компенсации отдачи применена в пневматическом пружинно-поршневом пистолете N. Diana Mod. 6/6G/6M. Подробнее почитать о процессе разборки и тестах можно тут. Нечто подобное (только уже без шестерней) реализовано в пневматической пружинно-поршневой винтовке Diana 54 Airking — там тоже движется компенсирующая масса.
▍ 3D шестерня
Что будет, если взять 2 профиля шестерни и с их помощью вырезать шар? А вот что: получится интересный шарнир, который имеет, как заявляют сами изобретатели, 3 степени свободы и может быть использован в робототехнических устройствах для передачи большого момента, во время позиционирования с высокой точностью, без потребности в подключении каких-либо датчиков обратной связи для такого позиционирования:
Весьма подробное научное описание устройства, со всеми методологиями вычислений и т. д. можно найти здесь.
▍ Магнитный редуктор
А бывают ли шестерни без зубцов? Вполне себе бывают, так как зубцы легко можно заменить неодимовыми магнитами, и в итоге получится редуктор, где механические его части не трутся друг с другом и, соответственно, он обладает высокой надёжностью. Единственный минус — нельзя передать большой момент, проскальзывает.
С другой стороны, учитывая, что он и не предполагает передачу большого момента, так как распечатан на 3D принтере — почему бы и нет:
▍ Вечный редуктор
Что будет, если собрать редуктор, который будет содержать 100 шестерней, где каждая будет обладать коэффициентом редукции 10, то есть, если первое колесо повернулось на 10 оборотов, то второе колесо повернётся на 1 и т. д.?
А вот что: люди подсчитали, что для того, чтобы повернулась последняя шестерня, потребуется чудовищное количество времени, равное
Этот редуктор является детищем голландского изобретателя Даниэля де Брюна.
Поэтому те, кто повторяют это изобретение (в разных итерациях, с вариациями), для усиления «вау-эффекта», выходной вал редуктора иногда даже вмонтируют в бетонный блок, в то время как входной вал редуктора активно вращается электродвигателем.
Выглядит довольно-таки занятно:
▍ И напоследок...
А вот это просто красиво: что будет, если взять редуктор, а также систему кулачков на валу?
Получатся весьма оригинальные (на мой взгляд) «электронно-механические» часы:
К сожалению, несмотря на множество просьб от людей, автор проекта не выложил никаких файлов, так что желающие собрать что-то подобное для себя смогут ориентироваться только на видео выше, а также на кое-какую информацию на странице проекта.
В завершение можно сказать, что редукторы окружают нас всюду в жизни и обычно представляют собой достаточно сложное устройство, которое, к тому же, не отличается особой дешевизной (если брать редукторы на большие моменты).
И именно это можно попробовать обойти, если для своих собственных робототехнических проектов попробовать использовать редуктор с гибкой шестернёй — с «гармонической» или, другими словами, «волновой» передачей, так как он даёт весьма интересные возможности.
В статье использованы материалы (в том числе) журнала «Юный Техник», №6, за 1961 г.
Telegram-канал со скидками, розыгрышами призов и новостями IT ?
![](https://habrastorage.org/webt/tp/sk/z-/tpskz-7w7a8e74isoowuep40xeg.png)
Комментарии (26)
x89377
18.08.2024 13:47Странно смотрится статься от ruvds.com (вроде как провайдер) со ссылками на youtube.com
Неужели нельзя разместить видео у себя, или на крайний случай rutube.ru
ZekaVasch
18.08.2024 13:47+9Магнитная передача от мотора к винту была на советской игрушке подводная лодка. С пультом на проводе.
vadimk91
18.08.2024 13:47+5А ещё в лабораторных машалках для перемешивания растворов, видел 60х годов изготовления прошлого века
exTvr
18.08.2024 13:47+2На ГДРовской вроде. "Дельфин" называлась, емнип.
Вот оно
exTvr
18.08.2024 13:47Я тогда был поражен изяществом решения - электромотор находится в герметичной пластиковой капсуле, а вращения на ось винта передаётся бесконтактно, посредством магнитной передачи. Слом понятий для неокрепшего семилетнего ума, который незадолго до этого бился над дейдвудными трубами из подручных материалов.
tormozedison
18.08.2024 13:47Сейчас делают декоративные светильники, где внутри цилиндрического сосуда - имитация торнадо. Там тоже такая магнитная передача.
Poison48
18.08.2024 13:47+2Гибкая передача - работает за счет вклинивания зубьев. Из этого вытекают - трение скольжения, низкий КПД, износ. Это почти червячная передача. Второй недостаток - ресурс который имеет упругий элемент, усталость материала безжалостна. Волновой редуктор - это попытка решить данную проблему и заменить трение скольжения на трение качения.
ksbes
18.08.2024 13:47+2Современные и не очень материалы (вроде пружинной стали) очень хорошо переносят подобные нагрузки. Та же червячная передача - применённая по делу и с умом - десятилетиями живёт.
А КПД надо соотносить с подобными же по передаточному числу передачами. И у гибкой он нередко оказывается как раз в разы больше, чем цепочки традиционных шестерёнок. Вплоть до того что очень большие передаточные числа традиционными шестернями вообще не реализуется на практике из-за 99% потерь. А гибкая - спокойно вывозит.Главный недостаток там - невозможность передавать большие мощности. Т.е. пресс на такой передаче - не построишь. Но для точного позиционирования манипуляторов, например, довольно неплохой вариант.
Oncenweek
18.08.2024 13:47+5Статья жесть какая-то, как будто писал человек, который все эти редукторы первый раз видит. Во первых названия перепутаны: волновой редуктор это как раз тот который с гибким зубчатым колесом посередине (в иностранных источниках strain wave drive или harmonic drive), а тот который в статье назван волновым это как раз циклоидный, или как его еще называют иногда планетарно-цевочный. Во вторых люфт у них у всех может быть очень маленьким - зависит от точности изготовления компонентов, а в третьих приведенные в статье картинки и ролики в основном про 3-д печатные версии этих редукторов, свойства которых сильно отличаются от металлических промышленных
DAN_SEA Автор
18.08.2024 13:47Смотрите:
-во-первых: если исходить из терминологии, то я базировался на том, что даже тогда, когда появились эти передачи (в 60-е годы), эта передача называется "волновой", в чём нетрудно убедиться, посмотрев ролик тех годов, приложенный к статье: см. с 2:38, со слов "...волна деформации гибкого колеса..." - т.е. в сам момент появления этих передач термин "волновая/волновой" НЕ ОТНОСИТСЯ только к случаю, когда гибкое колесо расположено посередине, а охватывает все случаи. С течением времени, терминология могла измениться, не исключаю - но в основе так;
- во-вторых: тот человек, который строил в видео циклоидный - он его строил по литературе (Томского Политеха, если правильно помню), и, насколько я понимаю, базировался на терминах оттуда;
- в-третьих: мне всегда было интересно ЧТО Я ЛИЧНО могу сделать из этого (думаю, это же интересно и читателям), поэтому, полагаю, что абстрактные металлические редукторы мало кому интересны, а интересно именно то, что человек может реализовать сам, своими скромными силами, например, на домашнем 3D принтере.
Oncenweek
18.08.2024 13:47+1Ну так вот в вашем же ролике все правильно: видео про волновой, и называется он волновой, а в статье волновым назван циклоидный. (тот человек в ролике строил не циклоидный а волновой с промежуточными телами качения - вероятно это и ввело вас в заблуждение - структурно он как раз больше похож на циклоидный)
- в-третьих: мне всегда было интересно ЧТО Я ЛИЧНО могу сделать из этого
Тут я с вами в начинаниях согласен. Но об особенностях печатных редукторов почти ничего не написано - а там свои заморочки (например волновой делают не как металлический с цельным стаканом, с которого снимают момент - напечатанный так лопнет, а с двумя внешними зубчатыми колесами, с разным количеством зубов, и момент снимают с одного из колес)
DAN_SEA Автор
18.08.2024 13:47Всё, понял, что вас смутило, согласен, поправил;-). Я просто почему то подумал, что волновой с промежуточными телами - является следующим шагом развития циклоидного, а это совершенно разные классы, согласен.
vvbob
18.08.2024 13:47+1Дело здесь вот в чём: профессионалы знают, что стрелять из пневматического оружия (как ни странно) — сложнее, чем из огнестрельного.
Похожие проблемы у огнестрельного оружия со свободным затвором, типа того-же ППШ или Томсона, или Узи. Перед выстрелом затвор открыт, после спуска он движется вперед, толкая оружие назад через пружину. Затвор довольно тяжелый, что-бы ствол при выстреле надежно запирался. Потом затвор подхватывает патрон из магазина, заталкивает его в ствол и накалывает капсюль, при этом он толкает оружие вперед. Происходит выстрел, и отдача от него толкает оружие уже назад..
В общем такие автоматы обычно не слишком точные из-за всех этих колебаний. Впрочем, там это компенсируется скорострельностью.
ЗЫ думаю у схемы с таким компенсатором - существенный минус, вес чуть-ли не удваивается, противовес должен быть достаточно массивным.
kanvas
18.08.2024 13:47Может быть кто-то подскажет софт, в котором максимально просто можно, задав габаритные размеры, параметры вала и нужное передаточное число остальные параметры, сгенерировать STL файлы для печати редуктора из пластика ?
Oncenweek
18.08.2024 13:47Смотря какого редуктора. Для Fusion 360 точно есть плагины, которые делают планетарный, циклоидный и червячный. Наверняка аналогичные есть и для компаса c SolidWorks'ом
kanvas
18.08.2024 13:47спасибо за ответ, желательно софт не для проприетарных дорогих продуктов как СолидВоркс . Что-то простое, как СвитХоум и тп
Oncenweek
18.08.2024 13:47Ну у Fusion360 есть бесплатная лицензия для студентов и диавайщиков. Не знаю, правда, можно ли ее сейчас и РФ получить, но моя старая продолжает работать
yar3333
18.08.2024 13:47+1Недавно забабахал циклоидальный редуктор 1:15 диаметром около 10 см под Nema 23. Если кому нужно - могу поделиться CAD-файлами под FreeCAD.
syrompe
18.08.2024 13:47А что если в классическом волновом редукторе "гибкую" шестерню сделать из чего-то магнитного (или магнитами просто обклеить изнутри) и вместо вращающегося генератора волн поставить ЭМ катушки как в ассинхронниках?
В качестве бонуса такой вариант в выключенном состоянии будет полностью разомкнут.
RusikR2D2
В промышленности волновой редуктор как раз наоборот позиционируется как безлюфтовый (близко к этому), но при этом является самым дорогим вариантом редуктора. В последнем легко убедиться посмотрев цены.
ds138
Безлюфтовые редукторы на базе косозубых шестерён с поджимом не сильно сложнее но проще в ремонте и восстановлении. Недавно даже в одном из роботов видел две простые пластиковые шестерёнки расклиненные пружиной и при этом одновременно входящие в контакт с одной ведущей - тоже безлюфтово! "Цена" волнового редуктора не за безлюфтовость, а за материалоёмкость, передаточное число и габариты.
ЗЫ Список литературы в статье вызывает дрожь.... ЮТ`61 это прям почти вчера опубликовали...
RigidStyle
Только они громоздкие.
У обычного прямого редуктора контакт только одним зубом происходит. И все усилие на него. Отсюда сейчас все больше планетарные передачи используются в транспорте, потому что они тупо компактней и легче при том же усилии (там работает зубов сколько, сколько сателлитов).
Отсюда везде, где важен вес и габариты, используют волновые. Потому что там контакт по половине передающих элементов происходит.
Dynasaur
Этот комментарий в статье относится к волновому редуктору с промежуточными телами качения, который очень сильно конструктивно отличается от волнового с гибким колесом.
RigidStyle
Я думаю он имел в виду не то и не другое, так как волновым обычно называют гибкую шестерню, есть еще волновой с промежуточными телами качения, и циклоидальный. И в промышленности как раз используется чаще всего последний (еще можно встретить планетарно-цевочный редуктор или просто "цевочный"). А вот с телами качения не используется почти нигде, потому что у него между сепаратором и телами качения исключительно трение скольжения на смазке. Причем не по плоскости, а по точке, если шарик, или полоске, если ролик. Но это же в свою очередь самая нагруженная часть редуктора, так как сепаратор как раз и передает весь момент. И если там сделать еще преднатяг, то такому редуктору достаточно плохо становится. Отсюда чаще используют циклоидальные, у которых между колесом и промежуточными телами трение качения, а промежуточные тела на пальцах сидят просто как втулки, и их можно нормально из за этого смазывать, получая всякие масляные клины и т.д.