2.4　机器人的传动机构

传动机构用来把驱动器的运动传递到关节和动作部位。机器人常用的传动机构有丝杠传动机构、带传动与链传动机构、齿轮传动机构、谐波传动机构、连杆与凸轮传动机构等。

2.4.1　丝杠传动机构

机器人传动用的丝杠具备结构紧凑、间隙小和传动效率高等特点。

（1）滚珠丝杠

滚珠丝杠的丝杠和螺母之间装了很多钢球，丝杠或螺母运动时钢球不断循环，运动得以传递。因此，即使丝杠的导程角很小，也能得到90%以上的传动效率。滚珠丝杠可以把直线运动转换成回转运动，也可以把回转运动转换成直线运动。滚珠丝杠按钢球的循环方式分为钢球管外循环方式、靠螺母内部S状槽实现钢球循环的内循环方式和靠螺母上部导引板实现钢球循环的导引板方式，如图2-21所示。由丝杠转速和导程得到直线进给速度：

v=nl/60

式中，v为直线运动速度，m/s；l为丝杠的导程，m；n为丝杠的转速，r/min。

（2）行星轮式丝杠

目前已经开发了以大载荷和高刚性为目的的行星轮式丝杠。该丝杠多用于精密机床的高速进给，从高速性和高可靠性来看，也可用在大型机器人的传动中，其原理如图2-22所示。螺母与丝杠轴之间有与丝杠轴啮合的行星轮，装有7~8套行星轮的系杆可在螺母内自由回转，行星轮的中部有与丝杠轴啮合的螺纹，其两侧有与内齿轮啮合的齿。将螺母固定，驱动丝杠轴，行星轮便边自转边相对于内齿轮公转，并使丝杠轴沿轴向移动。行星轮式丝杠具有承载能力大、刚度高和回转精度高等优点，由于采用了小螺距，丝杠定位精度也高。

2.4.2　带传动与链传动机构

带传动和链传动用于传递平行轴之间的回转运动，或把回转运动转换成直线运动。机器人中的带传动和链传动分别通过带轮或链轮传递回转运动，有时还用来驱动平行轴之间的小齿轮。

（1）齿形带传动

如图2-23所示，齿形带的传动面上有与带轮啮合的梯形齿。齿形带传动时无滑动，初始张力小，被动轴的轴承不易过载。因无滑动，它除了用作动力传动外还适用于定位。齿形带采用氯丁橡胶做基材，并在中间加入玻璃纤维等伸缩刚性大的材料，齿面上覆盖耐磨性好的尼龙布。用于传递轻载荷的齿形带是用聚氨基甲酸酯制造的。齿的节距用包络带轮的圆节距p表示，表示方法有模数法和英寸法。各种节距的齿形带有不同规格的宽度和长度。设主动轮和被动轮的转速为n_a和n_b，齿数为z_a和z_b，齿形带传动的传动比为：

设圆节距为p，齿形带的平均速度为：

v=z_apn_a=z_bpn_b

齿形带的传动功率为：

P=Fv

式中，P为传动功率，W；F为紧边张力，N；v为带速度，m/s。

齿形带传动属于低惯性传动，适合在电动机和高速比减速器之间使用。带上面安上滑座可完成与齿轮齿条机构同样的功能。它惯性小，且有一定的刚度，因此适合于高速运动的轻型滑座。

（2）滚子链传动

滚子链传动属于比较完善的传动机构，由于噪声小，效率高，得到了广泛的应用。但高速运动时滚子与链轮之间的碰撞会产生比较大的噪声和振动，只有在低速时才能得到满意的效果，即适合低惯性载荷的关节传动。链轮齿数少，摩擦力会增加，要得到平稳运动，链轮的齿数应大于17，并尽量采用奇数个齿。

2.4.3　齿轮传动机构

（1）齿轮的种类

齿轮靠均匀分布在轮边上的齿的直接接触来传递力矩。通常，齿轮的角速度比和轴的相对位置都是固定的。轮齿以接触柱面为节面，等间隔地分布在圆周上。随轴的相对位置和运动方向的不同，齿轮有多种类型，其中主要的类型如图2-24所示。

（2）各种齿轮的结构及特点

①直齿轮。直齿轮是常用的齿轮之一。通常，齿轮两齿啮合处的齿面之间存在间隙，称为齿隙（见图2-25）。为弥补齿轮制造误差和齿轮运动中温升引起的热膨胀的影响，要求齿轮传动有适当的齿隙，但频繁正反转的齿轮齿隙应限制在最小范围之内。齿隙可通过减小齿厚或拉大中心距来调整。无齿隙的齿轮啮合叫无齿隙啮合。

②斜齿轮。如图2-26所示，斜齿轮的齿带有扭曲。它与直齿轮相比具有强度高、重叠系数大和噪声小等优点。斜齿轮传动时会产生轴向力，所以应采用止推轴承或成对地布置斜齿轮，见图2-27。

③锥齿轮。锥齿轮用于传递相交轴之间的运动，以两轴相交点为顶点的两圆锥面为啮合面，见图2-28。齿向与节圆锥直母线一致的称直齿锥齿轮，齿向在节圆锥切平面，内呈曲线的称弧齿锥齿轮。直齿锥齿轮用于节圆圆周速度低于5m/s的场合，弧齿锥齿轮用于节圆圆周速度大于5m/s或转速高于1000r/min的场合，还可用在要求低速平滑回转的场合。

④蜗轮蜗杆。蜗轮蜗杆传动装置由蜗杆和与蜗杆相啮合的蜗轮组成。蜗轮蜗杆能以大减速比传递垂直轴之间的运动。鼓形蜗轮用在大负荷和大重叠系数的场合。蜗轮蜗杆传动与其他齿轮传动相比具有噪声小、回转轻便和传动比大等优点，缺点是其齿隙比直齿轮和斜齿轮大，齿面之间摩擦大，因而传动效率低。基于上述各种齿轮的特点，齿轮传动可分为如图2-29所示的类型。根据主动轴和被动轴之间的相对位置和转向可选用相应的类型。

（3）齿轮传动机构的速比

①最优速比。输出力矩有限的原动机要在短时间内加速负载，要求其齿轮传动机构的速比u为最优。u可由下式求出：

式中，J_a为工作臂的惯性矩；J_m为电机的惯性矩。

②传动级数及速比的分配。要求大速比时应采用多级传动。传动级数和速比的分配是根据齿轮的种类、结构和速比关系来确定的。通常的传动级数和速比关系如图2-30所示。

（4）行星齿轮减速器

行星齿轮减速器大体上分为S-C-P、3S（3K）、2S-C（2K-H）三类，结构如图2-31所示。

①S-C-P（K-H-V）式行星齿轮减速器。S-C-P式行星齿轮减速器由齿轮、行星齿轮和行星齿轮支架组成。行星齿轮的中心和内齿轮中心之间有一定偏距，仅部分齿参加啮合。曲柄轴与输入轴相连，行星齿轮绕内齿轮边公转边自转。行星齿轮公转一周时，行星齿轮反向自转的转速取决于行星齿轮和内齿轮之间的齿数差。

行星齿轮为输出轴时传动比为：

式中，z_S为内齿轮（太阳齿轮）的齿数；z_P为行星齿轮的齿数。

②3S式行星齿轮减速器。3S式行星齿轮减速器的行星齿轮与两个内齿轮同时啮合，还绕太阳齿轮（外齿轮）公转。两个内齿轮中，固定一个时另一个齿轮可以转动，并可与输出轴相连接。这种减速器的传动比取决于两个内齿轮的齿数差。

③2S-C式行星齿轮减速器。2S-C式行星齿轮减速器由两个太阳齿轮（外齿轮和内齿轮）、行星齿轮和支架组成。内齿轮和外齿轮之间夹着2~4个相同的行星齿轮，行星齿轮同时与外齿轮和内齿轮啮合。支架与各行星齿轮的中心相连接，行星齿轮公转时迫使支架绕中心轮轴回转。

上述行星齿轮机构中，若内齿轮齿数z_S和行星齿轮的齿数z_P之差为1，可得到最大减速比i=1/z_P，但容易产生齿顶的相互干涉，这个问题可通过下述方法解决：①利用圆弧齿形或钢球；②齿数差设计成2；③行星齿轮采用可以弹性变形的薄椭圆状（谐波传动）。

2.4.4　谐波传动机构

如图2-32所示，谐波传动机构由谐波发生器、柔轮和刚轮三个基本部分组成。

①谐波发生器。谐波发生器是在椭圆形凸轮的外周嵌入薄壁轴承制成的部件。轴承内圈固定在凸轮上，外圈靠钢球发生弹性变形，一般与输入轴相连。

②柔轮。柔轮是杯状薄壁金属弹性体，杯口外圆切有齿，底部称为柔轮底，用来与输出轴相连。

③刚轮。刚轮内圆有很多齿，齿数比柔轮多两个，一般固定在壳体。谐波发生器通常采用凸轮或偏心安装的轴承。刚轮为刚性齿轮，柔轮为能产生弹性变形的齿轮。当谐波发生器连续旋转时，产生的机械力使柔轮变形的过程形成了一条基本对称的和谐曲线。发生器波数是指发生器转一周时柔轮某一点变形的循环次数。其工作原理是：当谐波发生器在柔轮内旋转时，迫使柔轮发生变形，同时进入或退出刚轮的齿间。在发生器的短轴方向，刚轮与柔轮的齿间处于啮入或啮出的过程，伴随着发生器的连续转动，齿间的啮合状态依次发生变化，即啮入-啮合-啮出-脱开-啮入的变化过程。这种错齿运动把输入运动变为输出的减速运动。

谐波传动的传动比的计算与行星齿轮传动比的计算一样。如果刚轮固定，谐波发生器ω₁为输入，柔轮ω₂为输出，则传动比。如果柔轮静止，谐波发生器ω₁为输入，刚轮ω₃为输出，则传动比，其中，z_r为柔轮齿数；z_g为刚轮齿数。

柔轮与刚轮的轮齿齿距相等，齿数不等，一般取双波发生器的齿数差为2，三波发生器齿数差为3。双波发生器在柔轮变形时所产生的应力小，容易获得较大的传动比。三波发生器在柔轮变形所需要的径向力大，传动时偏心变小，适用于精密分度。通常在齿数差为2时，推荐谐波传动最小齿数z_min=150，齿数差为3时，推荐z_min=225。

谐波传动的特点是结构简单、体积小、重量轻、传动精度高、承载能力大、传动比大，且具有高阻尼特性，但柔轮易疲劳，扭转刚度低，且易产生振动。此外，也有采用液压静压波发生器和电磁波发生器的谐波传动机构，图2-33为采用液压静压波发生器的谐波传动示意图。凸轮1和柔轮2之间不直接接触，凸轮1上的小孔3与柔轮内表面有大约0.1mm的间隙。高压油从小孔3喷出，使柔轮产生变形波，从而产生减速驱动谐波传动，因为油具有很好的冷却和润滑作用，能提高传动速度。此外还有利用电磁波发生器的谐波传动机构。

谐波传动机构在机器人中已得到广泛应用。美国送到月球上的机器人，俄罗斯送上月球的移动式机器“登月者”，德国大众汽车公司研制的Rohren、GerotR30型机器人和法国雷诺公司研制的Vertica180型等机器人，都采用了谐波传动机构。

2.4.5　凸轮与连杆传动机构

重复完成简单动作的搬运机器人（固定程序机器人）中广泛采用凸轮与连杆传动机构。例如，从某位置抓取物体放在另一位置上的机器人。连杆传动机构的特点是用简单的机构可得到较大的位移，而凸轮传动机构具有设计灵活、可靠性高和形式多样等特点。外凸轮传动机构是最常见的机构，它借助弹簧可得到较好的高速性能。内凸轮驱动时要求有一定的间隙，其高速性能劣于前者。圆柱凸轮用于驱动摆杆，而摆杆在与凸轮回转方向平行的面内摆动。凸轮与连杆传动机构如图2-34、图2-35所示。