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:
Картинка: Jahobr
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:
Картинка: Jahobr
Кроме того, возможен и вариант, где электродвигатель приводит в движение центральную шестерню, а полезная нагрузка подключена к внешней шестерне:
Картинка: Jahobr
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»:
Картинка: А. Петров, журнал «Юный Техник», №6, 1961 г.
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 дело 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:
Картинка: А.Петров, журнал «Юный Техник», №6, 1961 г.
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 или, её ещё называют «волновой», а устройство с её использованием — волновым редуктором:
Картинка: Petteri Aimonen
Очень подробно этот вопрос рассмотрен в видео ниже, в том числе с использованием 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:
Картинка: img.allzip.org
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 
возраста вселенной!
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.
Автор: DAN_SEA
