除了齿轮传动，机器人中这些传动装置80%的人不知道！

“除了常见的齿轮传动，机器人的‘关节’还可以更过瘾。”

文/蓉蓉

传动是机械中的重要组成部分，运动的机械都离不开传动。同样，机械传动也是机器人中的一项重技术。上篇文章，我们主要讲了机器人中最常用的一种传动方式——齿轮传动。那么，除了齿轮传动，机器人设计中还有哪些传动方式呢？

机器人常用传动方式

1、线传动

线传动

特点：(1)线传动机构精巧、安装方便、占用空间极小；

（2）由于设计、制造简单、维护保养方便，因此，线传动成本低。

（3）线传动易摩擦受损，需要定期检查并及时更换；

（4）线传动易于发生线压线的情况，因此传动比不精确；

（5）线传动需要预紧。

2、链传动

通过链条将具有特殊齿形的主动链轮的运动和动力传递到具有特殊齿形的从动链轮的一种传动方式。

链传动

链传动特点：

（1）传递功率大，过载能力强；

（2）所需的张紧力小，对轴的压力小；

（3）平均传动比准确；

（4）传动平稳性差，易磨损，磨损易跳齿；

（5）质量大。

链传动其实不用多说，自行车就是典型的链传动实例。不过链传动好像在国内机器人DIY中用的不是很多，其实这是非常适合DIY的一种传动方式，因为链是一节一节组装起来的，无论什么样的长度都可以得到，应用的时候不需要考虑两个链轮之间应该保持什么样的相对位置（这方面齿轮传动需要两个齿轮的分度圆相切，而带传动的带子长度是固定的，无法DIY），只要在一个平面内就行。

齿式皮带传动

3、齿轮传动

齿轮传动是最常见的了，常看到齿轮介绍的时候会说齿轮的模数是多少。简单来说，齿轮的模数使用用来表明齿轮的齿的大小的，齿轮有一套专门的机械标准，按照这个标准，不同的模数对应不同大小的齿形（注意，这里指的是齿轮的齿的形状），模数大的齿就大一些，模数小的齿就小一些。模数是以毫米为单位的，只有相同模数的齿才能啮合在一起。另一个常用术语是齿数，就是齿轮上的齿的数量，不同齿数的齿轮啮合在一起可以得到一个传动比，比如齿数为10的主动齿轮和齿数为20的从动齿轮相啮合，其传动比为10/20=1/2。即从动轮转速是主动轮转速的一半。

齿轮传动特点

优点：（1）使用的圆周速度和功率范围较广；

（2）传动效率高；

（3）传动平稳；

（4）结构紧凑寿命长工作可靠。

缺点：（1）制造和安装精度要求较高，成本较高；

（2）不适合较大距离的传动；

（3）没有过载保护作用。

齿轮的齿数和模数的乘积是分度圆的直径，分度圆又是一个专门术语，初学者可以不必细究，形象看分度圆就是图中红色虚线圆，两个齿轮啮合时，他们的分度圆是要相切的，如图中所示。

乐高一共4种圆柱齿轮，还有冠齿轮、斜齿、蜗杆和齿条。

分度圆

平常我们常见的是直齿轮传动，直齿轮传动的旋转轴是平行的。有一种圆锥齿轮传动可以实现传动轴相互垂直的传动。如下图所示：

圆锥齿轮传动

我们平常玩机器人所接触到的齿轮大部分是0.5mm模数的，都是直齿轮，偶尔会见到一些斜齿轮，斜齿轮的优点是与同样厚度的直齿轮相比，能传递更高的转矩，但是制造的难度更高一些。

4、齿轮齿条传动

齿轮齿条传动用于将旋转运动转换为直线运动或者反之。

齿轮齿条传动

最好用8齿的齿轮来驱动齿条

齿条传动特点：减速效果好；圆周运动变为直线运动。

5、涡轮蜗杆传动

涡轮蜗杆如下图所示，其中轮状零件叫蜗轮，虽然看起来像齿轮，但是其齿形跟齿轮是不一样的，杆状的零件叫蜗杆。这种传动的特点是能够获得很大的减速比，即蜗杆旋转很多圈才能带动蜗轮旋转一圈。并且只能单向传动，即运动只能由蜗杆传递到蜗轮而不能反过来，这种单向传动的特性一般也称为自锁，即当外力想驱使蜗轮转动时，会被蜗杆锁住而无法转动。

涡轮蜗杆传动

涡轮旋转一圈，驱动蜗杆旋转一个齿。所以当它与24齿的齿轮咬合时，产生24:1的减速。

思考：自锁能应用在哪里？

传动比是怎样计算呢？

涡轮旋杆

可能有人会问蜗杆辛辛苦苦转那么多圈蜗轮才转一圈，多辛苦啊，干嘛要设计成这样啊？太浪费能量了吧。其实这是用速度换力量，严格来说，就是减小转速换来增加转矩，转矩越大，意味着驱动能力越强。传动机构传动时传递的能量是守恒的，一般用功率来标示能量。对于旋转运动，功率=转速×转矩，在传动中，功率不会凭空增加或者减少，传动环节由于存在摩擦等会有一定的功率损失，除了损失的功率（只占总功率的一小部分），大部分功率会由主动轴传到从动轴，在主动轴上的转速与转矩的乘积是约等于从动轴上转速与转矩的乘积的，所以转速减小了，转矩肯定就增大了（还得考虑损耗）。这种关系基本存在于任何旋转传动装置中，无论是齿轮传动，蜗轮蜗杆传动还是皮带传动或链传动等等。只不过各种传动环节损失的功率不等。

6、螺旋传动

螺旋传动很好理解也很常见，比如平常拧螺丝的时候，旋转螺杆，螺杆会在螺纹孔中前进或者后退，这也是一种将旋转运动转化为直线运动的装置，即旋转螺杆（螺帽）驱动螺帽（螺杆）直线运动。前面提到的齿轮齿条传动也能够将齿轮的旋转运动转化为齿条的直线运动。相对于齿轮齿条传动，螺旋传动更加精确，即可以很精确的控制直线运动的速度和位移。很多机床上就使用了螺旋传动，并且驱动力更大，最好理解的例子是螺旋千斤顶，靠人的力量就可以将汽车顶起来，还有就是拧螺丝的时候可以将螺丝拧得很紧，甚至将螺丝下的木头压凹下去，由此可以看出由旋转运动换来的直线方向上的力有多大，想想看能直接用手将木头压凹下去吗？

螺旋传动

螺旋传动也有自锁的性质，即直线运动方向上施加的反作用力不会使螺母或者螺杆转动，想想看如果没有自锁，千斤顶顶上去了，人一松手就会压下来了。

螺旋传动螺杆一般也称为丝杠，还有一种叫做滚珠丝杠的螺旋传动装置，螺母里面用到了滚珠来大幅减小摩擦，但是没有自锁能力。

7、带传动

带传动好像没什么好说的，看图都能理解是怎么传动的吧。带传动主要分两类，一类是靠带和带轮之间的摩擦力传动的，比如平带传动，V带传动（带的横截面是梯形）等，由于主要是靠摩擦力带动，所以载荷较大时可能会打滑。还有一种同步带，带轮和带上都有齿，通过齿啮合消除打滑的存在，可以实现较高精度的传动。

8、连杆传动

在所有传动形式里面，连杆传动应该算得上是博大精深，无限可能的，连杆可以将旋转运动转化为直线运动，往复运动，指定轨迹运动，甚至还可以指定经过轨迹上某点时的速度，连杆传动需要非常巧妙的设计。下面通过几张图片管窥一下连杆的强大功能吧。

连杆传动

Tips:机器人常用的传动装置中，传动效率对比：

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来源：互联网与观察