减速器作为一个关键的组件扮演着至关重要的角色。对于机器人而言，减速器的作用犹如人体的关节一样重要。它可以将高速输入转换为低速高扭矩输出，使机器人得以实现精准的运动控制。减速器的存在保证了机器人在各种操作任务中的稳定性和准确性。
减速器的分类
大致包括齿轮减速器、锥齿轮减速器、蜗杆减速器、行星减速器、谐波减速器、RV减速器、摆线针轮减速器、同步带减速。这种分类方法可能不够系统和严谨，但讲解起来比较直观。
圆柱齿轮减速器（Gear Reducer）
（1）直齿轮减速器
（2）斜齿轮减速器
锥齿轮减速器（Bevel Gear Reducer）
（1）直齿锥齿轮
（2）螺旋锥齿轮减速器
蜗杆减速器（Worm Gear Reducer）
蜗杆减速器是一种常见的减速器类型，由蜗杆和蜗轮组成。与体积更大、维护更高的传统齿轮组相比，蜗轮减速器为减速和增加扭矩提供了高效、节省空间的解决方案。它的重要特性包括紧凑的结构设计、高传动效率、扭矩放大和静音稳定等。蜗杆减速器的紧凑结构使其适用于有限空间的应用场合，并且具有较高的传动效率，能够有效地将输入动力传递到输出端，降低能源浪费。此外，蜗杆减速器还能实现扭矩放大，将较小的输入扭矩放大成较大的输出扭矩，适用于需要高扭矩输出的场景。
行星减速器（Planetary Gearbox、Epicyclic Gearing）
行星减速器是一种广泛应用于工业和自动化领域中的减速器类型。它通过外部环和内部行星齿轮的组合来实现高效、大扭矩输出、紧凑、精密和可靠性高等特点，适用于需要集成或有限空间的应用场合，包括近几年兴起的四足机器人，如MIT Mini Cheetah、小米CyberDog上使用的CyberGear电机。
a. Mini Cheetah关节电机结构
b. 小米CyberGear
行星减速器对齿轮的强度要求比较高。
谐波减速器（Harmonic drive）
RV减速器（Rotary-Variable Reducer）
摆线针轮减速器（Cycloidal Pinwheel Reducer）
摆线针轮减速器的结构及零件名称如图所示：
图 摆线针轮减速器结构 (图片来源:www.tec-science.com)
在有些文献或网页资料上，各部分零件的命名可能会有所不同，我们只需要理解各部件的功能即可。
此外，有些作品会将上图常用作输出件的零件（Pin Disc）与电机保持固定，这时安装有环形销（Ring Pin）的环形齿轮（Ring Gear，上图未画出）则会被设计为能够相对电机轴转动，变成了输出，也即外壳在相对电机转动。
摆线针轮减速器采用摆线针轮原理，通过摆线针轮和摆线针齿圆柱齿轮的啮合，实现减速传动。
它具有以下优点：
- 结构紧凑：设计紧凑，体积相对较小，可以在有限的空间内进行安装和布置，适用于空间受限的应用场景。
- 高传动效率：通常可以达到90%以上，这意味着能够更有效地将输入功率传递给输出端。
- 承载能力强：由于摆线针轮减速器的设计特点，能够承受较大的径向和轴向载荷，适用于承载要求较高的工作环境。
- 运行平稳：摆线针轮减速器传动过程中，啮合点移动平稳，震动小，能够提供相对稳定的输出转速和扭矩。
相对的，它的主要缺点如下：
- 制造成本较高：摆线针轮减速器的制造精度要求比较高，加工难度大，导致制造成本相对较高。
- 噪音较大：在运行时会产生一定的噪音，尤其在高速运转时，噪音可能较为明显。
- 维护困难：由于结构复杂，维护和保养相对困难，需要专业技术人员进行维修和保养。
注：上面提到摆线针轮减速器的制造成本较高，然而对于业余开发者或者专业人员制作减速器原型来说，这个问题就不是那么重要了，因为我们可以借助熔融沉积制造（FDM）工艺，包括3D打印机来制作所需零件。
我猜测摆线针轮减速器的众多优势已然促使其成为3D打印圈最流行的减速器解决方案！
同步带减速（timing belt reduction）
减速器工作场景
工业机器人/机械臂（Industrial Robot）
四足机器人（Quadruped Robot）
减速器设计和制作
这里减速机制造涉及主要的工艺手段是3D打印技术，而不是工业用途减速机的齿轮机加工，因此在刚度、精度以及强度上都无法达到像工业减速器那般优秀的性能，但是3D打印机仍让是目前对于机器人爱好者制作原型最合适的产品之一！也因如此，我们得以在网络上看到众多由那些出色的个人开发者开放的作品，当然这些作品就包括本节所要介绍的DIY减速器。有了从这些作品上汲取的设计经验，相信我们自己的DIY工作也会顺利许多！
行星减速器设计
推荐文章、视频：
- DrivetrainHub的笔记《Geometry / Planetary Gears》
- HowToMechatronics的博客文章《How Planetary Gears Work – 3D Printed Planetary Gearbox Design and Test》及视频
- 油管Let’s Print的设计和测试《3D Printed Planetary Gearbox – Building & Testing & Designing (Fusion 360 Tutorial)》及有意思的可堆叠设计《3D Printed Stackable PLANETARY GEARBOX – Unlimited Gear Ratio》（视频）
- 油管Michael Rechtin的可堆叠设计《3D Printed Stackable BRUSHLESS Motor Gearbox》（视频）及文章
- 项目《OpenTorque Actuator》
工具：
- 行星齿轮求解器（在线）
- 行星齿轮减速器设计工具PlanetaryGearDesigner
摆线针轮减速器设计
如果你是初学者，建议先通过一个组装过程视频（例如《3D打印摆线针轮减速器组装》），或者摆线针轮减速器的爆炸图熟悉其整体结构组成。
推荐文章、视频：
- 文章《How does a cycloidal drive work?》
- 文章《Hypocycloid Gear Reduction》
- 教程《Building a Cycloidal Drive with SOLIDWORKS》和《CYCLOIDAL DRIVE》可以结合看。
- AW Beng Loon详细的博文《Cycloidal Drives Are The Beating Hearts of Robotics》视频《Wow I Didn’t Know it’s so EASY to Design Cycloidal Drives》
- B站lunch0147的《3D打印的摆线轮减速器》，给出了易于理解的推导过程（视频）
- B站kukela的《3D打印减速器指南》（视频）
- B站稚晖君的《超迷你摆线减速器》（视频，CNC加工）
- 油管James Bruton的《Through-motor Cycloidal Drive (3D Printed)》（视频）
- 油管Michael Rechtin的《3D Printed Planetary Cycloidal Hub Gearbox. How far can it drive?》（视频）
工具：
- Cycloid gear graphic calculator
- Cycloidal Drive Creator App 创建和绘制摆线针轮驱动器轮廓（Python）
网上有关摆线针轮减速器制作的开源材料非常多，特别是在油管上。在B站也有许多可以参考的作品，例如银翼v的讲解，对初学者们比较友好。
谐波减速器设计
推荐文章、视频
- B站lunch0147的《3D打印的谐波减速器模型》（视频）
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