Please wait a minute...
工程设计学报
工程设计学报  2026, Vol. 33 Issue (3): 446-455    DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2026.05.231
优化设计     
机器人小型关节摆线针轮减速器设计与试验
陈李扬1(),肖洋轶1(),曾炳中1,胡洪平2
1.华中农业大学 工学院，湖北 武汉 430070
2.深圳市优必选科技股份有限公司，广东 深圳 518000
Design and experiment of small joint cycloidal-pin-annulus reducer for robots
Liyang CHEN1(),Yangyi XIAO1(),Bingzhong ZENG1,Hongping HU2
1.College of Engineering, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China
2.UBTECH Robotics Co. Ltd. , Shenzhen 518000, China
 全文: PDF(6704 KB)   HTML
摘要：

面对服务机器人小型关节精密重载的应用需求，设计了一种摆线针轮减速器，并验证了其传动性能。基于工况要求完成了减速器的参数计算、结构设计及其综合性能测试台的研制；通过高扭矩加速失效试验，结合动力学有限元分析、微观形貌观察和元素面分析，系统研究了减速器失效机理；基于失效机理对减速器进行改进，并开展了改进前后性能对比试验。失效分析表明，减速器的主要失效形式包括偏心轴表面和摆线轮内孔的胶合、滚针轴承的胶合和局部点蚀、保持架磨损及以上均伴随的表面氧化，以及铰制孔螺钉松脱、断裂和法兰磨损变形。通过调整铰制孔螺钉安装方向、改进输出端法兰结构及减少针齿等，实现了减速器的轻量化和性能提升。扭矩密度从124.38 N·m/kg提升至130.01 N·m/kg，传动误差约从7 arc·min下降至5 arc·min，额定转矩下最大传动效率从62.87%提升至81.59%，空载运行30 min后壳体最高温度从46 ℃下降至35 ℃。研究结果为机器人关节模组向小体积、高精密化、重承载方向的发展提供了有益参考。
关键词： 失效;  机器人;  关节;  摆线针轮减速器;  传动性能;  失效    
Abstract:

In response to the application requirements of small joints with high-precision and heavy-load in service robots, a cycloidal-pin-annulus reducer was designed, and its transmission performance was verified. Based on the requirements of the working conditions, the parameter calculation, structural design and the comprehensive performance testing platform for the reducer were completed. Through high-torque acceleration failure tests, combined with dynamics finite element analysis, microtopography observation and elemental-mapping analysis, the failure mechanism of the reducer was systematically studied. Based on the failure mechanism, the reducer was improved, and the performance comparison tests before and after improvement were carried out. The failure analysis indicated that the main failure modes of the reducer included the adhesion wear on the surface of the eccentric shaft and the inner bore of the cycloidal wheel, the adhesion wear and local pitting of the needle roller bearing, the wear of the cage accompanied by surface oxidation, as well as the loosening and fracture of the reamed hole screw, and the deformation of the flanges. The lightweighting and performance improvement of the reducer were achieved by adjusting the installation direction of the reamed hole screw, improving the structure of the output flange, and reducing the number of gear pin. The torque density increased from 124.38 N·m/kg to 130.01 N·m/kg. The transmission error decreased from approximately 7 arc·min to 5 arc·min. The maximum transmission efficiency under the rated torque increased from 62.87% to 81.59%. After 30 minutes of no-load operation, the highest housing temperature decreased from 46 ℃ to 35 ℃. The research results provide valuable insights for the development of robotic joint modules towards compact, high-precision and heavy-load.
Key words: robot    joint    cycloidal-pin-annulus reducer    transmission performance    failure
收稿日期: 2025-10-29 出版日期: 2026-04-28
CLC:  TH 132  
基金资助: 国家自然科学基金资助项目(51905204);湖北省自然科学基金资助项目(2023AFB871);宁波市公益性研究计划基金资助项目(2023S031)
通讯作者: 肖洋轶     E-mail: chenliyang@webmail.hzau.edu.cn;yyxiao@mail.hzau.edu.cn
作者简介: 陈李扬（2002—），男，硕士生，从事机械传动设计理论研究，E-mail: chenliyang@webmail.hzau.edu.cn
服务　　
把本文推荐给朋友
加入引用管理器
E-mail Alert
RSS
作者相关文章　　
陈李扬
肖洋轶
曾炳中
胡洪平

引用本文:

陈李扬, 肖洋轶, 曾炳中, 胡洪平. 机器人小型关节摆线针轮减速器设计与试验[J]. 工程设计学报, 2026, 33(3): 446-455.

Liyang CHEN, Yangyi XIAO, Bingzhong ZENG, Hongping HU. Design and experiment of small joint cycloidal-pin-annulus reducer for robots[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2026, 33(3): 446-455.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2026.05.231    或    https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2026/V33/I3/446

技术指标数值
输出扭矩/(N·m)≥100
传动精度/(arc·min)①≤10
最大外径/mm80
整体质量/g≤1 000
润滑方式脂润滑
表1  小型摆线针轮减速器主要技术指标
参数数值
rp/mm31
rrp/mm0.75
bc/mm8
a/mm0.22
K10.709 7
K21.298 3
表2  小型摆线针轮减速器主要尺寸参数
图1  小型摆线针轮减速器装配体爆炸图
图2  小型摆线针轮减速器综合性能测试台结构
图3  小型摆线针轮减速器传动误差曲线
图4  小型摆线针轮减速器传动效率曲线
图5  U形台架上减速器温度测试点布置
图6  输入转速为1 500 r/min、空载下减速器壳体温度曲线
图7  小型摆线针轮减速器失效区域表面形貌
图8  减速器动力学有限元分析中边界条件设置
图9  摆线轮等效应力与接触应力云图
图10  针齿外壳等效应力云图
图11  销柱等效应力云图
图12  减速器失效区域表面微观形貌和元素面分析结果
图13  电机旋转方向对铰制孔螺钉紧固影响示意
图14  输出端法兰结构改进
图15  改进后减速器传动误差曲线
图16  改进后减速器传动效率曲线
图17  改进后减速器温度变化曲线
  
[1] ZHU G H， GUO W Z， CHU S X. Bionic concept and synthesis methods of the biomimetic robot joint mechanism for accurately reproducing the motion pattern of the human knee joint［J］. Mechanism and Machine Theory， 2024， 204： 105832.
[2] CHEN Z T， YU Z J， FU J， et al. Analysis and design of air-heat pipe composite cooling of high power density motor［J］. Applied Thermal Engineering， 2024， 236： 121495.
[3] 巴凯先， 孔祥东， 俞滨. 机器人腿部液压驱动系统主动柔顺复合控制研究［J］. 机械工程学报， 2020， 56（12）： 195.
BA K X， KONG X D， YU B. Research on active compliance compound control of hydraulic drive system of robot leg［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2020， 56（12）： 195.
[4] 金洪杨， 岳龙旺， 刘景达， 等. 基于散粒体阻塞机理的变刚度柔性机械臂研究［J］. 工程设计学报， 2023， 30（4）： 449-455.
JIN H Y， YUE L W， LIU J D， et al. Research on flexible manipulator with variable stiffness based on particle blocking mechanism［J］. Chinese Journal of Engineering Design， 2023， 30（4）： 449-455.
[5] SUTHAR B， AWAD M I， SENEVIRATNE L， et al. Design of robotic finger using twisted string actuator with modular passive return rotational joints to achieve high grasping force： Application to wearable sixth finger［J］. Mechatronics， 2024， 99： 103157.
[6] 孙繁新， 史彦斌， 蒲吉斌， 等. 苛刻空间环境下固体润滑涂层在谐波齿轮减速器表面的服役性能评价［J］. 中国表面工程， 2023， 36（5）： 76-87.
SUN F X， SHI Y B， PU J B， et al. Service performance evaluation of solid-lubrication coating on harmonic gear reducer surface in harsh space environment［J］. China Surface Engineering， 2023， 36（5）： 76-87.
[7] NABESHIMA C， AYUSAWA K， HOCHBERG C， et al. Standard performance test of wearable robots for lumbar support［J］. IEEE Robotics and Automation Letters， 2018， 3（3）： 2182-2189.
[8] ZHANG D Q， LI X G， YANG M D， et al. Non-random vibration analysis of rotate vector reducer［J］. Journal of Sound and Vibration， 2023， 542： 117380.
[9] 李军星， 高锐， 邱明， 等. 考虑动态时变载荷的滚动轴承可靠性寿命评估方法［J］. 工程设计学报， 2024， 31（4）： 420-427.
LI J X， GAO R， QIU M， et al. Reliability life evaluation method of rolling bearing considering dynamic time-varying loads［J］. Chinese Journal of Engineering Design， 2024， 31（4）： 420-427.
[10] 肖洋轶， 张诣， 孙润阳， 等. 大型风洞双转轴机构精密重载减速器研制及应用［J］. 中国机械工程， 2025， 36（10）： 2423-2432， 2443.
XIAO Y Y， ZHANG Y， SUN R Y， et al. Development and applications of precision heavy duty reducers for double rotating shaft mechanisms in large wind tunnels［J］. China Mechanical Engineering， 2025， 36（10）： 2423-2432， 2443.
[11] YANG M D， ZHANG D Q， CHENG C， et al. Reliability-based design optimization for RV reducer with experimental constraint［J］. Structural and Multidisciplinary Optimization， 2021， 63（4）： 2047-2064.
[12] 戚其松， 李成刚， 董青， 等. 起重机生命周期载荷谱预测及基于疲劳寿命的结构优化设计［J］. 工程设计学报， 2023， 30（3）： 380-389.
QI Q S， LI C G， DONG Q， et al. Prediction of load spectrum for crane life cycle and structural optimal design based on fatigue life［J］. Chinese Journal of Engineering Design， 2023， 30（3）： 380-389.
[13] JIANG N， QIAN R D， QIAO H Y， et al. Neural-driven viscosity modeling and fatigue optimization for cycloidal gear systems［J］. Tribology International， 2025， 202： 110311.
[14] 潘柏松， 方宽， 文娟， 等. 考虑磨损与变形的谐波齿轮精度可靠性分析与优化设计［J］. 计算机集成制造系统， 2022， 28（2）： 355-367.
PAN B S， FANG K， WEN J， et al. Accuracy reliability analysis and optimization design of harmonic gear considering wear and deformation［J］. Computer Integrated Manufacturing Systems， 2022， 28（2）： 355-367.
[15] 刘皓天， 肖洋轶， 牛成强， 等. 齿面涂层改性RV减速器承载特性分析与试验［J］. 农业工程学报， 2025， 41（13）： 104-113.
LIU H T， XIAO Y Y， NIU C Q， et al. Load-carrying characteristics of RV reducer modified by gear coating［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2025， 41（13）： 104-113.
[16] 周坤， 叶楠， 吴锦辉， 等. RV减速器高应力加速退化试验及可靠性分析［J］. 哈尔滨工业大学学报， 2022， 54（7）： 37-44. doi：10.11918/202112011
ZHOU K， YE N， WU J H， et al. High stress accelerated degradation test and reliability analysis of RV reducer［J］. Journal of Harbin Institute of Technology， 2022， 54（7）： 37-44.
doi: 10.11918/202112011
[17] 肖洋轶， 贾鲁敏， 曾炳中， 等. 涂层强化齿轮传动抗胶合机理分析与试验［J］. 农业工程学报， 2023， 39（23）： 45-54.
XIAO Y Y， JIA L M， ZENG B Z， et al. Scuffing resistance mechanism for coating strengthened gear transmission［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2023， 39（23）： 45-54.
[18] 赵致勃， 顾大强， 李立新， 等. 基于接触应力优化的摆线轮修形设计［J］. 工程设计学报， 2022， 29（6）： 713-719.
ZHAO Z B， GU D Q， LI L X， et al. Modification design of cycloidal gear based on contact stress optimization［J］. Chinese Journal of Engineering Design， 2022， 29（6）： 713-719.
[19] PEDRERO J I， PLEGUEZUELOS M， SÁNCHEZ M B. Analytical model for meshing stiffness， load sharing， and transmission error for helical gears with profile modification［J］. Mechanism and Machine Theory， 2023， 185： 105340.
[1] 薛润泽,张换高,张淼淼,王赛. 基于机理模型和TRIZ工具逆用的失效预测研究[J]. 工程设计学报, 2026, 33(3): 301-314.
[2] 赵硕,张润锋,张国彬,耿鹏秀,秦志昌,刘振忠. 智能开颅手术机器人：技术体系、临床应用与未来挑战[J]. 工程设计学报, 2026, 33(3): 345-358.
[3] 李志刚,邹骏鹏,杨翔. 楼宇垃圾桶搬运机器人设计研究[J]. 工程设计学报, 2026, 33(3): 359-369.
[4] 谢红娟,雷华金,王嘉. 考虑概率-区间混合不确定性的RV减速器可靠性评估方法[J]. 工程设计学报, 2026, 33(2): 265-274.
[5] 卢炳盛,唐东林,胡远遥,车健波,何媛媛. 基于双侧Halbach阵列可靠稳定吸附的永磁轮设计与参数优化[J]. 工程设计学报, 2026, 33(2): 275-284.
[6] 汪峻加,谢霆聪,徐锦涛,黄龙. 基于轴向磁耦合的变刚度关节设计与实验验证[J]. 工程设计学报, 2026, 33(1): 130-137.
[7] 陈积明,熊浩鑫,程源钒,陈堃,胡俊峰. 基于双稳态结构的仿青蛙游动机器人设计与性能分析[J]. 工程设计学报, 2026, 33(1): 56-64.
[8] 左鹏,郑正鼎,高全杰,吴林飞,王红霞. 面向泥浆遮挡的涂抹机器人双目视觉定位方法研究[J]. 工程设计学报, 2026, 33(1): 65-75.
[9] 唐军, 许海琳, 张少文. 基于改进SMC与ILC的泳池清洁机器人轨迹跟踪控制[J]. 工程设计学报, 2025, 32(6): 803-812.
[10] 徐锦涛, 蔡金虎, 唐玲玲, 黄龙. 基于各向异性摩擦的软体爬行机器人设计与实验研究[J]. 工程设计学报, 2025, 32(6): 813-821.
[11] 魏孝杰,梁文峰,朱慧轩,郭凯,高飞扬,尹震宇,李松. 基于Stewart并联机器人的皮肤生物3D打印方法研究[J]. 工程设计学报, 2025, 32(5): 590-600.
[12] 李宸,史春景,李金泉. 复合机器人路径规划研究[J]. 工程设计学报, 2025, 32(5): 623-633.
[13] 刘玉航,张春燕,田正雨,刘正阳. 一种可变径多模式移动并联机器人的设计与分析[J]. 工程设计学报, 2025, 32(5): 634-645.
[14] 李瑾. 驱动副共面平行的3-P(2-SS)型并联机器人运动特性及动力学分析[J]. 工程设计学报, 2025, 32(5): 646-654.
[15] 蒋君侠,张渊淞,仲笑欧. 涉核作业机器人刚度与末端变形研究[J]. 工程设计学报, 2025, 32(5): 655-663.