CN107448553A - 轻型机器人关节减速机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轻型机器人关节减速机，包括相啮合的主动轮和输入轮，输入轮通过行星轮系与输出架连接，主动轮固定在电机的输出轴上；行星轮系包括一个中心轮、三种行星轮、固定轮和输出轮，中心轮与所述输入轮的回转轴为一体化设计，两个外齿圈分别为固定轮和输出轮，输出轮与输出架连接；第二行星轮和第三行星轮的长度相同，且均为第一行星轮长度的一半；第一行星轮与两个外齿圈均啮合，第二行星轮和第三行星轮分别与固定轮和输出轮啮合。结构紧凑、轻量化、小型化，能够广泛运用于服务机器人、家庭机器人等领域。

Description

轻型机器人关节减速机

技术领域

本发明涉及一种轻型机器人，尤其涉及一种轻型机器人关节减速机。

背景技术

机器人技术发展迅速，但现阶段机器人技术并没有真正突破机器人本体，而是以系统集成为主，诸如关节减速机、控制器驱动器、机器人算法等核心产业链技术并未真正掌握。

目前，国际上机器人关节减速机主要有两种，一种是RV(Rot-Vector)减速机，其是在摆线针轮传动基础上发展起来的，具有二级减速和中心圆盘支承结构，其特点是：传动比大、传动效率高、刚性大，被称为机器人“御用”减速机；另一种是谐波减速机，其核心原理是柔轮产生可控的弹性变形，靠柔轮和钢轮啮合达到减速传动目的。相比于谐波减速机，RV减速机具有更高的刚度和回转精度，在关节机器人一般将RV减速机放置在基座、大臂、肩部等重负载的位置，将谐波减速机放置在小臂、腕部或手部。

上述两种减速机价格非常昂贵，而服务机器人、家庭机器人过高的售价很难被普及。以申请人正在研发的自动擦鞋鞋柜、洗澡机器人为例，如果减速机成本过高，不可能普及民用领域。

发明内容

本发明的目的是提供一种轻型机器人关节减速机。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的轻型机器人关节减速机，包括相啮合的主动轮和输入轮，所述输入轮通过行星轮系与输出架连接，所述主动轮固定在电机的输出轴上；

所述行星轮系包括一个中心轮、三种行星轮、两个外齿圈，所述中心轮与所述输入轮的回转轴为一体化设计，所述两个外齿圈分别为固定轮和输出轮，所述输出轮与所述输出架连接；

所述三种行星轮包括：三个第一行星轮、三个第二行星轮、三个第三行星轮，所述第二行星轮和第三行星轮的长度相同，且均为所述第一行星轮长度的一半；

所述三个第一行星轮圆周均布，且与所述两个外齿圈均啮合；

所述三个第二行星轮圆周均布并与所述三个第一行星轮相互间隔布置，且仅与所述固定轮啮合；

所述三个第三行星轮圆周均布并与所述三个第一行星轮相互间隔布置，且仅与所述输出轮啮合；

所述中心轮与所述三种行星轮均啮合。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的一种轻型机器人关节减速机，结构紧凑，使设计轻量化、小型化，告别关节傻大蠢时代，并与电机集成为多个系列的标准化产品，能够广泛运用于服务机器人、家庭机器人等领域。

附图说明

图1为本发明实施例提供的轻型机器人关节减速机的结构示意图。

图2a和图2b分别为本发明实施例中行星轮系的两个平面布置示意图。

图中：

1、电机，2、固定端座，3、等截面薄壁轴承，4、微型球轴承，5、输出架；

A1、主动轮，A2、输入轮，A3、中心轮，C1、第一行星轮，C2、第二行星轮，C3、第三行星轮，B、固定轮，E、输出轮。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

本发明的轻型机器人关节减速机，其较佳的具体实施方式是：

包括相啮合的主动轮和输入轮，所述输入轮通过行星轮系与输出架连接，所述主动轮固定在电机的输出轴上；

所述行星轮系包括一个中心轮、三种行星轮、两个外齿圈，所述中心轮与所述输入轮的回转轴为一体化设计，所述两个外齿圈分别为固定轮和输出轮，所述输出轮与所述输出架连接；

所述三种行星轮包括：三个第一行星轮、三个第二行星轮、三个第三行星轮，所述第二行星轮和第三行星轮的长度相同，且均为所述第一行星轮长度的一半；

所述三个第一行星轮圆周均布，且与所述两个外齿圈均啮合；

所述三个第二行星轮圆周均布并与所述三个第一行星轮相互间隔布置，且仅与所述固定轮啮合；

所述三个第三行星轮圆周均布并与所述三个第一行星轮相互间隔布置，且仅与所述输出轮啮合；

所述中心轮与所述三种行星轮均啮合。

所述主动轮、输入轮和行星轮系中，各齿轮的技术参数为以下表的六组参数中的任意一组：

技术参数表：

接上表：

上表中：A1、主动轮，A2、输入轮，A3、中心轮，C1、第一行星轮，C2、第二行星轮，C3、第三行星轮，B、固定轮，E、输出轮。

具体实施例，如图1、图2a、图2b所示：

(1)结构及减速比：

本发明的机器人关节采用行星式，其结构原理如下：

电机驱动主动轮A1旋转，A1传动给输入轮A2，其减速比i1＝Z2/Z1(Z1为A1轮齿数，Z2为A2轮齿数)；

A2传递给中心轮A3，A3旋转带动行星轮C1、C2、C3自转，同时B轮为固定轮，则C1、C2、C3在旋转的同时，绕A3公转；

行星轮C1、C2、C3自转、公转传递给输出轮E，其E轮相对于A3轮减速比i2＝(1+Zb/Za)*Ze/(Ze-Zb)(Za为中心轮A3齿数，Zb为固定轮B齿数，Ze为输出轮E齿数)；

以申请人开发系列关节之一举例，Z1＝22，Z2＝66，Za＝18，Zb＝60，Zc＝22，Ze＝63，模数m＝0.5其转动比:

i1＝66/22＝3；i2＝(1+Z60/18)*63/(63-60)＝91，i总＝i1*i2＝3*91＝273。

由此可见，该结构的行星式减速机结构经凑，而且能够得到很大的传动比，用很小的直流电机就可以得到很大的输出扭矩。

(2)变位计算

该结构减速机a-c，b-c，e-c啮合副标准中心距不可能做到相等，以上述事例计算中心距：

Aa-c＝m*(Za+Zc)/2＝0.5*(18+22)/2＝10mm(Aa-c为a-c齿轮副标准中心距)

Ab-c＝m*(Zb-Zc)/2＝0.5*(60-22)/2＝9.5mm(Ab-c为b-c齿轮副标准中心距)

Ae-c＝m*(Ze-Zc)/2＝0.5*(63-22)/2＝10.25mm(Ae-c为e-c齿轮副标准中心距)

而行星式减速机必须满足同心条件，及A’a-c＝A’b-c＝A’e-c，所以必须采用变位齿轮才能满足要求,取实际中心距A’＝Ae-c,计算出中心距变动系数，及实际啮合角：

Ya-c＝(A’-Aa-c)/m＝(10.25-10)/0.5＝0.5(Ya-c为a-c齿轮副中心距变动系数)

Yb-c＝(A’-Ab-c)/m＝(10.25-9.5)/0.5＝1.5(Yb-c为b-c齿轮副中心距变动系数)

Ye-c＝0(Ye-c为e-c齿轮副中心距变动系数)

αa-c＝arcos(cos20°*A’/Aa-c)＝22°47′07”(αa-c为a-c齿轮副实际啮合角)

αb-c＝arcos(cos20°*A’/Ab-c)＝27°33′47”(αb-c为b-c齿轮副实际啮合角)

αe-c＝20°(αe-c为e-c齿轮副实际啮合角)

根据无侧隙啮合方程，可求得各齿轮副的变位系数和：

Xa-c＝(Za+Zc)*((TAN(αa-c)-αa-c)-(TAN(20°)-20°))/(2*TAN(20°))

＝0.544(Xa-c为a-c齿轮副变位系数和)

Xb-c＝(Zb-Zc)*((TAN(αb-c)-αb-c)-(TAN(20°)-20°))/(2*TAN(20°))

＝1.859(Xb-c为b-c齿轮副变位系数和)

Xe-c＝0(Xe-c为e-c齿轮副变位系数和)

即：Xa+Xc＝0.544；Xb-Xc＝1.859；Xe-Xc＝0(Xa、Xb、Xc、Xe为各齿轮变位系数)

由上可知，当确定任意一个齿轮变位系数，即可得到其他三个齿轮的变位系数。

申请人进行了大量的数据计算，为同时满足最佳重合度、最佳齿顶厚等条件，确立该实例中Xe取0.25，则Xc＝0.25，Xb＝2.109，Xa＝0.294。

(3)六行星轮设计

在行星减速机传动中，受力齿数等于行星轮个数，所以行星轮数量分布越多承载的齿数越多，带冲击性越好，单个齿啮合受力越小，其传动性能越佳。在本例中，Za＝18，Zb＝60，A、B轮均能被6整除，所以能够均布6个等行星轮；但Ze＝63，E轮只能被3整除，不能均布6个等行星轮。针对此本例设计了行星轮C2与C3。

其中C2轮作用在B轮上，因B轮能被6整出，所以齿数及变位同C1轮。

其中C3轮作用在E轮上，因E轮只能被3整出，所以C3轮齿数+1或齿数-1，才能与C1轮均布6个于E轮上(C1三个，C3三个)，否则安装时会出现齿干涉，不能正确啮合。

计算C3轮变位，该例中C3轮齿数+1，Zc3＝23

同上，取中心距A’＝10.25mm，最终求得C3轮分别与A、E轮的变位系数和：

X’a-c＝0；X’e-c＝0.544；

带入(2)中求得结果Xa＝0.294，Xe＝0.25，求得Xc3＝-0.294。

经申请人大量计算总结如下经验，当固定轮B被6整除，输出轮E被3整除，C3轮齿数应+1(以本例举例如C3轮齿数-1，求得X’a-c＝1.166；X’e-c＝-0.451，带入(2)中求得结果Xa＝0.294，Xe＝0.25，Xc3无法同时满足两个等式，Xc3无解)；当固定轮B被3整除，输出轮E被6整除，C3轮齿数应-1。求得C3轮变位后，还应效验C3轮齿顶厚，以及与A、E轮的重合度。

(4)输出功率计算

本例电机选择：

额定扭矩T＝40.29mNm，额定转速n＝8334RPM，功率P＝35.16W

行星减速机效率：

η＝0.98/(1+(i2/p-1)*(Ψe+Ψb))

式中i2＝91；p＝Zc/Za＝22/18＝1.222；

Ψe＝3.14/2*εe*f(1/Zc-1/Ze)；Ψb＝3.14/2*εb*f(1/Zc-1/Zb)；

式中εe、εb为e-c副、b-c副重合度，由变位计算后可算出εe＝1.78，εb＝1.48

f为摩擦系数，取0.1，代入得：

Ψe＝0.008267，Ψb＝0.006689，代入得：

η＝0.613，减去轴承传动效率与直齿轮传动效率，取η＝0.6

额定输出扭矩＝T*i*η＝40.29*273*0.6＝6599.5mNm＝6.6Nm

额定输出功率＝P*η＝21.10W

额定输出转速＝n/i＝8334/273＝30.53RPM

(5)优良的自锁性能

该结构减速机自锁性能良好，输出端反转时，即E轮旋转，假设其旋转方向为顺时针，e-c齿轮副，行星轮C轮有公转朝顺时针旋转的趋势，自转朝顺时针旋转的趋势；但B轮为固定轮，b-c齿轮副，当C轮公转朝顺时针旋转时，其自转有朝逆时针旋转的趋势。可见e-c齿轮副、b-c齿轮副其行星轮C轮的自转方向相反，导致C轮无法转动，即实现了自锁。

(6)控制方式

申请人研发的该类减速机采用霍尔传感器控制电机的旋转精度，并与韩国一家技术公司共同开发总线式驱动器，将减速机与电机集成为多个系列的标准化产品。

(7)空心轴设计

申请人部分系列产品A3轮采用空心轴设计(A齿数较大，直径较粗的轮)，该结构走线更为简单，线、气管等直接从A3轮中心孔穿过，不用担心关节旋转的绕线问题。

本发明的轻型机器人关节减速机，其优良的自锁性能是一般行星减速机无法满足的，在机器人关节减速机运用上，当不需要关节旋转时，电机不能转动，如果没有自锁性只能将电能转化为热能，造成电机过热，特别是结构紧凑无法加装冷却装置的地方，电机容易过热报警。而有自锁性能的减速机，可以在不转时，切断电机电源，就不会产生多余热量。

该减速机由申请人自主研发，大大降低了关机机器人成本，使得关节机器人更容易普及于服务领域、家庭领域。

该减速机结构紧凑，使设计轻量化、小型化，告别关节傻大蠢时代，并与电机集成为多个系列的标准化产品，使得运用前景更为广阔。

已开发系列产品：

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种轻型机器人关节减速机，其特征在于，包括相啮合的主动轮和输入轮，所述输入轮通过行星轮系与输出架连接，所述主动轮固定在电机的输出轴上；

所述行星轮系包括一个中心轮、三种行星轮、两个外齿圈，所述中心轮与所述输入轮的回转轴为一体化设计，所述两个外齿圈分别为固定轮和输出轮，所述输出轮与所述输出架连接；

所述三种行星轮包括：三个第一行星轮、三个第二行星轮、三个第三行星轮，所述第二行星轮和第三行星轮的长度相同，且均为所述第一行星轮长度的一半；

所述三个第一行星轮圆周均布，且与所述两个外齿圈均啮合；

所述三个第二行星轮圆周均布并与所述三个第一行星轮相互间隔布置，且仅与所述固定轮啮合；

所述三个第三行星轮圆周均布并与所述三个第一行星轮相互间隔布置，且仅与所述输出轮啮合；

所述中心轮与所述三种行星轮均啮合。

2.根据权利要求1所述的轻型机器人关节减速机，其特征在于，所述主动轮、输入轮和行星轮系中，各齿轮的技术参数为以下表的六组参数中的任意一组：

技术参数表：

接上表：

上表中：A1、主动轮，A2、输入轮，A3、中心轮，C1、第一行星轮，C2、第二行星轮，C3、第三行星轮，B、固定轮，E、输出轮。