CN108818528A - 一种机器人关节传动机构及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人关节传动机构及其运行方法，包括刚轮、柔轮、波发生器、蜗杆、电机和蜗杆转轴，刚轮的外侧设有刚轮外齿，刚轮内侧设有刚轮内齿，刚轮的后侧安装刚轮转轴，柔轮外部设有柔轮外齿，柔轮的中部设有波发生器，波发生器内设有柔性滚珠轴承，刚轮外齿与蜗杆上的螺纹啮合，转轴的顶端安装电机，波发生器高速转动，柔性滚珠轴承带动柔轮发生弹性形变，椭圆形长轴处的柔轮外齿和刚轮内齿进入啮合时，短轴处的柔轮外齿与刚轮内齿脱开，使啮入、啮合、啮出和脱开在柔轮上不断重复并做正弦波运动，同时电机驱动蜗杆转轴带动蜗杆转动，由于蜗杆固定，刚轮未固定，蜗杆转动使刚轮做自转运动，从而使机器手臂活动面更广，活动更加灵活。

Description

一种机器人关节传动机构及其运行方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体为一种机器人关节传动机构及其运行方法。

背景技术

谐波传动减速器是依靠柔性零件产生弹性机械波来传递动力和运动的一种机械传动器。谐波传动主要包括三个基本构件：波发生器、柔轮和刚轮，三个构件任意固定一个，其余两个中的一个为主动，另一个为从动，可实现减速或增速，也可变换成两个输入或一个输出，组成差动传动。如刚轮固定不动，以波发生器为主动件，柔轮为从动件，波发生器内的椭圆形凸轮在柔轮内旋转便使柔轮产生变形，在波发生器的椭圆形凸轮长轴两端处的柔轮轮齿和刚轮轮齿进入啮合时，短轴两端处的柔轮轮齿与刚轮轮齿脱开，对于波发生器长轴和短轴之间的轮齿，沿柔轮和刚轮周长的不同区段内处于逐渐进入啮合的半啮合状态，称为啮入，处于逐渐退出啮合的半啮合状态，称为啮出。波发生器的连续转动，使啮入、啮合、啮出和脱开四种运动不断改变各自原来的工作状态，这种运动称为错齿运动，错齿运动使输入转动变为输出运动，并实现增速或减速。

蜗轮蜗杆传动主要包括：蜗杆和蜗轮，蜗杆和蜗轮通过螺纹啮合，通过固定其中一个构件，从而做到蜗杆的圆周运动或蜗轮的自转，蜗杆传动常用于两轴交错、传动比较大、传递功率不太大或间歇工作的场合，还广泛应用在机床、汽车、仪器、冶金机械及其它机器或设备中,其原因是因为使用轮轴运动可以减少力的消耗,从而大力推广，现有机器人技术中在关节连接处只单独采用谐波传动、蜗杆传动或直接利用连接件带动手臂的运动，使机器人手臂活动存在较大的局限性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机器人关节传动机构及其运行方法，通过将刚轮外部设有刚轮外齿，刚轮外齿啮合蜗杆，从而使蜗杆传动与谐波传动相结合，使机器人手臂活动面更广，活动更灵活，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种机器人关节传动机构，包括刚轮、柔轮、波发生器、蜗杆、电机和蜗杆转轴，所述刚轮的外侧设有刚轮外齿，刚轮内侧设有刚轮内齿，刚轮的后侧安装刚轮转轴，所述刚轮内部设有柔轮，所述柔轮外部设有柔轮外齿，柔轮的中部设有波发生器，所述波发生器内设有柔性滚珠轴承，所述柔性滚珠轴承内设有滚珠，所述波发生器中心安装传动轴，所述刚轮的刚轮外齿与蜗杆上的螺纹啮合，所述蜗杆由蜗杆转轴贯穿连接，转轴的顶端安装电机；

所述刚轮包括刚轮外齿、刚轮内齿、刚轮转轴、刚轮本体、刚轮内齿圈和刚轮外齿圈，刚轮本体的外侧设有刚轮外齿圈，刚轮外齿圈外层设有一圈刚轮外齿，所述刚轮本体内侧设有刚轮内齿圈，刚轮内齿圈内侧设有一圈刚轮内齿，所述刚轮本体后侧与刚轮转轴连接；

所述柔轮外层设有柔轮外齿圈，柔轮外齿圈外层设有一圈柔轮外齿，所述柔轮外齿圈内侧设有轴承保护圈，所述轴承保护圈内侧设有柔性滚珠轴承，所述柔性滚珠轴承中间设有滚珠槽，所述滚珠槽中含有若干个滚珠，所述柔性滚珠轴承内侧设有手臂连接圈，所述手臂连接圈上安装凸轮，所述凸轮上均匀分布若干个固定槽，所述手臂连接圈内侧设有传动轴保护圈，所述传动轴保护圈内部设有传动轴。

优选的，所述刚轮内侧的刚轮内齿与柔轮的柔轮外齿齿距相同，齿数不同。

优选的，所述刚轮内齿与柔轮外齿的齿数之差等于波发生器发出的波数，波发生器采用双波传动。

优选的，所述电机采用双向电机。

优选的，所述蜗杆采用碳钢材料制成。

优选的，所述刚轮的刚轮外齿的突齿采用铸铁材料制成。

优选的，机器人人关节传动机构的运行方法包括以下步骤：

步骤一：传动轴传动波发生器做高速转动，并使柔轮发生椭圆形形变；

步骤二：柔轮的长轴两端的柔轮外齿与刚轮的刚轮内齿啮合，并进行慢速转动，带动连接在关节处的手臂能够向四周运动；

步骤三：由电机驱动蜗杆转轴转动，蜗杆转轴带动蜗杆转动；

步骤四：蜗杆上的螺纹与刚轮外齿啮合，蜗杆转动使刚轮自转，带动连接在关节处的手臂做自转运动。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的一种机器人关节传动机构及其运行方法，通过将刚轮外侧设有刚轮外齿，刚轮外齿与蜗杆相连，在工作时，波发生器的传动轴高速转动，使柔性滚珠轴承带动柔轮发生弹性形变，使波发生器的椭圆形凸轮长轴两端处的柔轮外齿和刚轮内齿进入啮合时，短轴两端处的柔轮外齿与刚轮内齿脱开，使啮入、啮合、啮出和脱开四种运动在柔轮上不断重复，柔轮上任意一点做正弦波运动，同时电机驱动蜗杆转轴带动蜗杆转动，蜗杆上的螺纹与刚轮外齿啮合，由于蜗杆固定，刚轮未固定，蜗杆转动使刚轮做自转运动，从而使机器手臂活动面更广，活动更加灵活。

附图说明

图1为本发明的主视图；

图2为本发明的侧视图；

图3为本发明的俯视图；

图4为本发明的刚轮正视图；

图5为本发明的刚轮侧视图；

图6为本发明的柔轮正视图；

图7为本发明的柔轮侧视图；

图8为本发明的刚轮外齿与蜗杆啮合局部示意图。

图中：1、刚轮；11、刚轮外齿；12、刚轮内齿；13、刚轮转轴；14、刚轮本体；15、刚轮内齿圈；16、刚轮外齿圈；2、柔轮；21、柔轮外齿；22、轴承保护圈；23、柔轮外齿圈；24、手臂连接圈；241、凸轮；242、固定槽；3、波发生器；31、柔性滚珠轴承；311、滚珠槽；32、滚珠；33、传动轴；331、传动轴保护圈；4、蜗杆；5、电机；6、蜗杆转轴。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-8，一种机器人关节传动机构，包括刚轮1、柔轮2、波发生器3、蜗杆4、电机5和蜗杆转轴6，所述刚轮1的外侧设有刚轮外齿11，刚轮1内侧设有刚轮内齿12，刚轮1的后侧安装刚轮转轴13，所述刚轮1内部设有柔轮2，所述柔轮2外部设有柔轮外齿21，刚轮1内侧的刚轮内齿12与柔轮2的柔轮外齿21齿距相同，但齿数不同，柔轮2的中部设有波发生器3，波发生器3是一个杆状部件，其两端装有柔性滚珠轴承31构成滚轮，柔性滚珠轴承31内含若干个滚珠32，与柔轮2的内壁相互压紧，柔轮2为可产生较大弹性变形的薄壁齿轮，其内孔直径略小于波发生器3的总长，波发生器3是使柔轮2产生可控弹性变形的构件，当波发生器3装入柔轮2后，迫使柔轮2的剖面由原先的圆形变成椭圆形，波发生器3有双波传动和三波传动，本发明采用双波传动，双波传动的柔轮2应力较小，结构比较简单，易于获得较大的传动比，为目前应用最广的一种，刚轮内齿12与柔轮外齿21的齿数之差等于波发生器3发出的波数，所述波发生器3内设有柔性滚珠轴承31，所述柔性滚珠轴承31内设有滚珠32，所述波发生器3中心安装传动轴33，传动轴33带动波发生器3高速转动，在波发生器3转动时，相应与长轴方向的柔轮外齿21正好完全啮入刚轮内齿12，在短轴方向，柔轮外齿21全脱开刚轮内齿12，波发生器3发生转动时，柔轮外齿21将依次啮入和啮出刚轮内齿12，柔轮2齿圈上的任意一点的径向位移将呈近似于正弦波形的变化，这种传动称为谐波传动，所述刚轮1的刚轮外齿11与蜗杆4上的螺纹啮合，蜗杆4相当于螺旋，其螺旋线也分为左旋和右旋、单头和多头，通常蜗杆4的头数越多效率越高，但头数太多，分度误差会增大，且不易加工，所述蜗杆4由蜗杆转轴6贯穿连接，转轴的顶端安装电机5，电机5采用双向电机，可以任意切换正转或反转，蜗杆4传动的主要失效形式有，磨损、胶合、疲劳折断和点蚀，其中磨损和胶合的发生概率较高，本发明蜗杆4采用碳钢制成，刚轮外齿11齿圈采用铸铁材料，碳钢更具有耐磨损，耐高温和耐腐蚀的特点，蜗杆4不易发生损坏，铸铁材料虽然硬度较碳钢低，但软材料更容易磨合，与碳钢蜗杆4齿运转磨合后使接触表面相互适配，增加支承面积，螺旋表面应经热处理(如淬火和渗碳)，以便达到高的硬度，然后经过磨削或珩磨以提高传动的承载能力，其中的刚轮1，包括刚轮外齿11、刚轮内齿12、刚轮转轴13、刚轮本体14、刚轮内齿圈15和刚轮外齿圈16，刚轮本体14的外侧设有刚轮外齿圈16，刚轮外齿圈16外层设有一圈刚轮外齿11，刚轮外齿11与蜗杆4螺纹相啮合，刚轮本体14内侧设有刚轮内齿圈15，刚轮内齿圈15内侧设有一圈刚轮内齿12，刚轮内齿12与柔轮外齿21相啮合，刚轮本体14后侧与刚轮转轴13连接，刚轮1通过刚轮转轴13转动，其中的柔轮2，包括柔轮2外层设有柔轮外齿圈23，柔轮外齿圈23外层设有一圈柔轮外齿21，柔轮外齿圈23内侧设有轴承保护圈22，轴承保护圈22具有弹性形变功能，可以和柔轮2一同发生弹性形变，轴承保护圈22内侧设有柔性滚珠轴承31，柔性滚珠轴承31中间设有滚珠槽311，滚珠槽311中含有若干个滚珠32，滚珠32在滚珠槽311中运动，柔性滚珠轴承31内侧设有手臂连接圈24，手臂连接圈24上安装凸轮241，凸轮241上均匀分布若干个固定槽242，外手臂通过固定螺丝连接在固定槽242上，柔轮2发生弹性形变带动手臂向四周运动，手臂连接圈24内侧设有传动轴保护圈331，传动轴保护圈331内侧设有传动轴33，传动轴保护圈331用于保护传动轴33，减小滑动摩擦引起的磨损。

基于上述的机器人关节传动机构，本实施例提出一种机器人关节传动机构的运行方法，包括以下步骤：

步骤一：传动轴33传动波发生器3做高速转动，并使柔轮2发生椭圆形形变，使其长轴上的柔轮外齿21与刚轮1上的刚轮内齿12啮合，短轴上的柔轮外齿21与刚轮上的刚轮内齿12啮出；

步骤二：柔轮2的长轴两端的柔轮外齿21与刚轮1的刚轮内齿12啮合，并将传动轴33的速度降低，使柔轮2做慢速转动，带动连接在关节处的手臂能够向四周运动，使啮入、啮合、啮出和脱开四种运动在柔轮2上不断重复，柔轮2上任意一点做正弦波运动；

步骤三：由电机5驱动蜗杆转轴6转动，蜗杆转轴6带动蜗杆4转动，蜗杆4和蜗杆转轴6由于固定在电机5上，蜗杆4发生自转而不进行公转运动，刚轮1固定在刚轮转轴13上，蜗杆4的自转使刚轮1发生自转运动，蜗杆4的螺纹与刚轮外齿11啮合，蜗杆4的转动带动刚轮1通过刚轮转轴13自转；

步骤四：蜗杆4上的螺纹与刚轮外齿11啮合，蜗杆4转动使刚轮1自转，带动连接在关节处的手臂做自转运动，使机械手臂在向四周运动的同时能够进行自转运动。

本发明与现有技术的区别：

现有机器人技术中在关节连接处只单独采用谐波传动、蜗杆4传动或直接利用连接件带动手臂的运动，使机器人手臂活动存在较大的局限性，本发明通过将谐波传动机构的刚轮1外侧设有一圈刚轮外齿11，通过刚轮外齿11与蜗杆4传动机构的蜗杆4结合，在工作时，波发生器3的传动轴33高速转动，使柔性滚珠轴承31带动柔轮2发生弹性形变，使波发生器3的椭圆形凸轮长轴两端处的柔轮外齿21和刚轮内齿12进入啮合时，短轴两端处的柔轮外齿21与刚轮内齿12脱开，使啮入、啮合、啮出和脱开四种运动在柔轮2上不断重复，柔轮2上任意一点做正弦波运动，同时电机5驱动蜗杆转轴6带动蜗杆4转动，蜗杆4上的螺纹与刚轮外齿11啮合，由于蜗杆4固定，刚轮1未固定，蜗杆4转动使刚轮1做自转运动，从而使机器手臂活动面更广，活动更加灵活。

工作原理：本发明通过将刚轮1外侧设有刚轮外齿11，刚轮外齿11与蜗杆4相连，在工作时，波发生器3的传动轴33高速转动，使柔性滚珠轴承31带动柔轮2发生弹性形变，使波发生器3的椭圆形凸轮长轴两端处的柔轮外齿21和刚轮内齿12进入啮合时，短轴两端处的柔轮外齿21与刚轮内齿12脱开，使啮入、啮合、啮出和脱开四种运动在柔轮2上不断重复，柔轮2上任意一点做正弦波运动，同时电机5驱动蜗杆转轴6带动蜗杆4转动，蜗杆4上的螺纹与刚轮外齿11啮合，由于蜗杆4固定，刚轮1未固定，蜗杆4转动使刚轮1做自转运动，从而使机器手臂活动面更广，活动更加灵活。

综上所述：本发明提供的机器人关节传动机构及其运行方法，通过将刚轮1外侧设有刚轮外齿11，刚轮外齿11与蜗杆4相连，在工作时，波发生器3的传动轴33高速转动，使柔性滚珠轴承31带动柔轮2发生弹性形变，使波发生器3的椭圆形凸轮长轴两端处的柔轮外齿21和刚轮内齿12进入啮合时，短轴两端处的柔轮外齿21与刚轮内齿12脱开，使啮入、啮合、啮出和脱开四种运动在柔轮2上不断重复，柔轮2上任意一点做正弦波运动，同时电机5驱动蜗杆转轴6带动蜗杆4转动，蜗杆4上的螺纹与刚轮外齿11啮合，由于蜗杆4固定，刚轮1未固定，蜗杆4转动使刚轮1做自转运动，从而使机器手臂活动面更广，活动更加灵活。

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揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种机器人关节传动机构，包括刚轮(1)、柔轮(2)、波发生器(3)、蜗杆(4)、电机(5)和蜗杆转轴(6)，其特征在于：所述刚轮(1)的外侧设有刚轮外齿(11)，刚轮(1)内侧设有刚轮内齿(12)，刚轮(1)的后侧安装刚轮转轴(13)，所述刚轮(1)内部设有柔轮(2)，所述柔轮(2)外部设有柔轮外齿(21)，柔轮(2)的中部设有波发生器(3)，所述波发生器(3)内设有柔性滚珠轴承(31)，所述柔性滚珠轴承(31)内设有滚珠(32)，所述波发生器(3)中心安装传动轴(33)，所述刚轮(1)的刚轮外齿(11)与蜗杆(4)上的螺纹啮合，所述蜗杆(4)由蜗杆转轴(6)贯穿连接，转轴的顶端安装电机(5)；

所述刚轮(1)包括刚轮外齿(11)、刚轮内齿(12)、刚轮转轴(13)、刚轮本体(14)、刚轮内齿圈(15)和刚轮外齿圈(16)，刚轮本体(14)的外侧设有刚轮外齿圈(16)，刚轮外齿圈(16)外层设有一圈刚轮外齿(11)，所述刚轮本体(14)内侧设有刚轮内齿圈(15)，刚轮内齿圈(15)内侧设有一圈刚轮内齿(12)，所述刚轮本体(14)后侧与刚轮转轴(13)连接；

所述柔轮(2)外层设有柔轮外齿圈(23)，柔轮外齿圈(23)外层设有一圈柔轮外齿(21)，所述柔轮外齿圈(23)内侧设有轴承保护圈(22)，所述轴承保护圈(22)内侧设有柔性滚珠轴承(31)，所述柔性滚珠轴承(31)中间设有滚珠槽(311)，所述滚珠槽(311)中含有若干个滚珠(32)，所述柔性滚珠轴承(31)内侧设有手臂连接圈(24)，所述手臂连接圈(24)上安装凸轮(241)，所述凸轮(241)上均匀分布若干个固定槽(242)，所述手臂连接圈(24)内侧设有传动轴保护圈(331)，所述传动轴保护圈(331)内部设有传动轴(33)。

2.如权利要求1所述的一种机器人关节传动机构，其特征在于：所述刚轮(1)内侧的刚轮内齿(12)与柔轮(2)的柔轮外齿(21)齿距相同，齿数不同。

3.如权利要求1所述的一种机器人关节传动机构，其特征在于：所述刚轮内齿(12)与柔轮外齿(21)的齿数之差等于波发生器(3)发出的波数，波发生器(3)采用双波传动。

4.如权利要求1所述的一种机器人关节传动机构，其特征在于：所述电机(5)采用双向电机。

5.如权利要求1所述的一种机器人关节传动机构，其特征在于，所述蜗杆(4)采用碳钢材料制成。

6.如权利要求1所述的一种机器人关节传动机构，其特征在于，所述刚轮(1)的刚轮外齿(11)的突齿采用铸铁材料制成。

7.一种如权利要求1所述的机器人关节传动机构的运行方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)：传动轴(33)传动波发生器(3)做高速转动，并使柔轮(2)发生椭圆形形变；

步骤2)：柔轮(2)的长轴两端的柔轮外齿(21)与刚轮(1)的刚轮内齿(12)啮合，并进行慢速转动，带动连接在关节处的手臂能够向四周运动；

步骤3)：由电机(5)驱动蜗杆转轴(6)转动，蜗杆转轴(6)带动蜗杆(4)转动；

步骤4)：蜗杆(4)上的螺纹与刚轮外齿(11)啮合，蜗杆(4)转动使刚轮(1)自转，带动连接在关节处的手臂做自转运动。