CN109591046A - 一种步进叶片式机器人关节 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种步进叶片式机器人关节。包括左端盖、滚动轴承、轴芯、子叶片、母叶片、内啮合齿轮对、滚针轴承、侧板、配油盘、右端盖、旋转配油阀和步进电机。内啮合齿轮对包括一个可以进行平面运动的外齿轮、一个中心轴位置固定的内齿轮；轴芯放置于外齿轮的内部，并且轴芯不发生转动，轴芯上开有叶片槽和开口槽；右端盖上开有供油油路与回油油路的油口，通过旋转配油阀对油腔依次供油；旋转配油阀由步进电机带动产生旋转；油路对各油腔进行依次供油，推动外齿小齿轮进行平面运动，带动内齿大齿轮旋转，实现动力输出。本发明具有精度高、输出功率密度大和结构紧凑等优点。

Description

一种步进叶片式机器人关节

技术领域

本发明涉及机械关节领域，尤其涉及一种液压和齿轮传动复合的步进叶片式机器人关节。

背景技术

随着机器人技术的发展，对于机器人手臂的要求也不断提高，需要机器人手臂兼具有精度高、响应快、能耗低、能耗低、体积小、轻量化、转矩大、承载能力强等特点。现有的机器人手臂的驱动关节主要有两种驱动方式，分为单一驱动器驱动和复合驱动结构。传统的电机驱动、舵机驱动和液压驱动，以及新型的记忆合击、压电陶瓷等驱动都是单一驱动器驱动。但是使用单一驱动器驱动，少了传动机构，使得其无法达到比较大的驱动力矩。而复合驱动结构的关节可以提供较大的力矩，但是复合驱动结构比较复杂，运行繁琐，灵敏度低，有些情况下仍然存在着精度不足的缺点。在现有的技术中，机器人手臂的驱动依旧存在着重荷载和高精度不能同时保证的问题。

发明内容

本发明提出了一种步进叶片式机器人关节，结合了叶片马达结构和少齿差传动技术，输入端采用特别设计的旋转配油阀将压力油依次分配到各个油腔中，输出端则采用一组少齿差内啮合齿轮对，实现步进输出。其基本原理是，油路对各油腔进行依次供油，推动外齿小齿轮进行平面运动，带动内齿大齿轮旋转，实现动力输出，通过改变对油腔的供油顺序，可以实现输出力矩方向的反转，最终内齿大齿轮上的步进精度和速度取决于内啮合齿轮对的几何参数和旋转配油阀的转速。

为了实现上述功能要求，本发明采取如下技术方案：

本发明包括左端盖、轴芯、叶片组件、外齿轮和内齿轮、右端盖、配油盘和旋转配油阀，左端盖与右端盖之间设有外齿轮和内齿轮，外齿轮的外圈外同轴套装有内齿轮，内齿轮外圈两侧分别通过滚针轴承套装在左端盖和右端盖的内周面上；内齿轮的内圈为齿圈，外齿轮的外圈为齿圈，内齿轮的内齿与外齿轮的外齿相接触，外齿轮与内齿轮模数相等并且具有齿数差，使得外齿轮的外圈齿与内齿轮的内圈齿啮合形成少齿差齿轮对，轴芯通过沿圆周间隔布置的多个叶片组件套装在外齿轮的内圈中，外齿轮在垂直于轴芯轴向的平面作平移运动，进而带动内齿轮相对外齿轮旋转；轴芯的外圈面与外齿轮的内圈面之间具有间隙，轴芯外圆周面上开有多个凹槽，多个凹槽沿轴芯圆周方向均匀间隔设置，每个凹槽沿径向方向开设，多个叶片组件分别对应安装在每个凹槽内并在凹槽内沿径向移动；每个叶片组件主要由一个母叶片和两个子叶片组成，母叶片沿径向的外端顶触外齿轮的内圈表面，母叶片沿径向的内端和轴芯的凹槽槽底之间具有间隙，母叶片沿径向的内端中部在沿周向的两侧对称开有用于安装子叶片的叶片槽，每个叶片槽内均安装有一个子叶片，子叶片在轴芯叶片槽底部，子叶片沿径向的外端和叶片槽槽底之间形成活动液腔；轴芯上在每个凹槽的两侧均开有条形通道，条形通道的一端和对应的凹槽中的活动液腔连通，条形通道的另一端和右端盖的配油通道连通；右端盖远离外齿轮一侧的端面作为外端面，右端盖外端面的中心开有圆柱形空腔，圆柱形空腔中同轴设有配油盘，配油盘中心开有配油腔，配油腔内同轴安装有旋转配油阀；右端盖的外端面通过侧板进行密封，右端盖内沿圆周均匀分布有多个配油通道，配油通道的数量与活动液腔的数量相同，每个配油通道的一端经条形通道与活动液腔连通，每个配油通道的另一端分别连通至圆柱形空腔并和配油盘的连接通道连通；配油盘内部沿圆周设有从外壁连通到配油腔内的连接通道，连接通道的数量与活动液腔的数量相同，连接通道的一端和右端盖的配油通道连通，连接通道的一端和旋转配油阀配油口连通；配油盘上分别开有从配油盘的外端面连通到配油腔内的互不相连的压力油道和回油油道，压力油道和回油油道分别和旋转配油阀的进油口和出油口连通；旋转配油阀的旋转轴穿出侧板与步进电机的电机轴同轴连接，步进电机旋转配油阀带动旋转，旋转配油阀旋转使得压力油道依次与每个配油通道连通，其余的配油通道均与回油油道相连。

所述的侧板上分别开有连接外部高压油源和无压油源的油口，高压油和无压油经侧板上各自的油口分别与配油盘的压力油道和回油油道连通，外部高压油依次经配油盘的压力油道后进入旋转配油阀，经旋转配油阀配油输出后到配油盘的一个连接通道，再经右端盖的一个配油通道通向仅一个密封油腔，进而经轴芯上的条形通道通入到轴芯凹槽中的活动液腔，向活动液腔施加油压，母叶片相对于子叶片沿径向向外移动扩张；其余的密封油腔与其对应的轴芯凹槽中的活动液腔均并无油压，其余的密封油腔的无压油经依次经右端盖各自的配油通道和配油盘各自的连接通道后到旋转配油阀，经旋转配油阀配油输出后经配油盘的回油油道排出到无压油源，母叶片相对于子叶片沿径向自由移动。

所述的轴芯的一端通过滚动轴承固定在左端盖上，轴芯的另一端与右端盖的内端面接触。

所述的一个子叶片的厚度为母叶片厚度的三分之一，子叶片沿径向的内端凸出于母叶片沿径向的内端，子叶片与轴芯紧密贴合并将母叶片两侧的活动液腔阻隔，母叶片向外顶紧外齿轮。

所述的内齿轮的旋转角度由叶片组件的个数来调节，还由少齿差齿轮对的几何参数和旋转配油阀的旋转速度来调节。

本发明通过旋转配油阀的旋转向各个油腔进行供油，进而推动齿轮移动，实现步进控制。本发明借鉴了传统叶片马达的结构，让油压作用于外齿轮内部的曲面上，增大了油压的作用面积，可使该关节适用于重载场合。本发明采用一对内啮合齿轮对且因内外齿轮的齿数差很小，具有较高的减速比，使得关节具有较高的运动精度。

本发明的有益效果如下：

1、本发明采用液压作为动力源，且油压的作用面积较大，使得输出力矩显著提高，可使该关节用于重载场合。

2、本发明通过内啮合齿轮对的几何参数和外齿轮的位置关系使得该关节达到很高的分辨率，使得关节的输出位置可以在任意位置停止。

3、本发明采用了专门设计的旋转配油阀配油，省去了复杂的配油系统和自动控制系统，降低成本的同时使得装置的体积减小。

4、本发明采用旋转配油阀供油，改变旋转配油阀的旋转方向，可以方便地控制外齿轮的旋转方向；并且可以通过改变旋转配油盘的旋转速度，可以方便地控制内齿轮的旋转速度。

5、本发明提出的装置体积小巧、结构紧凑，能达到较大的输出功率密度。

综上所述，本发明具有精度高、输出功率密度大和结构紧凑等优点。

附图说明

图1是机器人关节的整体结构示意图；

图2是图1的A-A剖视结构示意图；

图3是图1的B-B剖视结构示意图；

图4是机器人关节的三个不同的工作状态示意图；

图5是子母叶片的结构示意图；

图6是轴芯的结构示意图；

图7是机器人关节的整体结构立体图；

图8是子母叶片的结构立体图。

图中，左端盖1、滚动轴承2、轴芯3、子叶片4、母叶片5、外齿轮6、内齿轮7、滚针轴承8、右端盖9、配油盘10、侧板11、旋转配油阀12、步进电机13。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

如图1和图2所示，左端盖1与右端盖9之间设有外齿轮6和内齿轮7，外齿轮6的外圈外同轴套装有内齿轮7，内齿轮7外圈两侧分别通过一个滚针轴承8套装在左端盖1和右端盖9的内周面上。内齿轮7的内圈为齿圈，外齿轮的外圈6为齿圈，内齿轮7的内齿与外齿轮6的外齿相接触，外齿轮6和内齿轮7的径向尺寸有差异，外齿轮6与内齿轮7模数相等并且具有齿数差，使得外齿轮6的外圈齿与内齿轮7的内圈齿啮合形成少齿差齿轮对。轴芯3通过沿圆周间隔布置的多个叶片组件套装在外齿轮6的内圈中，轴芯3固定在外齿轮6的内部并且不发生转动。外齿轮6在垂直于轴芯3径向平面作平移运动，由于外齿轮6和内齿轮7具有齿数差，进而带动内齿轮7相对外齿轮6旋转。

轴芯3的外圈面与外齿轮6的内圈面之间具有间隙，轴芯3外圆周面上开有多个沿径向方向的凹槽，多个凹槽沿轴芯3圆周方向均匀间隔设置，每个凹槽沿径向方向开设多个叶片组件分别对应安装在每个凹槽内并在凹槽内沿径向移动。

如图1、图2、图5、图8所示，每个叶片组件主要由一个母叶片5和两个子叶片4组成，母叶片5沿径向的外端顶触外齿轮6的内圈表面，母叶片5沿径向的内端和轴芯3的凹槽槽底之间具有间隙，母叶片5沿径向的内端的中部在沿周向的两侧对称开有用于安装子叶片4的叶片槽，每个叶片槽内均安装有一个子叶片4，两个子叶片4对应固定安装到母叶片5两侧的两个叶片槽中子叶片4沿径向的外端和叶片槽槽底之间形成活动液腔，子叶片4与母叶片5之间一直有空隙形成活动液腔，子叶片4固定在轴芯3叶片槽底部。旋转配油阀12向一个活动液腔供油时，活动液腔内的压力油可以沿着轴芯3上的凹槽将压力油供给到子叶片4与母叶片5之间，母叶片5依靠油压与外齿轮6紧密贴合。

如图5所示，采用子母叶片的形式是因为在向油腔供油时，只是单一叶片的话，叶片在轴芯的凹槽中运动到极限位置时，会使得叶片两侧的油腔连通，致使与供油油路相连的油腔和与回油油路相连的油腔导通。使用子母叶片形式，可以实现阻隔油腔的目的，本发明中是阻隔母叶片5两侧的活动液腔。一块母叶片配合两块子叶片使用，子叶片对称分布在母叶片两侧，一个母叶片5配合两个子叶片4使用，子叶片4对称分布在母叶片5两侧，并且子叶片4的厚度为母叶片厚度的三分之一左右，子叶片4的高度与母叶片5的开口高度不相等且留有间隙，使得压力油能进入间隙中。母叶片5沿凹槽向背离轴芯3中心的方向使得间隙增大，反之母叶片5的反向移动使得间隙减小，因子叶片4与母叶片5的相对活动，由此构成一个活动液腔。子母叶片在供油时，压力油沿着轴芯3上的槽口进入到子叶片4与母叶片5的间隙中，使得子叶片4受到沿径向指向圆心的压力，与轴芯3紧密贴合，母叶片5受到沿径向背离圆心的压力，与外齿轮6紧密贴合。

如图6所示，轴芯3上在每个凹槽的两侧均开有条形通道，条形通道的一端和对应的凹槽中的活动液腔连通，条形通道的另一端和右端盖9的配油通道连通。右端盖9远离外齿轮6一侧的端面作为外端面，右端盖9外端面的中心开有圆柱形空腔，圆柱形空腔中同轴设有配油盘10，配油盘10中心开有圆柱形的配油腔，配油腔内同轴安装有旋转配油阀12。右端盖9的外端面通过侧板11进行密封，右端盖9内沿圆周均匀分布有多个配油通道，配油通道的数量与活动液腔的数量相同，右端盖9中多个配油通道位置固定不动，每个配油通道的一端与条形通道的另一端连通，因为条形通道与活动液腔连通，因此每个配油通道的一端与活动液腔连通，每个配油通道的另一端分别连通至圆柱形空腔并和配油盘10的连接通道连通。

如图2所示，配油盘10内部沿圆周设有从外壁连通到配油腔内的连接通道，连接通道的数量与活动液腔的数量相同，连接通道的一端和右端盖9的配油通道连通，连接通道的一端和旋转配油阀12配油口连通；配油盘10上分别开有从配油盘10的外端面连通到配油腔内的互不相连的压力油道和回油油道，压力油道和回油油道分别和旋转配油阀12进油口和出油口连通。配油盘10的外端面为远离外齿轮6一侧的端面。

右端盖9及其中的多个配油通道固定不动，旋转配油阀12套装在配油盘10的内腔中，旋转配油阀12的旋转轴穿出侧板11与步进电机13的电机轴同轴连接，步进电机13旋转配油阀12带动旋转，旋转配油阀12旋转使得压力油道依次与每个配油通道连通，其余的配油通道均与回油油道相连。

旋转配油阀12由步进电机13带动产生旋转，使得压力油一次向各个油腔供油。压力油通入到油腔中，将外齿轮6推向内齿轮7，使得外齿轮6与内齿轮7发生啮合。随着压力油向各个油腔供油，外齿轮6与内齿轮7相啮合的位置不断发生改变，使得内齿轮7发生转动。

侧板11上分别开有连接外部高压油源和无压油源的油口，高压油和无压油经侧板11上各自的油口分别与配油盘10的压力油道和回油油道连通，外部高压油依次经配油盘10的压力油道后进入旋转配油阀12，经旋转配油阀12配油输出后到配油盘10的一个连接通道，再经右端盖9的一个配油通道通向仅一个密封油腔，进而经轴芯3上的条形通道通入到轴芯3凹槽中的活动液腔，向活动液腔施加油压，母叶片5相对于子叶片4沿径向向外移动扩张；其余的密封油腔与其对应的轴芯3凹槽中的活动液腔均并无油压，其余的密封油腔的无压油经依次经右端盖9各自的配油通道和配油盘10各自的连接通道后到旋转配油阀12，经旋转配油阀12配油输出后经配油盘10的回油油道排出到无压油源，母叶片5相对于子叶片4沿径向自由移动。

旋转配油阀12控制高压油依次向各个密封油腔供油，通有压力油的油腔受油压产生扩张的趋势，受油压的内齿轮7沿径向做平移运动，使得内齿轮7压向外齿轮6，从而依次推动外齿轮6作平面步进式运动，内齿轮7在外齿轮6的带动下旋转，其余油腔未受油压的内齿轮7和外齿轮6齿轮处于脱离的状态。

具体实施中，内齿轮7的步进旋转角度与叶片数有关，叶片数越多，本机器人关节输出越平稳，步进角度越小，实现的分辨率越大。同时内齿轮7的旋转速度与内啮合齿轮对的几何参数和旋转配油阀12的旋转速度有关，可以通过改变外齿轮6与内齿轮7的齿数差来改变内齿轮7的旋转速度大小，还可以通过改变旋转配油阀12的转速或旋转方向来调节内齿轮7的旋转速度或旋转方向。

本发明也可以选择使用圆周均匀分布的大于十二个叶片组件数量的方式，增加的母叶片5的数目越多，所得到的步距角越小。下面以十二个母叶片5为例说明其工作过程，增加母叶片5数目后其工作过程和原理相同。

本发明的工作过程如下：

如图7所示，初始状态如图4(a)所示，轴芯3处于外齿轮6的正中心位置，此时外齿轮6不受力，没有产生径向平移。

当步进电机13带动旋转配油阀12按照设定好的方向和转速旋转，依次向各个油腔供油。图4(b)所示，当油腔a供油时，其余油腔与回油油路导通，压力油推动外齿轮6沿着径向移动，使得外齿轮6与内齿轮7啮合。随着旋转配油阀12的继续转动，外齿轮6和内齿轮7相啮合的位置不断发生改变，内齿轮7在外齿轮6的不断啮合推动下产生转动，如图4(c)所示，当需要改变内齿轮7的旋转速度时，只需要改变旋转配油阀12的旋转速度。当旋转配油阀12反向转动时，供油方向从a-b-…-l变成a-l-…-b，内齿轮7的旋转方向也发生反转。当机器人关节需要保持在某个工作位置时，可使旋转配油阀12不旋转，并且保持供油油路与回油油路的导通，使得单个油腔保持供油状态，该油腔运动到极限位置，使得外齿轮6锁死，不再产生平面运动，使得内齿轮7也锁死。当执行机构需要在某一输出位置停止时，可以精确完成，

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种步进叶片式机器人关节，其特征在于：包括左端盖(1)、轴芯(3)、叶片组件、外齿轮(6)和内齿轮(7)、右端盖(9)、配油盘(10)和旋转配油阀(12)，左端盖(1)与右端盖(9)之间设有外齿轮(6)和内齿轮(7)，外齿轮(6)的外圈外同轴套装有内齿轮(7)，内齿轮(7)外圈两侧分别通过滚针轴承(8)套装在左端盖(1)和右端盖(9)的内周面上；内齿轮(7)的内圈为齿圈，外齿轮的外圈(6)为齿圈，内齿轮(7)的内齿与外齿轮(6)的外齿相接触，外齿轮(6)与内齿轮(7)模数相等并且具有齿数差，使得外齿轮(6)的外圈齿与内齿轮(7)的内圈齿啮合形成少齿差齿轮对，轴芯(3)通过沿圆周间隔布置的多个叶片组件套装在外齿轮(6)的内圈中，外齿轮(6)在垂直于轴芯(3)轴向的平面作平移运动，进而带动内齿轮(7)相对外齿轮(6)旋转；轴芯(3)的外圈面与外齿轮(6)的内圈面之间具有间隙，轴芯(3)外圆周面上开有多个凹槽，多个凹槽沿轴芯(3)圆周方向均匀间隔设置，每个凹槽沿径向方向开设，多个叶片组件分别对应安装在每个凹槽内并在凹槽内沿径向移动；每个叶片组件主要由一个母叶片(5)和两个子叶片(4)组成，母叶片(5)沿径向的外端顶触外齿轮(6)的内圈表面，母叶片(5)沿径向的内端和轴芯(3)的凹槽槽底之间具有间隙，母叶片(5)沿径向的内端中部在沿周向的两侧对称开有用于安装子叶片(4)的叶片槽，每个叶片槽内均安装有一个子叶片(4)，子叶片(4)在轴芯(3)叶片槽底部，子叶片(4)沿径向的外端和叶片槽槽底之间形成活动液腔；轴芯(3)上在每个凹槽的两侧均开有条形通道，条形通道的一端和对应的凹槽中的活动液腔连通，条形通道的另一端和右端盖(9)的配油通道连通；右端盖(9)远离外齿轮(6)一侧的端面作为外端面，右端盖(9)外端面的中心开有圆柱形空腔，圆柱形空腔中同轴设有配油盘(10)，配油盘(10)中心开有配油腔，配油腔内同轴安装有旋转配油阀(12)；右端盖(9)的外端面通过侧板(11)进行密封，右端盖(9)内沿圆周均匀分布有多个配油通道，配油通道的数量与活动液腔的数量相同，每个配油通道的一端经条形通道与活动液腔连通，每个配油通道的另一端分别连通至圆柱形空腔并和配油盘(10)的连接通道连通；配油盘(10)内部沿圆周设有从外壁连通到配油腔内的连接通道，连接通道的数量与活动液腔的数量相同，连接通道的一端和右端盖(9)的配油通道连通，连接通道的一端和旋转配油阀(12)配油口连通；配油盘(10)上分别开有从配油盘(10)的外端面连通到配油腔内的互不相连的压力油道和回油油道，压力油道和回油油道分别和旋转配油阀(12)的进油口和出油口连通；旋转配油阀(12)的旋转轴穿出侧板(11)与步进电机(13)的电机轴同轴连接，步进电机(13)旋转配油阀(12)带动旋转，旋转配油阀(12)旋转使得压力油道依次与每个配油通道连通，其余的配油通道均与回油油道相连。

2.根据权利要求1所述的一种步进叶片式机器人关节，其特征在于：所述的侧板(11)上分别开有连接外部高压油源和无压油源的油口，高压油和无压油经侧板(11)上各自的油口分别与配油盘(10)的压力油道和回油油道连通，外部高压油依次经配油盘(10)的压力油道后进入旋转配油阀(12)，经旋转配油阀(12)配油输出后到配油盘(10)的一个连接通道，再经右端盖(9)的一个配油通道通向仅一个密封油腔，进而经轴芯(3)上的条形通道通入到轴芯(3)凹槽中的活动液腔，向活动液腔施加油压，母叶片(5)相对于子叶片(4)沿径向向外移动扩张；其余的密封油腔与其对应的轴芯(3)凹槽中的活动液腔均并无油压，其余的密封油腔的无压油经依次经右端盖(9)各自的配油通道和配油盘(10)各自的连接通道后到旋转配油阀(12)，经旋转配油阀(12)配油输出后经配油盘(10)的回油油道排出到无压油源，母叶片(5)相对于子叶片(4)沿径向自由移动。

3.根据权利要求1所述的一种步进叶片式机器人关节，其特征在于：所述的轴芯(3)的一端通过滚动轴承(2)固定在左端盖(1)上，轴芯(3)的另一端与右端盖(9)的内端面接触。

4.根据权利要求1所述的一种步进叶片式机器人关节，其特征在于：所述的一个子叶片(4)的厚度为母叶片(5)厚度的三分之一，子叶片(4)沿径向的内端凸出于母叶片(5)沿径向的内端，子叶片(4)与轴芯(3)紧密贴合并将母叶片(5)两侧的活动液腔阻隔，母叶片(5)向外顶紧外齿轮(6)。

5.根据权利要求1所述的一种步进叶片式机器人关节，其特征在于：所述的内齿轮(7)的旋转角度由叶片组件的个数来调节，还由少齿差齿轮对的几何参数和旋转配油阀(12)的旋转速度来调节。