CN110345230B - 一种机器人关节无级变速装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机器人关节无级变速装置，以由液压缸驱动可移动的左支架与固定的右支架为框架，输入偏心轴设于右支架上，输出轴设于左支架上，通过行星减速机构传递动力，所述行星减速机构的一对太阳带轮与一对行星带轮之间通过传动带传动，左太阳带轮与右行星带轮分别与左支架连接，能够随左支架一起做轴向平行，实现一对太阳带轮与一对行星带轮之间轴向间距可调。本发明能够改变传动带在一对太阳带轮及一对行星带轮上的有效工作半径，进而改变传动比，实现无级变速。

Description

一种机器人关节无级变速装置

技术领域

本发明涉及机械设备领域，更具体地说是一种机器人关节无级变速装置。

背景技术

机器人系统是由机器人和作业对象及环境共同构成的整体，包括机械系统、驱动系统、控制系统和感知系统四大部分。机器人是一种自动化的机器，这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。机器人本体主要包含减速机、控制器、驱动电机三大关键零部件，它们也占据了机器人产业成本中很大的部分，共同决定了产品的性能、质量以及价格。

与通用减速器相比，机器人减速器要求具备结构紧凑、传递功率大、噪声低、传动平稳等特性。由于工作的特殊性，机器人关节的输出速度和扭矩需要频繁改变，当机器人关节采用电机搭载固定速比的减速器工作时，固定速比会导致关节工作远达不到电机的峰值效率或峰值功率，这种搭配方式难以发挥电机的最优性能。可变传动比减速器能够使电机工作在其峰值效率或峰值功率附近，但是由于其尺寸、重量和复杂的结构，一直未被应用于机器人产品。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题。为此，本发明提出一种机器人关节无级变速装置，结构简单、布局紧凑，可实现无级变速。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种机器人关节无级变速装置，其结构特点是：

左支架与右支架呈左右对立布置，以设于右支架上的输入偏心轴为输入端，以设于左支架上的输出轴为输出端，输入端的动力由行星减速机构传递至输出端；

所述行星减速机构包括呈左右相对且分别固设于左支架与右支架上的左太阳带轮与右太阳带轮、同轴套装形成同步回转构件的左行星带轮与右行星带轮以及张紧于一对太阳带轮与一对行星带轮之间用于传动的传动带；

一对太阳带轮与所述输出轴呈同轴设置，一对行星带轮处于一对太阳带轮之间，且是偏心地内置于一对太阳带轮轴孔所围设的径向区域中；所述左行星带轮通过轴承同轴套装于输入偏心轴的轴体上，右行星带轮相对左行星带轮的轴向间距可调，柱销沿左右向可活动地贯穿左行星带轮，一端与右行星带轮固连，另一端通过法兰轴承装配于输出轴右端输出盘上的安装孔中，所述法兰轴承的外圈内切于安装孔的内壁面；所述传动带为径向断面呈闭口端朝向圆心的V形结构的环形体，轴线方向与输入偏心轴、输出轴及柱销的轴线方向相平行，一对行星带轮与一对太阳带轮分别与传动带闭口端的两侧面及开口端的两侧面相接触；

所述右支架为固定构件，左支架能够由液压缸驱动，经导向杆导向沿左右向平移，带动左太阳带轮及右行星带轮沿轴向移动，实现对一对太阳带轮之间及一对行星带轮之间轴向间距的调节。

本发明的结构特点也在于：

一对行星带轮相对侧的端面及一对太阳带轮相对侧的端面均呈楔形面状，分别紧密接触于传动带闭口端两侧面与开口端两侧面；所述传动带的闭口端末端呈水平端面结构，所述左行星带轮的轮轴自水平端面的左侧向右延伸，露出于水平端面的右侧，轮轴外圆周与水平端面之间沿径向留有间隙，右行星带轮通过中心轴孔套装于左行星带轮轮轴的右侧露出端上。

所述传动带是由若干金属片沿周向套装于柔性环状金属环上组装而成，其中至少两个金属片与金属环之间设有限位销。

所述液压缸包括与一对太阳带轮呈同心安装的环形缸筒、封装于环形缸筒端部的缸盖以及设于环形缸筒内的活塞推杆，所述环形缸筒上设有与环形缸筒筒内连通的左进出油口与右进出油口，所述活塞推杆能够沿左右向伸缩，杆端与左支架固连，所述导向杆一端固连于右支架上，另一端由左支架上的直线轴承支承，输入偏心轴的轴体、行星减速机构与输出轴的右轴端位于环形缸筒围设形成的空腔中。

所述安装孔的孔径D1、法兰轴承外圈的外径D2与输入偏心轴的偏心距a应满足：D1-D2＝2a。

所述输入偏心轴由输入端轴承支承于右支架上，偏心轴上的孔作为与输入电机电机轴装配的安装孔，所述输出轴由输出端轴承支承于左支架上。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明利用行星减速机构实现输入端向输出端的动力传递，其中一对行星带轮处于一对太阳带轮之间，且是偏心地置于一对太阳带轮轴孔所围设的径向区域内，使装置整体结构简单、布局紧凑，能够更好地契合机器人产品的安装需求；

2、本发明可以通过液压缸驱动左支架线性移动，进而带动左太阳带轮与右行星带轮轴向移动，能够同时调节一对行星带轮的轴向间距与一对太阳带轮的轴向间距，从而改变传动带在一对太阳带轮及一对行星带轮上的有效工作半径，进而改变传动比，实现无级变速；

3、本发明通过调节一对行星带轮与一对太阳带轮上的有效工作半径，能够实现正向、空挡和反向输出。

附图说明

图1是本发明的半剖立体结构示意图；

图2是本发明的剖视结构示意图；

图3是图2中C处的局部放大示意图；

图4a～4d是一对太阳带轮、一对行星带轮与传动带各配合状态的结构示意图。

图中标号：1右支架；2输入偏心轴；3输入端轴承；4右行星带轮；5传动带；6左行星带轮；7环形缸筒；8轴用导向环；9活塞推杆；10孔用密封圈；11轴用密封圈；12孔用导向环；13缸盖密封圈；14缸盖；15左支架；16直线轴承；17导向杆；18法兰轴承；19输出端轴承；20柱销；21输出轴；22输出盘盖板；23输出盘；24左太阳带轮；25右太阳带轮；26金属环；27金属片；28限位销。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，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作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。

请参照图1与图3，本实施例的机器人关节无级变速装置结构如下：

左支架15与右支架1呈左右对立布置，以设于右支架1上的输入偏心轴2为输入端，以设于左支架15上的输出轴21为输出端，输入端的动力由行星减速机构传递至输出端；

行星减速机构包括呈左右相对且分别固设于左支架15与右支架1上的左太阳带轮24与右太阳带轮25、同轴套装形成同步回转构件的左行星带轮6与右行星带轮4以及张紧于一对太阳带轮与一对行星带轮之间用于传动的传动带5；

一对太阳带轮与输出轴21呈同轴设置，一对行星带轮处于一对太阳带轮之间，且是偏心地内置于一对太阳带轮轴孔所围设的径向区域中；左行星带轮6通过轴承同轴套装于输入偏心轴2的轴体上，右行星带轮4相对左行星带轮6的轴向间距可调，柱销20沿左右向可活动地贯穿左行星带轮6，一端与右行星带轮4固连，另一端通过法兰轴承18装配于输出轴21右端输出盘23上的安装孔中，法兰轴承18的外圈内切于安装孔的内壁面；传动带5为径向断面呈闭口端朝向圆心的V形结构的环形体，轴线方向与输入偏心轴2、输出轴21及柱销20的轴线方向相平行，一对行星带轮与一对太阳带轮分别与传动带5闭口端的两侧面及开口端的两侧面相接触；

右支架1为固定构件，左支架15能够由液压缸驱动，经导向杆17导向沿左右向平移，带动左太阳带轮24及右行星带轮4沿轴向移动，实现对一对太阳带轮之间及一对行星带轮之间轴向间距的调节。

具体实施中，相应的结构设置也包括：

一对行星带轮相对侧的端面及一对太阳带轮相对侧的端面均呈楔形面状，分别紧密接触于传动带5闭口端两侧面与开口端两侧面；传动带5的闭口端末端呈水平端面结构，左行星带轮6的轮轴自水平端面的左侧向右延伸，露出于水平端面的右侧，轮轴外圆周与水平端面之间沿径向留有间隙，右行星带轮4通过中心轴孔套装于左行星带轮6轮轴的右侧露出端上。

传动带5是由多个金属片27沿周向套装于柔性环状金属环26上组装而成，其中至少两个金属片与金属环之间设有限位销28，限制金属环的左右向移动。

液压缸包括与一对太阳带轮呈同心安装的环形缸筒7、封装于环形缸筒7端部的缸盖14以及设于环形缸筒7内的活塞推杆9，环形缸筒7上设有与环形缸筒7筒内连通的左进出油口与右进出油口，活塞推杆9能够沿左右向伸缩，杆端与左支架15固连，导向杆17一端固连于右支架1上，另一端由左支架15上的直线轴承16支承，输入偏心轴2的轴体、行星减速机构与输出轴21的右轴端位于环形缸筒7围设形成的空腔中。

其中，缸盖14与环形缸筒7之间通过缸盖密封圈13密封，活塞推杆9与环形缸筒7内壁之间通过轴用密封圈11、孔用密封圈10密封，活塞推杆9由轴用导向环8与孔用导向环12支承与导向。

输出盘23上安装孔的孔径D1、法兰轴承18外圈的外径D2与输入偏心轴2的偏心距a应满足：D1-D2＝2a，从而，本装置能够实现将行星带轮的自转转化为与太阳带轮的同心的转动，而行星减速机构是以行星带轮的自转作为输出部分，也即，经本装置转化后，可以将其转化为与太阳带轮同心的输出。

此外，输出盘23与输出轴21右轴端之间夹装有输出盘盖板22。

输入偏心轴2由输入端轴承3支承于右支架1上，偏心轴上的孔作为与输入电机电机轴装配的安装孔，输出轴21由输出端轴承19支承于左支架15上。

具有上述结构的机器人关节无极变速装置的工作过程如下：

固定右支架1，可通过调节液压缸左进出油口和右进出油口的油压，使活塞推杆9推到合适位置，调节左支架15相对右支架1的间距，也即，调节一对行星带轮和一对太阳带轮的轴向相对间距。将输入电机的电机轴装配于输入偏心轴2的偏心孔上，由输入电机驱动输入偏心轴2转动，继而带动一对行星带轮公转，传动带5实现一对行星带轮与一对太阳带轮之间的传动，从而带动一对行星带轮自转，一对行星带轮通过法兰轴承18带动输出盘23转动，继而带动输出轴21转动。

上述工作过程中，如图4a所示，当一对行星带轮与一对太阳带轮同心时，一对行星带轮和一对太阳带轮具有相同的有效工作半径。图4c中，一对行星带轮和一对太阳带轮存在一定的偏心，但是一对行星带轮和一对太阳带轮仍然具有相同的有效工作半径，此时装置输出为空挡。图4b中，左太阳带轮24和右行星带轮4基于图4c中的相应位置向左移动，且移动到极限位置，此时一对行星带轮的有效工作半径大于一对太阳带轮的有效工作半径，装置正向输出。图4d中，左太阳带轮24和右行星带轮4基于图4c中的相应位置向右移动，且移动到极限位置，此时一对行星带轮的有效工作半径小于一对太阳带轮的有效工作半径，装置反向输出。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种机器人关节无级变速装置，其特征是：

左支架（15）与右支架（1）呈左右对立布置，以设于右支架（1）上的输入偏心轴（2）为输入端，以设于左支架（15）上的输出轴（21）为输出端，输入端的动力由行星减速机构传递至输出端；

所述行星减速机构包括呈左右相对且分别固设于左支架（15）与右支架（1）上的左太阳带轮（24）与右太阳带轮（25）、同轴套装形成同步回转构件的左行星带轮（6）与右行星带轮（4）以及张紧于一对太阳带轮与一对行星带轮之间用于传动的传动带（5）；

一对行星带轮相对侧的端面及一对太阳带轮相对侧的端面均呈楔形面状，分别紧密接触于传动带（5）闭口端两侧面与开口端两侧面；所述传动带（5）的闭口端末端呈水平端面结构，所述左行星带轮（6）的轮轴自水平端面的左侧向右延伸，露出于水平端面的右侧，轮轴外圆周与水平端面之间沿径向留有间隙，右行星带轮（4）通过中心轴孔套装于左行星带轮（6）轮轴的右侧露出端上；

一对太阳带轮与所述输出轴（21）呈同轴设置，一对行星带轮处于一对太阳带轮之间，且是偏心地内置于一对太阳带轮轴孔所围设的径向区域中；所述左行星带轮（6）通过轴承同轴套装于输入偏心轴（2）的轴体上，右行星带轮（4）相对左行星带轮（6）的轴向间距可调，柱销（20）沿左右向可活动地贯穿左行星带轮（6），一端与右行星带轮（4）固连，另一端通过法兰轴承（18）装配于输出轴（21）右端输出盘（23）上的安装孔中，所述法兰轴承（18）的外圈内切于安装孔的内壁面；所述传动带（5）为径向断面呈闭口端朝向圆心的V形结构的环形体，轴线方向与输入偏心轴（2）、输出轴（21）及柱销（20）的轴线方向相平行，一对行星带轮与一对太阳带轮分别与传动带（5）闭口端的两侧面及开口端的两侧面相接触；

所述右支架（1）为固定构件，左支架（15）能够由液压缸驱动，经导向杆（17）导向沿左右向平移，带动左太阳带轮（24）及右行星带轮（4）沿轴向移动，实现对一对太阳带轮之间及一对行星带轮之间轴向间距的调节；

所述液压缸包括与一对太阳带轮呈同心安装的环形缸筒（7）、封装于环形缸筒（7）端部的缸盖（14）以及设于环形缸筒（7）内的活塞推杆（9），所述环形缸筒（7）上设有与环形缸筒（7）筒内连通的左进出油口与右进出油口，所述活塞推杆（9）能够沿左右向伸缩，杆端与左支架（15）固连，所述导向杆（17）一端固连于右支架（1）上，另一端由左支架（15）上的直线轴承（16）支承，输入偏心轴（2）的轴体、行星减速机构与输出轴（21）的右轴端位于环形缸筒（7）围设形成的空腔中。

2.根据权利要求1所述的机器人关节无级变速装置，其特征是：所述传动带（5）是由若干金属片（27）沿周向套装于柔性环状金属环（26）上组装而成，其中至少两个金属片与金属环之间设有限位销（28）。

3.根据权利要求1所述的机器人关节无级变速装置，其特征是：所述安装孔的孔径D1、法兰轴承（18）外圈的外径D2与输入偏心轴（2）的偏心距a应满足：D1-D2=2a。

4.根据权利要求1所述的机器人关节无级变速装置，其特征是：所述输入偏心轴（2）由输入端轴承（3）支承于右支架（1）上，偏心轴上的孔作为与输入电机电机轴装配的安装孔，所述输出轴（21）由输出端轴承（19）支承于左支架（15）上。