CN110953304A - 一种适用于机器人整体关节的紧凑型双级行星齿轮减速器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于机器人整体关节的紧凑型双级行星齿轮减速器，包括一级行星齿轮减速器、二级行星齿轮减速器、减速器机壳；减速器机壳的前端连接座外部固连电驱动部件，内部固定一级行星齿轮减速器；减速器机壳的后端连接座固定二级行星齿轮减速器；一级行星齿轮减速器、二级行星齿轮减速器串联布置于减速器机壳内部，电驱动部件输出的动力经电机转子连接盘输入至一级太阳轮，并经过一级行星齿轮减速器、二级行星齿轮减速器的传动，由二级行星架输出。本发明能与电驱动部件配合形成体积小、结构紧凑、重量轻的机器人整体关节，其高功率、大扭矩的动力输出，适用于高性能仿生机器人肢体、工业级机械臂等应用场景。

Description

一种适用于机器人整体关节的紧凑型双级行星齿轮减速器

技术领域

本发明属于减速器技术领域，更具体的说是涉及一种适用于机器人整体关节的紧凑型双级行星齿轮减速器。

背景技术

无论是工业机器人还是仿生机器人，其中的关节部件的机械结构一般包括驱动电机、减速器、传感部件、关节壳体与机电接口等，而其关节结构也在向着紧凑化、一体化、轻量化的方向发展，目前主要的技术方向之一是将关节部件作为一个整体进行设计，并得到集成驱动、传动、机械接口的一体式关节作动器，以此来降低关节的质量、惯量与结构尺寸。

专利CN 106393168A公开了一种机器人关节系统，该关节结构包括谐振供油系统、下机械臂、缸活塞杆、螺旋轴、上机械臂组成。该发明采用谐振供油系统提供动力，通过螺旋摆动杠与关节螺旋轴为关节提供摆动力矩，该系统面向液压驱动的机器人系统，重量大且结构体积较大。

专利CN 102452078A公开了一种机器人关节，包括基座和安装于该基座上的第一驱动电机、第二驱动电机及可相对该基座运动的转接头，该机器人关节由两个驱动电机提供动力，并经过若干齿轮、滑块结构传动，从而驱动机器人关节，该结构面向电驱动式的机器人，但只具备简单的开式传动系统，驱动能力有限。

因此，如何提供一种适用于机器人整体关节的紧凑型双级行星齿轮减速器是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种适用于机器人整体关节的紧凑型双级行星齿轮减速器，将关节壳体、减速器、外设机械接口进行整体化设计，形成结构紧凑的减速器组件，该减速器组件与电驱动部件及传感器装配后可组成机器人整体关节，并具有重量轻、扭矩大、体积小、拓扑结构简单等特点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种适用于机器人整体关节的紧凑型双级行星齿轮减速器，

包括一级行星齿轮减速器、二级行星齿轮减速器、减速器机壳；

所述减速器机壳包括位于前端的前端连接座和位于后端的后端连接座；

所述一级行星齿轮减速器包含一级太阳轮、一级行星轮组件、一级行星架、一级齿圈、一级行星轮轴承、第一外环轴承、第二外环轴承；所述一级行星轮组件包含若干个一级行星轮，所述一级行星轮相对于一级太阳轮的旋转中心轴成等距圆周分布，一级太阳轮与一级行星轮组件通过相互间的齿轮副相啮合；一级行星轮组件通过一级行星轮轴承与一级行星架相连接，并相对于一级行星架形成转动副；一级行星架通过第一外环轴承和第二外环轴承连接于减速器机壳的前端连接座内，并相对减速器机壳形成转动副；一级齿圈与减速器机壳的前端连接座相固连；

所述二级行星齿轮减速器包含二级太阳轮、二级行星轮组件、二级行星架、二级齿圈、二级行星轮轴承、第三外环轴承、第四外环轴承，其中二级行星轮组件包含若干个二级行星轮，所述二级行星轮相对于二级太阳轮的旋转中心轴成等距圆周分布，二级太阳轮与二级行星轮组件通过相互间的齿轮副相啮合；二级行星轮组件通过二级行星轮轴承与二级行星架相连接，并相对于二级行星架形成转动副；二级行星架通过第三外环轴承和第四外环轴承连接于减速器机壳的后端连接座内，并相对减速器机壳形成转动副；二级齿圈与减速器机壳的后端连接座相固连；

一级太阳轮为减速器的输入端，其旋转中心轴为减速器动力输入轴，二级行星架为减速器的输出端，其旋转中心轴为减速器动力输出轴。

优选的，所述一级太阳轮、一级行星架、二级太阳轮、二级行星架的旋转中心轴相共线；

所述一级行星齿轮减速器与二级行星齿轮减速器采用串联传动布局，一级太阳轮输入的旋转动力经由一级行星齿轮减速器变速并输出至一级行星架上，一级行星架与二级太阳轮固接并将旋转动力传递给二级行星齿轮减速器，经二级行星齿轮减速器变速的旋转动力由二级行星架输出。

优选的，减速器总体传动比i＝25～36，所有齿轮的压力角α＝18°～25°。

优选的，所述一级齿圈(14)的分度圆直径d_ref1＝60～100mm，模数m₁＝1～1.5，齿宽B₁＝12～25mm；

所述二级齿圈(24)的分度圆直径d_ref2＝180～200mm，模数m₂＝1.5～2，齿宽B₂＝20～30mm，齿轮螺旋角β₂＝0°～22°；

所述前端连接座(31)的外圈直径为d_red-front＝d_ref1+(10～20mm)；

所述后端连接座(32)的直径d_red-back＝d_ref2+(30～60mm)；

减速器轴向总体长度l＝4×(B₁+B₂)+(2～20mm)。

优选的，所述减速器机壳还包括偏转叉架、连接盘座、第一偏转轴和第二偏转轴，所述偏转叉架设置在所述后端连接座的外周，所述连接盘座设置于所述后端连接座的后端；第一偏转轴和第二偏转轴分别设置于偏转叉架的两侧。

优选的，所述第一偏转轴与第二偏转轴相共轴，第一偏转轴的旋转中心轴与偏转叉架的牵引销孔的几何轴线相平行，第一偏转轴的旋转中心轴与二级行星架的旋转中心轴相交并垂直，第一偏转轴、第二偏转轴用于与机器人机身或前一级关节的机械连接，偏转叉架用于与前一级关节连杆相连。

优选的，所述连接盘座带有若干螺纹连接孔，螺纹连接孔的孔位沿减速器动力输出轴成均布圆环排列，连接盘座用于与机器人连杆构件的机械连接。

优选的，所述一级齿圈与前端连接座相固连的形式为：所述一级齿圈与前端连接座的内圈通过胶接固连。

优选的，所述前端连接座的内圈带有环式胶道，胶道处带有打通至前端连接座外部的若干个胶道螺纹孔，胶道螺纹孔与前端连接座的几何中心线相垂直，孔位绕前端连接座内圈的几何轴线成均布圆环排列；

所述一级齿圈的安装方式为：环式胶道两侧与一级齿圈外圆形成紧密配合，由胶道螺纹孔将胶水压入，之后封闭胶道螺纹孔。

优选的，具有与电驱动部件安装形成机器人整体关节的功能；

所述电驱动部件包括电机转子连接盘、电机定子和电机转子；

所述前端连接座的外圈与电机定子的内圈相连接，使得一级行星齿轮减速器、前端连接座、电机定子三者形成嵌套结构，一级行星齿轮减速器位于前端连接座内，前端连接座位于电机定子的内圈内；

所述电机转子连接盘与一级太阳轮相固连，且两者的旋转中心轴相共线，由所述电机转子连接盘驱动一级太阳轮运动。

优选的，所述前端连接座的外圈与电机定子的内圈相连接的方式为：前端连接座的外圈带有环式及横断式胶道，涂胶后与电机定子的内圈相连接。

本发明的有益效果在于：

1、减速器采用串联式布局，一级行星齿轮减速器布置于电机定子内部，在不增大机体尺寸的情况下使关节减速器的减速比提高了4至5倍，从而提升了关节输出力矩；

2、减速器机壳前端连接座设计有内外胶道及注胶孔，使减速器机壳与一级齿圈、电机定子之间采用胶接固定，降低结构复杂度，减轻结构重量；

3、电机外径与减速器外径进行合理匹配设计，在保证结构整体尺寸不变的条件下提升电机力矩，提升减速器变速功效与电驱动能力的匹配程度；

4、关节外壳与减速器外壳设计为一体，减速器外壳带有侧摆中心轴、侧摆叉架、连接盘座等机械接口，为串联式机械臂提供定位支撑，同时提升壳体的材料利用率，实现一壳多用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明紧凑型双级行星齿轮减速器的总装示意图；

图2是基于本发明紧凑型双级行星齿轮减速器构成机器人整体关节的装配方案实施例示意图；

图3是基于本发明紧凑型双级行星齿轮减速器构成机器人整体关节的爆炸示意图；

图4是本发明一级行星齿轮减速器爆炸示意图；

图5是本发明二级行星齿轮减速器爆炸示意图；

图6是本发明减速器机壳示意图；

图7是本发明一种适用于机器人整体关节的紧凑型双级行星齿轮减速器机械臂装配方案实施例示意图。

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。

如图1-7所示，本发明提供了一种适用于机器人整体关节的紧凑型双级行星齿轮减速器，包含一级行星齿轮减速器1、二级行星齿轮减速器2、减速器机壳3三部分。减速器总体传动比i＝25～36，所有齿轮的压力角α＝18°～25°；一级齿圈14的分度圆直径d_ref1＝60～100mm，模数m₁＝1～1.5，齿宽B₁＝12～25mm；二级齿圈24的分度圆直径d_ref2＝180～200mm，模数m₂＝1.5～2，齿宽B₂＝20～30mm，齿轮螺旋角β₂＝0°～22°；前端连接座31的外圈直径为d_red-front＝d_ref1+(10～20mm)；后端连接座32的直径d_red-back＝d_ref2+(30～60mm)；减速器轴向总体长度l＝4×(B₁+B₂)+(2～20mm)。

如图2所示，一种基于本发明减速器的机器人关节装配方案实施例。

其中，一级齿圈14与前端连接座31的内圈通过胶接固连，电机定子422与前端连接座32的外圈通过胶接固连。前端连接座31的内圈带有环式胶道312，环式胶道312的宽度b₁＝10～12mm，深度d_δ1＝0.1～0.15mm，胶道处带有打通至前端连接座31外部的若干个胶道螺纹孔，胶道螺纹孔与前端连接座31的几何中心线相垂直，孔位绕前端连接座31内圈的几何轴线成均布圆环排列。在进行一级齿圈14的装配工作时，环式胶道312两侧与一级齿圈14外圆形成紧密配合，由胶道螺纹孔将胶水压入，之后封闭胶道螺纹孔；前端连接座31的外圈带有环式及横断式胶道311，在进行电机定子422的装配工作时，环式及横断式胶道311涂胶后与电机定子422的内圈相连接，环式及横断式胶道311的宽度b₃＝20～30mm，深度d_δ3＝0.1～0.5mm。

如图3所示，带有电驱动部件的减速器的爆炸示意图，其中一级行星齿轮减速器1、二级行星齿轮减速器2、减速器机壳3属于减速器部件，电机转子连接盘421、电机定子422属于电驱动部件。

一级行星架13通过第一外环轴承和第二外环轴承连接于减速器机壳3的前端连接座31内，并相对减速器机壳3形成转动副，一级齿圈14与减速器机壳3的前端连接座31相固连；二级行星架23通过第三外环轴承和第四外环轴承连接于减速器机壳3的后端连接座32内，并相对减速器机壳3形成转动副，二级齿圈24与减速器机壳3的后端连接座32相固连。

电驱动部件42包括电机转子连接盘421、电机定子422和电机转子。电机转子连接盘421与电机定子固连，电机定子422的内圈与前端连接座31的外圈相连接，使得一级行星齿轮减速器1、前端连接座31、电机定子422三者形成嵌套结构，即一级行星齿轮减速器1位于前端连接座31内，前端连接座31位于电机定子422的内圈内，电机转子连接盘421与一级太阳轮11相固连，且两者的旋转中心轴相共线，由电机转子连接盘421驱动一级太阳轮11运动。

一级太阳轮11为减速器的输入端，其旋转中心轴为减速器动力输入轴，二级行星架23为减速器的输出端，其旋转中心轴为减速器动力输出轴。

如图4所示，一级行星齿轮减速器1包含一级太阳轮11、一级行星轮组件12、一级行星架13、一级齿圈14、一级行星轮轴承、第一外环轴承、第二外环轴承，一级行星轮组件12包含若干个完全一样的一级行星轮，一级行星轮相对于一级太阳轮11的旋转中心轴成等距圆周分布，一级太阳轮11与一级行星轮组件12通过相互间的齿轮副相啮合；一级行星轮组件12通过一级行星轮轴承与一级行星架13相连接，并相对于一级行星架13形成转动副。

如图5所示，二级行星齿轮减速器2包含二级太阳轮21、二级行星轮组件22、二级行星架23、二级齿圈24、二级行星轮轴承、第三外环轴承、第四外环轴承，其中二级行星轮组件22包含若干个完全一样的二级行星轮，二级行星轮相对于二级太阳轮21的旋转中心轴成等距圆周分布，二级太阳轮21与二级行星轮组件22通过相互间的齿轮副啮合；二级行星轮组件22通过二级行星轮轴承与二级行星架23相连接，并相对于二级行星架23形成转动副；优选地，二级行星齿轮减速器2采用斜齿，螺旋角不大于22°，以降低重量。

一级太阳轮11、一级行星架13、二级太阳轮21、二级行星架23的旋转中心轴相共线；一级行星齿轮减速器1与二级行星齿轮减速器2采用串联传动布局，一级太阳轮11输入的旋转动力经由一级行星齿轮减速器1变速并输出至一级行星架13上，一级行星架13与二级太阳轮21固接并将旋转动力传递给二级行星齿轮减速器2，经二级行星齿轮减速器2变速的旋转动力由二级行星架23输出。

如图6所示，减速器机壳3包括前端连接座31、后端连接座32、偏转叉架331、连接盘座332、第一偏转轴333、第二偏转轴334。前端连接座31设置于减速器机壳3的前端，后端连接座32设置于减速器机壳3的后端，偏转叉架331设置在后端连接座32的外周，连接盘座332设置于后端连接座32的后端；第一偏转轴333和第二偏转轴334分别设置于偏转叉架331的两侧。

第一偏转轴333与第二偏转轴334相共轴，第一偏转轴333的旋转中心轴与偏转叉架331的牵引销孔的几何轴线相平行，第一偏转轴333的旋转中心轴与二级行星架23的旋转中心轴相交并垂直，第一偏转轴333、第二偏转轴334用于与机器人机身或前一级关节的机械连接；偏转叉架331用于与前一级关节连杆相连；连接盘座332带有若干螺纹连接孔，螺纹连接孔的孔位沿减速器动力输出轴成均布圆环排列，连接盘座332用于与机器人连杆构件的机械连接。

如图7所示，一种基于本发明减速器的机械臂装配方案实施例，该实施例为某仿生机器人腿足结构的髋关节部分。其中，第一偏转轴333与第二偏转轴334分别通过轴承44与机器人机身连接，从而保证腿足结构在侧摆方向上的自由度，侧摆连杆45通过铰链与偏转叉架331连接，侧摆电机带动侧摆连杆41实现腿足结构的侧摆运动；辅助部件45包含轴流风扇、传感器等部件，用于电机的工况控制和驱动控制；电驱动部件42输出的动力经过一级行星齿轮减速器1、二级行星齿轮减速器2变速后由二级行星架23输出至大腿板43上，从而驱动大腿板43摆动，实现髋关节运动。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (11)

1.一种适用于机器人整体关节的紧凑型双级行星齿轮减速器，其特征在于：

包括一级行星齿轮减速器(1)、二级行星齿轮减速器(2)、减速器机壳(3)；

所述减速器机壳(3)包括位于前端的前端连接座(31)和位于后端的后端连接座(32)；

所述一级行星齿轮减速器(1)包含一级太阳轮(11)、一级行星轮组件(12)、一级行星架(13)、一级齿圈(14)、一级行星轮轴承、第一外环轴承、第二外环轴承；所述一级行星轮组件(12)包含若干个一级行星轮，所述一级行星轮相对于一级太阳轮(11)的旋转中心轴成等距圆周分布，一级太阳轮(11)与一级行星轮组件(12)通过相互间的齿轮副相啮合；一级行星轮组件(12)通过一级行星轮轴承与一级行星架(13)相连接，并相对于一级行星架(13)形成转动副；一级行星架(13)通过第一外环轴承和第二外环轴承连接于减速器机壳(3)的前端连接座(31)内，并相对减速器机壳(3)形成转动副；一级齿圈(14)与减速器机壳(3)的前端连接座(31)相固连；

所述二级行星齿轮减速器(2)包含二级太阳轮(21)、二级行星轮组件(22)、二级行星架(23)、二级齿圈(24)、二级行星轮轴承、第三外环轴承、第四外环轴承，其中二级行星轮组件(22)包含若干个二级行星轮，所述二级行星轮相对于二级太阳轮(21)的旋转中心轴成等距圆周分布，二级太阳轮(21)与二级行星轮组件(22)通过相互间的齿轮副相啮合；二级行星轮组件(22)通过二级行星轮轴承与二级行星架(23)相连接，并相对于二级行星架(23)形成转动副；二级行星架(23)通过第三外环轴承和第四外环轴承连接于减速器机壳(3)的后端连接座(32)内，并相对减速器机壳(3)形成转动副；二级齿圈(24)与减速器机壳(3)的后端连接座(32)相固连；

一级太阳轮(11)为减速器的输入端，其旋转中心轴为减速器动力输入轴，二级行星架(23)为减速器的输出端，其旋转中心轴为减速器动力输出轴。

2.根据权利要求1所述一种适用于机器人整体关节的紧凑型双级行星齿轮减速器，其特征在于：

所述一级太阳轮(11)、一级行星架(13)、二级太阳轮(21)、二级行星架(23)的旋转中心轴相共线；

所述一级行星齿轮减速器(1)与二级行星齿轮减速器(2)采用串联传动布局，一级太阳轮(11)输入的旋转动力经由一级行星齿轮减速器(1)变速并输出至一级行星架(13)上，一级行星架(13)与二级太阳轮(21)固接并将旋转动力传递给二级行星齿轮减速器(2)，经二级行星齿轮减速器(2)变速的旋转动力由二级行星架(23)输出。

3.根据权利要求1所述一种适用于机器人整体关节的紧凑型双级行星齿轮减速器，其特征在于：

减速器总体传动比i＝25～36，所有齿轮的压力角α＝18°～25°。

4.根据权利要求1所述一种适用于机器人整体关节的紧凑型双级行星齿轮减速器，其特征在于：

所述一级齿圈(14)的分度圆直径d_ref1＝60～100mm，模数m₁＝1～1.5，齿宽B₁＝12～25mm；

所述二级齿圈(24)的分度圆直径d_ref2＝180～200mm，模数m₂＝1.5～2，齿宽B₂＝20～30mm，齿轮螺旋角β₂＝0°～22°；

所述前端连接座(31)的外圈直径为d_red-front＝d_ref1+(10～20mm)；

所述后端连接座(32)的直径d_red-back＝d_ref2+(30～60mm)；

减速器轴向总体长度l＝4×(B₁+B₂)+(2～20mm)。

5.根据权利要求1所述一种适用于机器人整体关节的紧凑型双级行星齿轮减速器，其特征在于：

所述减速器机壳(3)还包括偏转叉架(331)、连接盘座(332)、第一偏转轴(333)和第二偏转轴(334)，所述偏转叉架(331)设置在所述后端连接座(32)的外周，所述连接盘座(332)设置于所述后端连接座(32)的后端；第一偏转轴(333)和第二偏转轴(334)分别设置于偏转叉架(331)的两侧。

6.根据权利要求5所述一种适用于机器人整体关节的紧凑型双级行星齿轮减速器，其特征在于：

所述第一偏转轴(333)与第二偏转轴(334)相共轴，第一偏转轴(333)的旋转中心轴与偏转叉架(331)的牵引销孔的几何轴线相平行，第一偏转轴(333)的旋转中心轴与二级行星架(23)的旋转中心轴相交并垂直，第一偏转轴(333)、第二偏转轴(334)用于与机器人机身或前一级关节的机械连接，偏转叉架(331)用于与前一级关节连杆相连。

7.根据权利要求5或6所述一种适用于机器人整体关节的紧凑型双级行星齿轮减速器，其特征在于：

所述连接盘座(332)带有若干螺纹连接孔，螺纹连接孔的孔位沿减速器动力输出轴成均布圆环排列，连接盘座(332)用于与机器人连杆构件的机械连接。

8.根据权利要求1所述一种适用于机器人整体关节的紧凑型双级行星齿轮减速器，其特征在于：

所述一级齿圈(14)与前端连接座(31)相固连的形式为：所述一级齿圈(14)与前端连接座(31)的内圈通过胶接固连。

9.根据权利要求8所述一种适用于机器人整体关节的紧凑型双级行星齿轮减速器，其特征在于：

所述前端连接座(31)的内圈带有环式胶道(312)，胶道处带有打通至前端连接座(31)外部的若干个胶道螺纹孔，胶道螺纹孔与前端连接座(31)的几何中心线相垂直，孔位绕前端连接座(31)内圈的几何轴线成均布圆环排列；

所述一级齿圈(14)的安装方式为：环式胶道(312)两侧与一级齿圈(14)外圆形成紧密配合，由胶道螺纹孔将胶水压入，之后封闭胶道螺纹孔。

10.根据权利要求1所述一种适用于机器人整体关节的紧凑型双级行星齿轮减速器，其特征在于：

具有与电驱动部件(42)安装形成机器人整体关节的功能；

所述电驱动部件(42)包括电机转子连接盘(421)、电机定子(422)和电机转子；

所述前端连接座(31)的外圈与电机定子(422)的内圈相连接，使得一级行星齿轮减速器(1)、前端连接座(31)、电机定子(422)三者形成嵌套结构，一级行星齿轮减速器(1)位于前端连接座(31)内，前端连接座(31)位于电机定子(422)的内圈内；

所述电机转子连接盘(421)与一级太阳轮(11)相固连，且两者的旋转中心轴相共线，由所述电机转子连接盘(421)驱动一级太阳轮(11)运动。

11.根据权利要求10所述一种适用于机器人整体关节的紧凑型双级行星齿轮减速器，其特征在于：

所述前端连接座(31)的外圈与电机定子(422)的内圈相连接的方式为：前端连接座(31)的外圈带有环式及横断式胶道(311)，涂胶后与电机定子(422)的内圈相连接。

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