CN111015643B - 离合器、舵机及机器人 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种离合器，包括输出齿轮、转轴，以及设于转轴的至少一个离合齿；输出齿轮开设有容置槽，输出齿轮于容置槽的内侧壁开设有适配于离合齿的多个内齿槽；离合齿远离转轴的一端具有第一接触弧面，内齿槽具有与第一接触弧面相接触的第二接触弧面；离合齿开设有形变孔。在离合齿与输出齿轮接触的位置设置第一接触弧面，也即离合齿的顶部为圆柱结构，相对于渐开线式的齿轮，其接触区域更大，可有效降低传动过程中的振动。同时在输出齿轮的内齿槽内设置第二接触弧面，该接触弧面与离合齿的第一接触弧面相接触，因此发生离合打滑时，由于第一接触弧面及第二接触弧面较为平缓，易于实现跳齿来实现安全离合。

Description

离合器、舵机及机器人

技术领域

本申请涉及机器人结构领域，尤其涉及一种离合器、舵机及机器人。

背景技术

安全离合器又称为扭力限制器，通过机械结构将扭力限制在预设安全值以下，现有的离合结构，通常采用弹簧滚珠结构或者是上下压盘结构，对应结构复杂，成本较高，另外尺寸相对较大。舵机是机器人关节运动的核心部件，其通电机与齿轮组合，输出较大的扭矩合特定转角，为了实现结构的小型化和灵巧化，小型舵机结构设计成为新的需求，由于舵机结构内部预留设计空间小，再考虑到大批量化制造，故而上述常见结构无法满足设计需求。且现有的离合齿与内齿槽均为三角形结构，离合齿跳齿较为不易，因此离合齿容易折断。

发明内容

本申请的一个目的在于提供一种离合器，旨在解决现有技术中，离合齿跳齿不易的问题。

为达此目的，本申请采用以下技术方案：

离合器，包括输出齿轮、转轴，以及设于所述转轴的至少一个离合齿；所述输出齿轮开设有容置槽，所述输出齿轮于所述容置槽的内侧壁开设有适配于所述离合齿的多个内齿槽；所述离合齿远离所述转轴的一端具有第一接触弧面，所述内齿槽具有与所述第一接触弧面相接触的第二接触弧面；所述离合齿开设有形变孔。

进一步地，所述第一接触弧面与所述第二接触弧面的曲率半径相同。

进一步地，所述第一接触弧面的曲率半径的范围为1.7毫米-1.8毫米。

进一步地，所述离合齿开设有形变孔。

进一步地，所述离合齿还具有与所述第一接触弧面相连的第一形变弧面及第二形变弧面；所述第一接触弧面位于所述第一形变弧面与所述第二形变弧面之间。

进一步地，所述第一形变弧面的圆心位于所述第一形变弧面远离所述形变孔的一侧；所述第二形变弧面的圆心位于所述第二形变弧面远离所述形变孔的一侧。

进一步地，所述形变孔具有依次相连的第一弧面壁、第二弧面壁、第三弧面壁及第四弧面壁；所述第一弧面壁与所述第三弧面壁相对且间隔设置；所述第一弧面壁及所述第三弧面壁的曲率半径与所述第一接触弧面的曲率半径相同；所述第四弧面壁与第一形变弧面的曲率半径相同；所述第二弧面壁与所述第二形变弧面的曲率半径相同。

进一步地，所述离合齿的数量为大于或等于3的奇数个；各个所述离合齿位于同一圆周上，且各个所述离合齿位于该圆周的不同直径上。

进一步地，所述转轴上开设有舵盘连接花键。

进一步地，所述转轴上设有编码器连接器。

进一步地，相邻所述内齿槽之间设有过渡弧面；所述容置槽为圆形槽；所述输出齿轮为注塑件；所述转轴与所述离合齿为一体件，所述转轴与所述离合齿为注塑件。

进一步地，所述输出齿轮于所述容置槽的槽底开设有让位孔，所述转轴贯穿所述让位孔；所述转轴与所述让位孔的内壁之间形成有间隙。

本申请的另一个目的在于提供一种舵机，包括壳体、驱动电机、与所述驱动电机的输出轴相连的减速齿轮组，以及上述任一实实施例所述的离合器；所述输出齿轮与所述减速齿轮组相啮合，所述转轴转动安装于所述壳体上。

本申请的再一个目的在于提供一种机器人，包括上述实施例所述的舵机。

本申请的有益效果：在离合齿与输出齿轮接触的位置设置第一接触弧面，也即离合齿的顶部为圆柱结构，相对于渐开线式的齿轮，其接触区域更大，传动的稳定性强，可有效降低传动过程中的振动。同时在输出齿轮的内齿槽内设置第二接触弧面，也即内齿槽的槽底与内壁相连形成该第二接触弧面，该接触弧面与离合齿的第一接触弧面相接触，因此发生离合打滑时，由于第一接触弧面及第二接触弧面较为平缓，易于实现跳齿来实现安全离合，且离合齿不易于折断损坏。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，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申请的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请的实施例中离合器的结构示意图；

图2为图1中的离合器的分解图；

图3为本申请的实施例中多个离合齿以圆周分布的方式设置于转轴上的示意图；

图4为图1中的输出齿轮的结构示意图；

图5为图1中的离合器的另一视角的结构示意图；

图6为本申请的实施例中输出齿轮的内齿槽的第二接触弧面与离合齿的第一接触弧面接触时的受力原理图；

图7为本申请的实施例中第一接触弧面的曲率半径大小与其挤压应力变化的曲线图；

图8为图6中a处各点在离合齿及转轴结构图上的对应点的参照图；

图9为本申请实施例中舵机的结构示意图；

图中：

1、输出齿轮；11、容置槽；12、内齿槽；121、第二接触弧面；13、过渡弧面；14、让位孔；

2、转轴；21、连接花键；22、编码器连接器；

3、离合齿；31、第一接触弧面；32、形变孔；321、第一弧面壁；322、第二弧面壁；323、第三弧面壁；324、第四弧面壁；33、第一形变弧面；34、第二形变弧面；

4、间隙；5、壳体；6、驱动电机；7、减速齿轮组。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

以下结合具体实施例对本申请的实现进行详细的描述。

如图1-图3所示，本申请实施例提出了一种离合器，包括输出齿轮1、转轴2，以及设于转轴2的至少一个离合齿3；输出齿轮1开设有容置槽11，输出齿轮1于容置槽11的内侧壁开设有适配于离合齿3的多个内齿槽12；离合齿3远离转轴2的一端具有第一接触弧面31，内齿槽12具有与第一接触弧面31相接触的第二接触弧面121。

在本申请的实施例中，在离合齿3与输出齿轮1接触的位置设置第一接触弧面31，也即离合齿3的顶部为圆柱结构，相对于渐开线式的齿轮，其接触区域更大，传动的稳定性强，可有效降低传动过程中的振动。同时在输出齿轮1的内齿槽12内设置第二接触弧面121，也即内齿槽12的槽底与内壁相连形成该第二接触弧面121，该接触弧面与离合齿3的第一接触弧面31相接触，因此发生离合打滑时，由于第一接触弧面31及第二接触弧面121较为平缓，易于实现跳齿来实现安全离合，且离合齿3不易于折断损坏。跳齿：离合齿3将从原始啮合区域跳入到下一个啮合区域现象。

进一步地，请参阅图1-图3，作为本申请提供的离合器的另一种具体实施方式，第一接触弧面31与第二接触弧面121的曲率半径相同，因此离合齿3啮合于内齿槽12时，第二接触弧面121可完全的覆盖第一接触弧面31并与第一接触弧面31实现较为完全的面接触，进一步提升传动的稳定性。且由于第一接触弧面31与第二接触弧面121的曲率半径相同，因此离合齿3与内齿槽12之间的相互作用力对二者的形变接近于一样，使得离合齿3更易于实现跳齿来实现安全离合，且离合齿3不易于折断损坏。

进一步地，请参阅图1-图3，作为本申请提供的离合器的另一种具体实施方式，第一接触弧面31的曲率半径的范围为1.7毫米-1.8毫米。于其他实施例中，第一接触弧面31的曲率半径也可为1.7毫米、1.71毫米……1.75毫米……1.8毫米。

舵机是机器人关节运动的核心部件，其通电机与齿轮组合，输出较大的扭矩合特定转角，为了实现结构的小型化和灵巧化，小型舵机结构设计成为新的需求，由于舵机结构内部预留设计空间小，再考虑到大批量化制造，需要将离合器设置为足够小。

当第一接触弧面31与第二接触弧面121的曲率半径相同时。

为了设计出符合小型舵机的需求的离合器，以下结合附图6对离合器的尺寸进行优化原理进行计算：

在整个旋转的过程中，一般地，输出齿轮1与离合齿3之间会产生挤压应力，由于结构是对称的，这里只需取其一进行分析即可。如图6所示(图6为输出齿轮1的内齿槽12的第二接触弧面121与离合齿3的第一接触弧面31接触时的受力原理图)，由圆弧EBG(圆心为A，半径为AB；EBG为第一接触弧面31与第二接触弧面121的曲率半径相同时对应的圆弧；也即半径AB即为第一接触弧面31与第二接触弧面121的曲率半径)和圆弧EDG(圆心为O，半径为OE；圆弧EDG由于对应角度较小且半径较大，因此于图6中显示的圆弧EDG为近似直线；OE为第一接触弧面31的左边边缘与转轴2的轴线的垂线，O点为转轴2轴线上的某一点)组成的不规则图形即是输出齿轮与离合齿接触受力的主要部分，定义第一接触弧面31与第二接触弧面121接触的某一点C受到的应力为σ(按坐标轴可分为σx和σy)；其中(a)为顺时针旋转时右边所受到的力，(b)为相应左边所承受的力；这里令：BD＝H＝0.03cm，OE＝R＝0.54cm，∠BAC＝α，∠BOC＝θ，AC＝r，OB＝R+H。

具体地，请同步对照图8，圆弧EBG为第一接触弧面31及第二接触弧面121所在的圆弧；E为第一接触弧面31的左边边缘的点，G为第一接触弧面31的右边边缘的点；B点为第一接触弧面31在其角平分线上的点；A为第一接触弧面31及第二接触弧面121的圆心；AB为第一接触弧面31及第二接触弧面121所在的圆弧的半径；O点为转轴2轴线上的某一点；OE为第一接触弧面31的左边边缘与转轴2的轴线的垂线；圆弧EDG为：以O点为圆心，以OE半径，在第一接触弧面31左右两端的边缘之间形成的弧；D点为圆弧EDG在其角平分线上的点。

由于第一接触弧面31为柱形面，我们假设挤压应力是沿挤压面均匀分布，那么可以有以下推导：

由于(a)和(b)中的力是等大反向的，所以在计算左边挤压应力时可以参照右边的。这里假定OA＝a＝R-r，h为齿轮厚度(沿转轴2的轴线方向的厚度)，则：

(θ很小)

另外：

所以：

其中T为离合器的扭矩；r为第一接触弧面31的曲率半径；H为BD的长度；R为OE的长度。

若定义：BD＝H＝0.03厘米，OE＝R＝0.54厘米，T＝4000Kg*厘米，h为0.25厘米；其为满足舵机使用的离合器的较佳的参数。

根据上述公式及相关满足舵机使用的离合器参数，可得出如图7所示的第一接触弧面31的曲率半径大小与其挤压应力变化的曲线图；可知图7中当第一接触弧面31的曲率半径为1.7毫米-1.8毫米时，为该曲线的过渡区域。

若第一接触弧面31的曲率半径值大于该区域，也即挤压应力较小，易于实现安全离合功能，虽然与设计需求一致，但是其离合齿3半径尺寸过大(如图7挤压应力和曲率半径关系图后半部分所示，挤压应力较小时，因其变化率减小，所以半径较小)导致其本身结构尺寸较大而受限，如本设计中，其齿轮分度圆直径为15.2mm，传动齿本身尺寸较小，无法实现较大的安全齿结构。

若第一接触弧面31的曲率半径值小于该区域，也即挤压应力较大，离合齿3结构较小(如图7挤压应力和曲率半径关系图前半部分所示，挤压应力较大时，其半径较小)，不易于实现安全离合功能，且离合齿3的尺寸减小，后续加工精度受限，同等条件下，据现有工艺发现离合齿3质量一致性较差(实现安全离合力实现在公差要求内难度较大)，第二挤压应力超出其屈服应力，易发生折断。

因此将第一接触弧面31的曲率半径设置为1.7毫米-1.8毫米或者为1.7毫米、1.71毫米……1.75毫米……1.8毫米中的某一值，也即采用第一接触弧面31的曲率半径大小与其挤压应力变化的曲线图中挤压应力变化过渡区尺寸，不仅保证了较大的挤压应力，同时还该尺寸不至于过小，使得该尺寸便于加工。第一接触弧面31的曲率半径为1.75毫米处为图7所示的曲线转折点，其可作为最优值，满足离合对于挤压应力的要求，要满足了小型舵机对于离合器的尺寸足够小的要求，使得该离合器可应用于小型舵机内。解决了现有技术中，小型舵机内无法设置离合器的问题。

于本实施例中，将第一接触弧面31的曲率半径设置为1.7毫米-1.8毫米，可降低输出齿轮1、转轴2及离合齿3的加工难度。输出齿轮1可为注塑件；转轴2与离合齿3可为一体件；且通过注塑成型。注塑件质量轻，且对于小型化的离合器的加工，相对于金属铸造及金属切割的方式，可有效降低加工难度。同时，注塑件质量轻，也可满足各类生活类机器人对于轻量化的要求。

进一步地，请参阅图2，作为本申请提供的离合器的另一种具体实施方式，离合齿3开设有形变孔32。形变孔32沿转轴2的轴线方向贯穿离合齿3，使得离合齿3的中部位置具有一定的形变缓冲空间，使得离合齿3易于发生相变而实现跳齿，降低跳齿的难度，且在跳齿后，离合齿3可快速恢复原状，与内齿槽12较好的啮合。

进一步地，请参阅图2，作为本申请提供的离合器的另一种具体实施方式，离合齿3还具有与第一接触弧面31相连的第一形变弧面33及第二形变弧面34；第一接触弧面31位于第一形变弧面33与第二形变弧面34之间。也即离合齿3与第一接触弧面31相连的表面均为弧面，其在相对于平面具有较好的形变效果，使得离合齿3形变较为顺畅，不一样折断。

进一步地，请参阅图2，作为本申请提供的离合器的另一种具体实施方式，第一形变弧面33的圆心位于第一形变弧面33远离形变孔32的一侧；第二形变弧面34的圆心位于第二形变弧面34远离形变孔32的一侧。因此离合齿3发生形变时，其表面均向形变孔32的方向发生形变，可借助形变孔32提供的形变空间，使得离合齿3形变更加平缓，易于跳齿且不易于折断。

进一步地，请参阅图2，作为本申请提供的离合器的另一种具体实施方式，形变孔32具有依次相连的第一弧面壁321、第二弧面壁322、第三弧面壁323及第四弧面壁324；第一弧面壁321与第三弧面壁323相对且间隔设置；第一弧面壁321及第三弧面壁323的曲率半径与第一接触弧面31的曲率半径相同；第四弧面壁324与第一形变弧面33的曲率半径相同；第二弧面壁322与第二形变弧面34的曲率半径相同。也即离合齿3的外部轮廓与其内部的形变孔32的轮廓一致，以最大化利用形变孔32的形变空间，使得离合齿3各处受挤压应力时均能较好的借助形变孔32提供的形变空间发生形变，使得离合齿3形变更加平缓，易于跳齿且不易于折断。

进一步地，请参阅图3，作为本申请提供的离合器的另一种具体实施方式，离合齿3的数量为大于或等于3的奇数个；各个离合齿3位于同一圆周上，且各个离合齿3位于该圆周的不同直径上。离合齿3上具有第一接触弧面31，因此单个离合齿3的端部为圆柱结构，旋转体易于加工；且各个离合齿3位于同一圆周上，可进一步便于离合齿3的加工。将各个离合齿3设置于不同的直径上，也即各个离合齿3的正对侧均为空区域，便于挤压变形。若存在同一直径上的两个离合齿3，则二者对对应结构，正向挤压离合齿3不易于发生形变；因此将各个离合齿3设置于不同的直径上，同等离合力的情况下，可以实现较大的离合齿3结构(多个离合齿3于同一圆周上组成的结构)，易于注塑加工(因为对于注塑加工来说，过大或过小的零件从工艺角度来说均不易于实现)。

进一步地，请参阅图3，作为本申请提供的离合器的另一种具体实施方式，转轴2上开设有舵盘连接花键21，其用于与舵机内的相应结构进行传动连接。

进一步地，请参阅图5，作为本申请提供的离合器的另一种具体实施方式，转轴2上设有编码器连接器22，以使得编码器可检测转轴2的转动速度及角度等参数。

进一步地，请参阅图4，作为本申请提供的离合器的另一种具体实施方式，相邻内齿槽12之间设有过渡弧面13，离合齿3跳齿时可顺利从一个内齿槽12滑动至下一个内齿槽12内；容置槽11为圆形槽；输出齿轮1为注塑件；转轴2与离合齿3为一体件，转轴2与离合齿3为注塑件。

进一步地，请参阅图4，作为本申请提供的离合器的另一种具体实施方式，输出齿轮1于容置槽11的槽底开设有让位孔14，转轴2贯穿让位孔14；转轴2与让位孔14的内壁之间形成有间隙4。也即转轴2与让位孔14的内壁之间不直接接触，使得转轴2与输出齿轮1之间的相互作用力只发生在离合齿3与输出齿轮1的内齿槽12的接触部位，也即只发生在第一接触弧面31与第二接触弧面121接触处(该处的离合力可控，也为预设值)，避免转轴2与让位孔14的内壁接触而影响离合齿3与输出齿轮1之间的离合作用(若存在接触，则离合齿3与输出齿之间实际的离合力则不可控，也无法使用上述优化原理进行计算)。

如图9所示，本申请实施例还提出了一种舵机，包括壳体5、驱动电机6、与驱动电机6的输出轴相连的减速齿轮组7，以及上述任一实实施例中的离合器；输出齿轮1与减速齿轮组7相啮合，转轴2转动安装于壳体5上。

本申请实施例再提出了一种机器人，包括上述实施例中的舵机，及现有技术中机器人其他结构；舵机可安装于关节处。

可以理解的是，另一种具体实施方式中的方案可为在其他实施例的基础上进一步改进的可实现的实施方案。

显然，本申请的上述实施例仅仅是为了清楚说明本申请所作的举例，而并非是对本申请的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.离合器，其特征在于，包括输出齿轮、转轴，以及设于所述转轴的至少一个离合齿；所述输出齿轮开设有容置槽，所述输出齿轮于所述容置槽的内侧壁开设有适配于所述离合齿的多个内齿槽；所述离合齿远离所述转轴的一端具有第一接触弧面，所述内齿槽具有与所述第一接触弧面相接触的第二接触弧面；所述离合齿开设有形变孔，所述形变孔沿转轴的轴线方向贯穿所述离合齿；

所述离合齿还具有与所述第一接触弧面相连的第一形变弧面及第二形变弧面；所述第一接触弧面位于所述第一形变弧面与所述第二形变弧面之间。

2.根据权利要求1所述的离合器，其特征在于，所述第一接触弧面与所述第二接触弧面的曲率半径相同。

3.根据权利要求2所述的离合器，其特征在于，所述第一接触弧面的曲率半径的范围为1.7毫米-1.8毫米。

4.根据权利要求1所述的离合器，其特征在于，所述输出齿轮于所述容置槽的槽底开设有让位孔，所述转轴贯穿所述让位孔；所述转轴与所述让位孔的内壁之间形成有间隙。

5.根据权利要求1所述的离合器，其特征在于，所述第一形变弧面的圆心位于所述第一形变弧面远离所述形变孔的一侧；所述第二形变弧面的圆心位于所述第二形变弧面远离所述形变孔的一侧。

6.根据权利要求1所述的离合器，其特征在于，所述形变孔具有依次相连的第一弧面壁、第二弧面壁、第三弧面壁及第四弧面壁；所述第一弧面壁与所述第三弧面壁相对且间隔设置；所述第一弧面壁及所述第三弧面壁的曲率半径与所述第一接触弧面的曲率半径相同；所述第四弧面壁与第一形变弧面的曲率半径相同；所述第二弧面壁与所述第二形变弧面的曲率半径相同。

7.根据权利要求1所述的离合器，其特征在于，所述离合齿的数量为大于或等于3的奇数个；各个所述离合齿位于同一圆周上，且各个所述离合齿位于该圆周的不同直径上。

8.舵机，其特征在于，包括壳体、驱动电机、与所述驱动电机的输出轴相连的减速齿轮组，以及根据权利要求1-7任一项所述的离合器；所述输出齿轮与所述减速齿轮组相啮合，所述转轴转动安装于所述壳体上。

9.机器人，其特征在于，包括根据权利要求8所述的舵机。

Images