CN111775178B - 用于仿生机器人的无极变速减速器及动力可调配关节 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于仿生机器人的无极变速减速器和动力可调配关节，减速器包括一级太阳轮、一级行星轮、一级内齿圈、二级行星轮、二级内齿圈、行星架和摩擦式离合器，一级行星轮与一级太阳轮外啮合，一级行星轮与一级内齿圈内啮合，一级行星轮支撑在行星架上的支撑轴上，且一级行星轮与支撑轴之间具有第一轴承；二级行星轮与二级内齿圈内啮合，且二级行星轮与一级行星轮同步旋转；摩擦式离合器包括摩擦片和施压部，摩擦片位于一级内齿圈的外周壁一侧，施压部用于向所述摩擦片施加压力，以使所述摩擦片与所述外周壁之间产生摩擦力。该减速器动力可调配范围大，结构轻便、紧凑、可靠性高，满足了仿生机器人的特定要求。

Description

用于仿生机器人的无极变速减速器及动力可调配关节

技术领域

本发明涉及仿生机器人技术领域，尤其涉及一种用于仿生机器人的无极变速减速器及动力可调配关节。

背景技术

机器人(特别是仿生机器人)在进行跑、跳等超动态运动时，除了需要各处关节的最大输出转矩密度(关节最大可输出转矩/关节自重)和最大输出转速密度(关节最大可输出转速/关节自重)满足最低限度要求外，还需要对各关节的输出动力在转速和转矩两个方面进行最优化调配，以尽可能满足各关节在超动态动作的每个具体时刻对驱动力矩和驱动转速的复合变化需求。以双足机器人从下蹲状态原地起跳各时刻对膝关节驱动力矩和驱动转速的需求为例：下蹲状态原地起跳初始发力时刻，膝关节需要的驱动力矩非常大，而需要的驱动转速非常小；起跳开始后到双足离地前，膝关节从下蹲蜷缩状态逐渐变为平直伸展状态，此过程中，膝关节规划转速逐渐变快，并在双足离地前达到最快，因此，膝关节需要的驱动转速也对应变大；同时，膝关节规划转矩逐渐减小，并在双足离地前减为零，因此，膝关节需要的驱动力矩也对应减小到零。

目前国内外，对机器人各关节的输出动力进行最优化调配的方式仍仅限于以最大发挥电机的输出能力为原则，调控电机的输出转速和转矩，再通过关节内固定单一减速比减速器的传动，使得关节整体输出的转速和转矩得到一定程度的调配。但是由于电机自身输出性能受到散热、电磁饱和等瓶颈限制，使得仅通过调控电机的输出转速和转矩而得到的关节动力可调配范围十分有限，难以充分满足机器人各关节在超动态动作的每个具体时刻对驱动力矩和驱动速度的复合变化需求。

因此，如何增大机器人关节的动力可调配范围，使机器人关节在超动态动作的每个具体时刻对驱动力矩和驱动转速的复合需求得到精确响应，是一个有待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于仿生机器人的无极变速减速器和动力可调配关节，以解决现有技术中存在的一个或多个问题。

根据本发明的一个方面，本发明公开了一种用于仿生机器人的无极变速减速器，所述减速器包括一级太阳轮、一级行星轮、一级内齿圈、二级行星轮、二级内齿圈、行星架和摩擦式离合器，

所述一级太阳轮用于与驱动部件的输出端固定连接，所述一级行星轮与所述一级太阳轮外啮合，所述一级行星轮与所述一级内齿圈内啮合，所述一级行星轮支撑在所述行星架上的支撑轴上，且所述一级行星轮与支撑轴之间具有第一轴承，以使所述一级行星轮相对于所述支撑轴可做旋转运动；

所述二级行星轮与所述二级内齿圈内啮合，且所述二级行星轮与所述一级行星轮同步旋转；

所述摩擦式离合器包括摩擦片和施压部，所述摩擦片位于所述一级内齿圈的外周壁一侧，所述施压部用于向所述摩擦片施加压力，以使所述摩擦片与所述外周壁之间产生摩擦力。

在本发明的一些实施例中，所述一级内齿圈的一端设有用于检测所述一级内齿圈转速的磁性编码器。

在本发明的一些实施例中，所述一级行星轮和所述二级行星轮为一体结构。

在本发明的一些实施例中，所述行星架为笼型行星架，所述笼型行星架的外周壁与所述二级内齿圈非齿轮端的内周壁之间具有第二轴承。

在本发明的一些实施例中，所述摩擦式离合器为气囊离合器，所述气囊离合器套置在所述一级内齿圈外部，且所述气囊离合器具有至少一个气囊气嘴。

在本发明的一些实施例中，所述摩擦式离合器为环状逆压电离合器。

根据本发明的另一方面，本发明公开了一种用于仿生机器人的驱动关节，所述关节包括如上所述的无极变速减速器，所述关节还包括：

筒状的关节外壳，所述关节外壳套置在所述无极变速减速器的外部，所述二级内齿圈与所述关节外壳之间具有第三轴承，所述行星架与所述外壳之间具有第四轴承，所述气囊气嘴自所述关节外壳的侧壁延伸至外部；

所述电机的输出轴与所述太阳轮连接，以使所述太阳轮与所述电机的输出轴同步旋转。

在本发明的一些实施例中，所述电机的定子固定设置在所述关节壳体的内壁上，所述电机的转子位于所述定子的中空腔体内，所述转子的固定轴与所述太阳轮固定连接，且所述固定轴与所述关节外壳的内壁之间设有第五轴承。

在本发明的一些实施例中，所述电机的远离所述太阳轮的一端还设有电机压盖，所述电机压盖与所述关节外壳的端部固定连接，所述固定轴与所述电机压盖之间具有第六轴承，以实现所述固定轴与所述电机压盖之间的旋转支撑。

在本发明的一些实施例中，所述关节还包括磁柱座、磁柱、编码器座和磁编码器，

所述磁柱座与所述固定轴的远离所述太阳轮的一端固定，所述磁柱固定在所述磁柱座上，以使所述磁柱与所述固定轴同步旋转；

所述编码器座固定在所述电机压盖上，且所述磁编码器固定在所述编码器座上。

本发明实施例中的无极变速减速器，能实现精确的无极变速功能，动力可调配范围大，且结构轻便、紧凑、可靠性高，可适用于对于自身结构灵巧性具有较高要求的仿生机器人，且满足了机器人的对关节最大输出转矩密度和最大输出转速密度最低限度的要求。

本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在书面说明及其权利要求书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。

本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。附图中的部件不是成比例绘制的，而只是为了示出本发明的原理。为了便于示出和描述本发明的一些部分，附图中对应部分可能被放大，即，相对于依据本发明实际制造的示例性装置中的其它部件可能变得更大。在附图中：

图1为本发明一实施例中的用于仿生机器人的无极变速减速器的传动结构示意图；

图2为本发明一实施例中的用于仿生机器人的驱动关节的立体图；

图3为图2所示的用于仿生机器人的驱动关节的主剖视图；

图4为图2所示的用于仿生机器人的驱动关节的左视图。

附图标号：

10：第二轴承 20：第三轴承 30：第六轴承

40：第一轴承 50:第四轴承 60：第五轴承

70:第七轴承 51：挡环 100：关节外壳

211:太阳轮 212：一级行星轮 213：一级内齿圈

214:磁性编码器 221：二级行星轮 222:二级内齿圈

231：气囊离合器 232:气囊气嘴 241:行星架

242:销轴 243:卡簧 244：垫片

251:橡胶挡盖 311：定子 312:转子

313：转子轴 320：转子锁紧螺母 330:电机压盖

411:编码器座 412:磁编码器 413：磁柱座

414：磁柱

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明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在此，需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

应该强调，术语“包括/包含/具有”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

在此，还需要说明的是，本说明书内容中所出现的“左端”、“右端”等方位名词是相对于附图所示的位置方向；如果没有特殊说明，术语“连接”在本文不仅可以指直接连接，也可以表示存在中间物的间接连接。直接连接为两个零部件之间不借助中间部件进行连接，间接连接为两个零部件之间借助其他零部件进行连接。

发明人发现，减速器采用无级变速方式相比于分级变速方式，在增大机器人关节的动力可调配范围方面具有明显优势，并且能使机器人关节在超动态动作的每个具体时刻对驱动力矩和驱动转速的复合需求得到精确响应。但常见的无极变速原理结构，如汽车CVT式无极变速、KRG锥环式无极变速和双动力源驱动等，均存在结构复杂笨重、体积大、零件多，制造要求高，可靠性差的缺点，极不利于满足对机器人关节最大输出转矩密度最低限度的要求；现有的无极变速减速器也不适用于对自身结构灵巧性有较高要求的机器人(特别是仿生机器人)关节。为了满足仿生机器人对各个关节的特定要求，因此，发明人提供了一种专门适用于仿生机器人的无极变速减速器。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件。

在本发明的一个实施例中，提供了一种用于仿生机器人的无极变速减速器，该减速器包括摩擦式离合器和双排的行星齿轮系统。如图1所示，双排的行星齿轮系统包括一级太阳轮211、一级行星轮212、一级内齿圈213、二级行星轮221、二级内齿圈222和行星架241。一级太阳轮211用于与驱动部件的输出端固定连接，驱动部件可为电机；电机的输出轴可作为太阳轮211的固定轴，并使太阳轮211与电机的输出轴同步旋转。另外，太阳轮211与其固定轴也可为一体结构的太阳轮轴，太阳轮轴与电机的输出轴固定连接，以实现太阳轮轴与电机输出轴的同步旋转。一级行星轮212与太阳轮211外啮合，一级行星轮212与一级内齿圈213内啮合传动，二级行星轮221与一级行星轮212同步旋转，且二级行星轮221与二级内齿圈222之间为内啮合传动。一级行星轮212还支撑在行星架241上的支撑轴上，且一级行星轮212相对于该支撑轴做旋转运动；具体的，可在一级行星轮212与该支撑轴之间设置第一轴承40，以实现一级行星轮212与支撑轴之间的旋转支撑。

优选的，一级行星轮212和二级行星轮221为一体结构，此时二级行星轮221也被支撑在行星架241的支撑轴上，二级行星轮221与该支撑轴之间具有第六轴承30，以实现二级行星轮221与支撑轴之间的旋转支撑。应当理解的是，二级行星轮221与一级行星轮212也可为分体结构，其可通过螺钉或螺栓连接在一起，也即实现了一级行星轮212与二级行星轮221的同步旋转。

摩擦式离合器包括摩擦片和施压部。具体的，摩擦片可位于一级内齿圈213的外周壁一侧，而施压部用于向摩擦片施加压力，以使摩擦片与一级内齿圈的外周壁之间产生摩擦力。优选的，摩擦式离合器的摩擦片与一级内齿圈213的外周壁均具有较高的摩擦系数；示例性的，一级内齿圈213的外周壁上可具有耐磨材料，如镶嵌有耐磨的颗粒。在施压部的作用下，摩擦片与一级内齿圈213的外周壁可结合、半结合或分离，以使一级内齿圈在所述摩擦式离合器的作用下实现无极变速，也即一级内齿圈213的转速可随着摩擦片与一级内齿圈213之间的摩擦力的变化而变化。

优选的，摩擦式离合器具体的可为气囊离合器231，气囊离合器231包括内圈、外圈、气囊和至少一个气囊气嘴232。气囊离合器231的内圈套置在一级内齿圈213的外部，且内圈用作摩擦片，并且气囊离合器231内圈的内周壁与一级内齿圈213的外周壁上均可镶嵌有高耐磨的颗粒；气囊作为施压部，被布置在内圈的外壁一侧，用于控制内圈与一级内齿圈213外周壁之间的摩擦力；外圈被套置在气囊的外侧，进一步的可与关节外壳固定；气囊气嘴232用于连通气囊与外部气路。气囊离合器231可通过调节气压精确控制气囊离合器231内圈与一级内齿圈213外圆的整圆周径向贴合压力，进而精确控制贴合压力形成的抵抗相对转动的抱紧力矩，从而改变一级内齿圈213的转速。进一步的，为了实时监测一级内齿圈的旋转速度，一级内齿圈的一端还可设有用于检测一级内齿圈转速的磁性编码器214。

摩擦式离合器也可为环状的逆压电离合器，该逆压电离合器采用压电材料制成。逆压电离合器具体的被套置在一级内齿圈的外周壁上，并且通过调控施加给环状逆压电离合器的电场(施加的电场正负方向，与环状逆压电离合器的径向伸缩方向有对应关系)，可精确调控环状逆压电离合器的径向变形量，从而调整环状逆压电离合器与一级内齿圈213之间的摩擦力，进而改变一级内齿圈213的转速。在该离合器中，与一级内齿圈213的外周壁直接接触的逆压电离合器的内壁可被看作为摩擦片，并且施加给环状逆压电离合器的电场可被看作为离合器的施压部。另外，电场的方向适应于环状逆压电离合器的径向变形方向，例如当环状逆压电离合器从与一级内齿圈结合状态逐渐变化为分离状态时，此时正电荷受力的方向即为内壁朝向与外壁；相反，若环状逆压电离合器从与一级内齿圈分离状态逐渐变化为结合状态时，此时正电荷受力的方向即为外壁朝向内壁。应当理解的是，摩擦式离合器除上述之外也可为其他类型，并且一级内齿圈上的用于与摩擦片相结合的位置也可根据离合器的具体结构进行相应改变，只要能满足一级内齿圈213在摩擦式离合器的作用下可根据预期规划改变转速即可。

在本发明的一个实施例中，行星架241为笼型行星架241，且位于行星架241上的用于支撑第一行星轮和第二行星轮的支撑轴与行星架241的主体可为分体结构。从图2、图3中可以看出，该支撑轴具体的可通过贯通行星架241两端的销轴242来实现，销轴242的两端分别通过卡簧243实现轴向方向上的限位。一级行星轮212和二级行星轮221均固定在该销轴242上，且通过第一轴承40和第六轴承30实现旋转支撑。一级行星轮212与二级行星轮221为一体结构的行星轮轴，该行星轮轴的两端与行星架241之间均设置有聚四氟乙烯或黄铜材质的垫片244，以起到端面滑动轴承的作用。为了方便描述，可将上述的销轴242、第一轴承40、第六轴承30、一级行星轮212、二级行星轮221、垫片244、卡簧243看作为一组设置在行星架241上的行星轮组件，该双排的行星齿轮系统可包括三组在行星架241圆周方向上均布的行星轮组件。

图3为用于仿生机器人的驱动关节的主剖视图，图4为左视图，如图3、图4所示，该驱动关节还包括电机和筒状的关节外壳100；关节外壳100套置在无极变速减速器的外部，用于进一步的与该驱动关节与机器人的躯体或肢体相连接。当无极变速减速器上的摩擦式离合器为气囊离合器231时，气囊离合器231的外圆可与关节外壳100固定；气囊离合器231的气囊气嘴232自关节外壳100的侧壁延伸至外部，以进一步的使气囊气嘴232与关节外壳100外部的气路进行连接。行星架241的一端的外周壁与二级内齿圈222非齿轮端的内周壁之间具有第二轴承10，行星架241另一端的外周壁与关节外壳100之间具有第四轴承50；第二轴承10和第四轴承50共同实现行星架241的旋转支撑。进一步的，二级内齿圈222与关节外壳100之间还具有第三轴承20，该第三轴承20用于实现二级内齿圈222和关节外壳100之间的旋转支撑。优选的，第三轴承20为可承载径向载荷和轴向载荷的交叉滚子轴承或点接触球轴承，第三轴承20的内圈与二级内齿圈222之间可采用胶粘或过盈配合的连接方式，且内圈的轴向定位方式可采用轴肩。关节外壳100上的轴承座孔还可设置有挡肩结构，该挡肩结构用于实现第三轴承20外圈的轴向定位。

另外，行星架241的左端面上还设有橡胶挡盖251，该橡胶挡盖251通过螺钉与行星架241进行连接。橡胶挡盖251用于隔绝外部的杂质颗粒进入减速器内部，以防止颗粒物磨损减速器内部的各个传动齿轮。该橡胶挡盖251也起到防止减速器内部的润滑油脂泄漏至外部的作用。为了使减速器获得更好的密封性能，位于该减速器上的各个轴承均可以加装密封圈。

进一步的，电机也位于关节外壳100的中空腔体内，具体的关节外壳100的形状可为圆柱形筒体结构，无极变速减速器可安装在关节外壳100的左端，而电机可安装在关节外壳100的右端。电机包括定子311、转子312和转子轴313。定子311固定设置在关节壳体的内壁上；其左端可通过位于关节外壳100内壁上的挡肩进行轴向定位，右端可进一步的通过电机压盖330压紧且固定。电机压盖330的端部沿周向方向上可均布有多个固定孔，关节外壳100的端部也可具有与多个固定孔相对应的多个螺纹孔，电机压盖330与关节外壳100进而通过螺钉或螺栓进行连接；电机压盖330也可以通过径向定位止口与关节外壳100进行连接。

转子312具体的位于定子311的中空腔体内，并且转子轴313为转子312的固定轴，即转子312被固定在转子轴313上，转子312和转子轴313之间可采用胶粘或过盈配合的连接方式。转子轴313的左端与无极变速减速器的太阳轮211固定连接，且太阳轮211与转子轴313做同步旋转运动；转子312的右端进一步的可通过转子锁紧螺母320进行轴向压紧。转子轴313左端与关节外壳100的内壁之间具有第五轴承60，转子轴313右端与电机压盖330之间具有第七轴承70，第五轴承60和第七轴承70共同实现转子轴313相对于关节外壳100和电机压盖330的旋转支撑；为了实现第五轴承60外圈的轴向定位，第五轴承60的外圈与其相邻的第四轴承50的外圈之间还设有挡环51。为了检测转子轴313的旋转速度，转子轴313右端还设有磁柱414，磁柱414可被固定在磁柱座413的中间位置，磁柱座413进一步的通过螺钉或胶粘等方式固定在转子轴313的端部。进一步的，电机压盖330的外端设有磁编码器412，具体的磁编码器412安装在编码器座411的中间位置，编码器座411可通过螺钉或螺栓与电机压盖330进行连接。由上述可知，磁柱414与转子轴313同步旋转，磁编码器412与定子311类似的为静止状态，磁柱414与磁编码器412相配合也即实现了电机转速的检测。

另外，关节外壳具体的也可为方形筒体结构，为了便于减速器、电机与关节外壳的连接固定，方形关节外壳的内侧壁也可为圆柱形。并且，减速器与电机的具体位置也可根据需要进行改变，例如，减速器位于关节外壳的右端，而电机位于关节外壳的左端。并且该减速器的驱动部件除了采用电机之外，也可采用其他类型的驱动方式，如液压驱动等。

本发明中的无极变速减速器的工作原理，可通过各个部件间的传动关系来进一步说明。以下，无极变速减速器以采用气囊离合器为具体示例，但应当理解的是，无极变速减速器采用其他类型的摩擦式离合器，其工作原理与该示例大致相同。具体的，将太阳轮211、行星架241、一级行星轮212、二级行星轮221、一级内齿圈213、二级内齿圈222的角速度分别用ω_太阳轮、ω_行星架、ω_行星轮1、ω_行星轮2、ω_齿圈1、ω_齿圈2表示。太阳轮211、一级行星轮212、二级行星轮221、一级内齿圈213、二级内齿圈222的齿数分别用Z_太阳轮、Z_行星轮1、Z_行星轮2、Z_齿圈1、Z_齿圈2表示。将太阳轮211和一级行星轮212、一级行星轮212和一级内齿圈213、二级行星轮221和二级内齿圈222相对于行星架241的减速比分别表示为：

减速器的总减速比为i_减速器，气囊离合器231对一级内齿圈213的抱紧力矩为：T_抱紧力矩，气囊离合器231对一级内齿圈213实现抱死的最小力矩为：T_抱死min。

在上述的无极变速减速器中，减速比

由于一级行星轮212与二级行星轮221同步旋转，因此ω_行星轮1＝ω_行星轮2。进一步的，将上述公式进行联立，则：

在上述的无极变速减速器中，各个齿轮的齿数为固定值，而ω_太阳轮和ω_齿圈1可根据实际需要进行调控，因此减速器的减速比根据ω_太阳轮和ω_齿圈1的变化而变化。ω_齿圈1的大小通过气囊离合器231与一级内齿圈213之间的摩擦力进行控制；如：当气囊离合器231提供的T_抱紧力矩∈[T_抱死min，∞)时，则一级内齿圈213被气囊离合器231完全抱死不能旋转，此时一级内齿圈213与气囊离合器231为完全结合状态，即ω_齿圈1＝0，则此情况下减速器的总体减速比

为：

此时，该无极变速减速器类似于传统的3Z(I)型差动行星减速器。在一级内齿圈213与气囊离合器231完全结合(一级内齿圈卡死不动)状态下，对应减速器的总体减速比为最大值；此时驱动关节的输出力矩最大，输出转速最小；可匹配机器人各关节在跑、跳等超动态动作中，前半段的从静止或准静止状态开始发力到开始提速的过程，以及后半段的关节全力刹车制动的过程，此处的“前半段”是指肢体跃升的过程，“后半段”是指肢体下降的过程。

另外，当气囊离合器231提供的T_抱紧力矩∈(0,T_抱死min)时，气囊离合器231不足以将一级内齿圈213抱死，即一级内齿圈213与气囊离合器231为半离合状态；此时一级内齿圈213可旋转。且一级内齿圈213角速度与气囊离合器231提供的抱紧力矩成反比，即

此时T_抱紧力矩越小，ω_齿圈1越大；T_抱紧力矩越大，ω_齿圈1越小。另外由减速器的减速比公式可知，减速器的减速比与一级内齿圈213的角速度也成反比，即ω_齿圈1越小，i_减速器越大；ω_齿圈1越大，i_减速器越小，此时

在行星轮系中，一级内齿圈213的转速只能小于或无限接近与太阳轮211的转速。若假设ω_齿圈1＝ω_太阳轮，根据减速器传动比的公式可知，此时i_减速器＝1。因此，在T_抱紧力矩∈(0，T_抱死min)的状态下，i_减速器∝T_抱紧力矩，且气囊离合器231所提供的抱紧力矩通过向其施加的气压来调控；也即一级内齿圈213与气囊离合器231的半离合状态，对应减速器的总体减速比i_减速器在最大值

和1之间调节变化，此时

驱动关节整体的可输出最大力矩与可输出最大转速呈此消彼长的变化状态。若减速器的总体减速比由大变小，则可匹配机器人各关节在跑、跳等超动态动作中前半段的肢体上升中的从开始提速直至足尖离地前的过程；在此过程中，关节转速逐渐变大、关节输出力矩逐渐变小；直至足尖离地前一刻，关节转速达到最大，关节输出力矩达到最小。相反的，若减速器的总体减速比由小变大，则可匹配机器人各关节在跑、跳等超动态动作中后半段的肢体下落中的从足尖开始触地直至刹车制动的过程；在此过程中，关节转速逐渐减小，输出力矩逐渐变大；直至刹车制动这一刻，关节转速达到最小，输出力矩达到最大；此时一级内齿圈213与气囊离合器231进入完全结合状态。

当气囊离合器231与一级内齿圈213处于完全结合状态时，气囊离合器231内的气压最高；而随着气压的逐渐减小，气囊离合器231与一级内齿圈213逐渐脱离，直至完全脱离。在处于完全脱离状态时，气囊离合器231所提供的抱紧力矩为零，此时一级内齿圈213无旋转制动力矩；理论上，一级内齿圈213可做自由旋转，但在此特定情况下，二级内齿圈222作为减速器的输出端不能输出任何转矩，此时为减速器的空挡状态。空档状态对应从肢体跃升的足尖离地，到肢体下落的足尖着地，这一段肢体置空的时间。在肢体置空期间减速器处于空挡状态，有利于保护肢体各关节免受外界干扰的撞击而损坏，也有利于防止肢体各关节在肢体下落足尖触地的一瞬间受到冲击力而损坏的情况。

根据上述实施例可以发现，本发明所公开的无极变速减速器，通过实时控制摩擦式离合器与一级内齿圈213之间的离合程度，调控离合器对一级内齿圈213的抱紧力矩，使一级内齿圈213的实际转速实时贴合预期转速；也即实时调控离合器与一级内齿圈213之间的摩擦力，使减速器实现了精确的无极变速功能。该减速器在传动过程中，由于离合器与一级内齿圈213之间具有摩擦力，在节能、摩擦热抑制等因素方面虽然不太适合汽车等需要长时间在同一旋转方向上进行减速比调节的场合，但是特别适合在机器人(特别是仿生机器人)等作跑、跳等超动态运动时，需要各关节作间歇性作复运动的场合。这是由于各关节的间歇性往复运动过程，是离合器完全结合、半离合、完全脱离三个状态的周期性更替过程。上述三个状态中仅有半离合状态存在摩擦力，且半离合状态在超动态运动一个周期内的时间占比通常不超过22％，且摩擦力只在极端时间内维持较大值，因此该无极变速减速器满足机器人的传动要求。

并且，该无极变速减速器动力可调配范围大，结构轻便、紧凑、可靠性高，满足了机器人的对关节最大输出转矩密度和最大输出转速密度最低限度的要求。

本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。

上述所列实施例，显示和描述了本发明的基本原理与主要特征，但本发明不受上述实施例的限制，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下对本发明做出的修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种用于仿生机器人驱动关节的无极变速减速器，其特征在于，所述减速器包括一级太阳轮、一级行星轮、一级内齿圈、二级行星轮、二级内齿圈、行星架和摩擦式离合器，

所述一级太阳轮用于与驱动部件的输出端固定连接，所述一级行星轮与所述一级太阳轮外啮合，所述一级行星轮与所述一级内齿圈内啮合，所述一级行星轮支撑在所述行星架上的支撑轴上，且所述一级行星轮与支撑轴之间具有第一轴承，以使所述一级行星轮相对于所述支撑轴可做旋转运动；

所述二级行星轮与所述二级内齿圈内啮合，所述二级内齿圈为所述减速器的输出端，所述二级行星轮支撑在所述行星架上的支撑轴上，且所述二级行星轮与所述一级行星轮同步旋转且为一体结构；

所述摩擦式离合器包括摩擦片和施压部，所述摩擦片位于所述一级内齿圈的外周壁一侧，所述施压部用于向所述摩擦片施加压力，以使所述摩擦片与所述外周壁之间产生摩擦力，并使所述一级内齿圈的转速随所述摩擦力的变化而改变；

所述减速器还包括第三轴承，所述第三轴承用于设置在所述二级内齿圈与所述驱动关节的关节外壳之间；

其中，所述一级内齿圈的外周壁上具有耐磨材料，且在所述施压部的作用下，所述摩擦片与所述一级内齿圈的外周壁可结合、半结合或分离；在所述摩擦片与所述一级内齿圈的外周壁处于完全分离的情况下，所述二级内齿圈无输出转矩，且此时所述仿生机器人呈肢体置空状态；

所述摩擦式离合器为气囊离合器，所述气囊离合器套置在所述一级内齿圈外部，所述气囊离合器包括内圈、外圈、气囊和至少一个气囊气嘴，所述内圈套置在所述一级内齿圈的外部，所述气囊被布置在所述内圈的外壁一侧，所述外圈套置在所述气囊的外侧。

2.根据权利要求1所述的用于仿生机器人驱动关节的无极变速减速器，其特征在于，所述一级内齿圈的一端设有用于检测所述一级内齿圈转速的磁性编码器。

3.根据权利要求1所述的用于仿生机器人驱动关节的无极变速减速器，其特征在于，所述行星架为笼型行星架，所述笼型行星架的外周壁与所述二级内齿圈非齿轮端的内周壁之间具有第二轴承。

4.根据权利要求1至3任一项所述的用于仿生机器人驱动关节的无极变速减速器，其特征在于，所述摩擦式离合器为环状逆压电离合器。

5.一种用于仿生机器人的驱动关节，其特征在于，所述关节包括如权利要求1至4任一项所述的无极变速减速器，所述关节还包括：

筒状的关节外壳，所述关节外壳套置在所述无极变速减速器的外部，所述行星架与所述外壳之间具有第四轴承；

电机，所述电机的输出轴与所述太阳轮连接，以使所述太阳轮与所述电机的输出轴同步旋转。

6.根据权利要求5所述的用于仿生机器人的驱动关节，其特征在于，所述电机的定子固定设置在所述关节壳体的内壁上，所述电机的转子位于所述定子的中空腔体内，所述转子的固定轴与所述太阳轮固定连接，且所述固定轴与所述关节外壳的内壁之间设有第五轴承。

7.根据权利要求6所述的用于仿生机器人的驱动关节，其特征在于，

所述电机的远离所述太阳轮的一端还设有电机压盖，所述电机压盖与所述关节外壳的端部固定连接，所述固定轴与所述电机压盖之间具有第六轴承，以实现所述固定轴与所述电机压盖之间的旋转支撑。

8.根据权利要求7所述的用于仿生机器人的驱动关节，其特征在于，所述关节还包括磁柱座、磁柱、编码器座和磁编码器，

所述磁柱座与所述固定轴的远离所述太阳轮的一端固定，所述磁柱固定在所述磁柱座上，以使所述磁柱与所述固定轴同步旋转；

所述编码器座固定在所述电机压盖上，且所述磁编码器固定在所述编码器座上。

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