CN112178153B - 一种利用差速器和摩擦离合器的欠驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种利用差速器和摩擦离合器的欠驱动装置，包括差速器齿轮、花键轴、离合花键轴、连接花键、从动齿轮、主动齿轮和两个成180度夹角的输出轴。本发明引入差速器来实现对于电机的保护，当一边不能工作的时候其他的输出轴也能正常工作，并且对电机没有很大的损坏，只是减少了能量利用率。大大增加了容错率。本发明采用欠驱动可使一个电机同时或者分别驱动多个输出轴，且在稳定时能量损耗小，使得能量利用率大大增加。本发明结构简单，可作为一个小的单元体利用正齿轮进行并串联，在保证输出力和扭矩的情况下尽可能的用一个电机驱动更多的输出轴。制作成本低。

Description

一种利用差速器和摩擦离合器的欠驱动装置
技术领域
本发明涉及一种欠驱动装置，具体涉及一种利用差速器和摩擦离合器的欠驱动装置。
背景技术
随着当今科学技术的发展，各行各业都趋向于自动化，各种机器人越来越多的出现在工厂中来代替人类进行一系列的高强度，高风险操作。电动控制的机器人以能源干净，结构紧凑等优势占据了很大一部分机器人市场，大部分的电动机器人采用的都是输入与控制量相等的全驱动方式，即一个关节加入一个电机系统来控制。而电机的选择则以伺服电机为主，因为其高精度，高适应性，高稳定性，低发热，低噪音，能快速响应等优点。传统的驱动方式在每个关节处都加上一个电机系统，使得所组成的机器人系统过于庞大，即使使用传动机构使得电机系统集中安装，在点击安装处也会显得过于庞大，且传动装置本身会有一部分的能量损失。在能量的利用率方面，一个电机仅提供一个运动的能量，虽然能够给予足够的扭矩或者驱动力，但是对于能量的利用率略低，大部分能量以热能、振动、噪声的形式散失。此外，多个电机系统意味着更复杂的设计以及更长的加工工时，且在加工时更容易出现错误。
另外，多个电机则代表存在多个输入信号和反馈信号，使得反馈系统和控制系统的设计难度大大增加，系统在处理反馈信号时的精度大大降低，同时这也意味着一些细小的错误不能被及时的发现，从而可能导致整个机械结构的不可逆的损伤。操作人员对其的控制难度大大增加。另外，系统的容错率和柔性非常的低，由于是一关节一驱动器形式，当任意一个关节出现卡死等损毁时，控制该关节的电机将卡死，从而损失一个电机。加之国内大部分的伺服电机都依赖于进口，而我国的高精尖伺服电机市场国有企业占比非常之少，而大量的电机占据大量的空间，而大多机器人都采用内嵌驱动器，这就意味着大量的材料会被用来给电机系统提供包装，这无疑大大提升了成本。
为此，欠驱动机器人的发展就成了解决这些问题的一个途径，而市面上大部分关于欠驱动机器人的研究都是关于末端执行装置(如机械手)的，关于传动装置和支撑装置的欠驱动研究非常之少，所以需要一种新型的用于传动装置的欠驱动装置。
发明内容
本发明的目的是提出一种新型的利用差速器和摩擦离合器的欠驱动装置。以解决上述电机系统不够集成，成本过高，容错率过低，设计和操纵过为复杂，能量利用率较低的问题。
本发明的技术方案：
一种利用差速器和摩擦离合器的欠驱动装置，包括差速器齿轮1、花键轴2、离合花键轴4、连接花键3、从动齿轮5、主动齿轮8和两个成180度夹角的输出轴；
主动齿轮8和从动齿轮5啮合，从动齿轮5通过滚珠轴承安装在右输出轴6上；差速器齿轮1中垂直轴锥齿轮和从动齿轮5通过固定在从动齿轮5上的框架连接在一起，从动齿轮5旋转的同时绕输出轴公转，两平行轴锥齿轮通过滚珠轴承分别与左输出轴7、右输出轴6连接在一起；花键轴2与右输出轴6通过键连接在一起，一起转动；离合花键轴4连接在右输出轴6上，与右输出轴6直接存在轴向的相对运动，并且不同时转动；离合花键轴4在从动齿轮5和花键轴2之间运动；连接花键3和花键轴2通过花键啮合在一起，并且包裹花键轴2，与花键轴2之间存在轴向的相对运动，起到连接花键轴2和离合花键轴4的作用；
所述的差速器齿轮1由四个锥齿轮连接形成的封闭的四边形齿轮系，差速器齿轮1的中心轴与输出轴平行的锥齿轮称为平行轴锥齿轮，中心轴与输出轴垂直的锥齿轮称为垂直轴锥齿轮；运行时，平行轴锥齿轮转动，垂直轴锥齿轮不进行自转只是绕着输出轴转动，与平行轴锥齿轮不存在相对运动，即没有齿轮啮合运动；当左输出轴7出现卡死时，直接与左输出轴7连接的平行轴锥齿轮不动，垂直轴锥齿轮与该平行轴锥齿轮发生相对的齿轮啮合运动，以保证另一方平行轴锥齿轮能够正常运动；
所述花键轴2是一个齿形为类长方形的多齿结构，与右输出轴6相连，起到传动杆的作用；
所述离合花键轴4的齿形为靠近花键轴2的三角形齿和靠近从动齿轮5的长方形齿构成，启动时其向前移动与从动齿轮5上的相同材料制成的花键轴2接触，由于摩擦力而逐渐共速；
所述连接花键3开始时与花键轴2啮合；在离合花键轴4与从动齿轮5共速时启动；向前运行于三角形齿接触，因为三角形齿具有引导的作用，连接花键3与离合花键轴4啮合，继续向前与从动齿轮5上的花键啮合，使得从动齿轮5和花键轴2共速；
所述从动齿轮5和主动齿轮8为一组锥齿轮，从动齿轮5靠近花键轴2的一侧加工有与离合花键轴4相同材料、相同齿形的花键，且从动齿轮5不直接和右输出轴6连接，主动齿轮8为动力输入端；
所述右输出轴6和左输出轴7是成180度在一条直线上的两个轴。
本发明的有益效果：
一、本发明采用摩擦式离合器将系统分为动力输入系统、连接系统、输出系统，使得欠驱动成为可能，使电机系统更加集成化。同时减少了材料的成本和电机的成本。
二、本发明引入差速器来实现对于电机的保护，当一边不能工作的时候其他的输出轴也能正常工作，并且对电机没有很大的损坏，只是减少了能量利用率。大大增加了容错率。
三、本发明采用欠驱动可使一个电机同时或者分别驱动多个输出轴，且在稳定时能量损耗小，使得能量利用率大大增加。
四、本发明结构简单，可作为一个小的单元体利用正齿轮进行并串联，在保证输出力和扭矩的情况下尽可能的用一个电机驱动更多的输出轴。制作成本底。
附图说明
图1是一种利用差速器和摩擦离合器的欠驱动装置的3/4刨面图，示意离合器未启动时的状态。
图2是一种利用差速器和摩擦离合器的欠驱动装置的俯视图，示意装置整体状态。
图3是一种利用差速器和摩擦离合器的欠驱动装置中离合器状态图，示意离合器的初始状态。
图4是一种利用差速器和摩擦离合器的欠驱动装置中离合器状态图，示意离合器启动完成后的状态。
图5是一种利用差速器和摩擦离合器的欠驱动装置的正等轴测图，示意离合器初始状态。
图6是一种利用差速器和摩擦离合器的欠驱动装置的正等轴测图，示意离合器启动时的输出状态。
图7是一种利用差速器和摩擦离合器的欠驱动装置的俯视图，示意两输出轴都施加离合器时的状态。
图中：1差速器齿轮；2花键轴；3连接花键；4离合花键轴；5从动齿轮；6右输出轴；7左输出轴；8主动齿轮。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
具体实施方案一：两输出轴输出，结合图三，图四和图七说明，
步骤一：连接在主动齿轮8上的发动机进行输出，使输出的转动传动到从动齿轮5上，由从动齿轮5带动差速器齿轮1运动，使得该装置的主动系统运动。
步骤二：两个离合器接收到启动信号，离合花键轴4沿着轴向与从动齿轮5接触，由于接触面较大的摩擦系数使得之间的摩擦力较大，从而使得离合花键轴4和从动齿轮5共速，将主动系统的运动传递到传动系统上。
步骤三：两个连接花键3接收到信号启动，沿着轴向向从动齿轮5运动，从而链接从动齿轮5、离合花键轴4、花键轴2，使得花键轴2与从动齿轮5共速，带动输出轴运动(水平轴锥齿轮不与右输出轴6连接)。将传动系统的运动传递到输出系统上。
步骤四：输出轴带动外部运动，实现输出。
具体实施方式二：单轴输出。结合图七说明，
步骤一：连接在主动齿轮8上的发动机进行输出，使输出的转动传动到从动齿轮5上，由从动齿轮5带动差速器齿轮1运动，使得该装置的主动系统运动。
步骤二：相应的离合器接收到启动信号，离合花键轴4沿着轴向与从动齿轮5接触，由于接触面较大的摩擦系数使得之间的摩擦力较大，从而使得离合花键轴4和从动齿轮5共速，将主动系统的运动传递到传动系统上。
步骤三：相应的连接花键3接收到信号启动，沿着轴向向从动齿轮5运动，从而连接从动齿轮5、离合花键轴4、花键轴2，使得花键轴2与从动齿轮5共速，带动输出轴运动(水平轴锥齿轮不与右输出轴连接)。将传动系统的运动传递到输出系统上。
步骤四：相应的输出轴带动外部运动，实现输出。
具体实施方式三：多个装置并联输出，在从动齿轮5后生成正齿与从动齿轮5同时转动
步骤一：连接在主动齿轮8上的发动机进行输出，使输出的转动传动到从动齿轮5上，由从动齿轮5带动差速器齿轮1运动，使得该装置的主动系统运动。同时，从动齿轮5后的正齿带动其他链接单元的主动系统运动。
步骤二：不同单元相应的离合器接收到启动信号，离合花键轴4沿着轴向与从动齿轮5接触，由于接触面较大的摩擦系数使得之间的摩擦力较大，从而使得离合花键轴4和从动齿轮5共速，将主动系统的运动传递到传动系统上。
步骤三：不同单元的相应的连接花键接收到信号启动，沿着轴向向从动齿轮运动，从而链接从动齿轮5、离合花键轴4、花键轴2，使得花键轴2与从动齿轮5共速，带动输出轴运动(水平轴锥齿轮不与右输出轴链接)。将传动系统的运动传递到输出系统上。
步骤四：不同单元相应的输出轴带动外部运动，实现输出。

Claims (1)

1.一种利用差速器和摩擦离合器的欠驱动装置，其特征在于，该利用差速器和摩擦离合器的欠驱动装置包括差速器齿轮(1)、花键轴(2)、离合花键轴(4)、连接花键(3)、从动齿轮(5)、主动齿轮(8)和两个成180度夹角的输出轴；
主动齿轮(8)和从动齿轮(5)啮合，从动齿轮(5)通过滚珠轴承安装在右输出轴(6)上；差速器齿轮(1)中垂直轴锥齿轮和从动齿轮(5)通过固定在从动齿轮(5)上的框架连接在一起，从动齿轮(5)旋转的同时绕输出轴公转，一平行轴锥齿轮通过滚珠轴承与右输出轴(6)连接在一起，另一平行轴锥齿轮与左输出轴(7)固连；花键轴(2)与右输出轴(6)通过键连接在一起，一起转动；离合花键轴(4)连接在右输出轴(6)上，与右输出轴(6)之间存在轴向的相对运动，并且不同时转动；离合花键轴(4)在从动齿轮(5)和花键轴(2)之间运动；连接花键(3)和花键轴(2)通过花键啮合在一起，并且包裹花键轴(2)，与花键轴(2)之间存在轴向的相对运动，起到连接花键轴(2)和离合花键轴(4)的作用；
所述的差速器齿轮(1)由四个锥齿轮连接形成的封闭的四边形齿轮系，差速器齿轮(1)的中心轴与输出轴平行的锥齿轮称为平行轴锥齿轮，中心轴与输出轴垂直的锥齿轮称为垂直轴锥齿轮；运行时，平行轴锥齿轮转动，垂直轴锥齿轮不进行自转只是绕着输出轴转动，与平行轴锥齿轮不存在相对运动，即没有齿轮啮合运动；当左输出轴(7)出现卡死时，直接与左输出轴(7)连接的平行轴锥齿轮不动，垂直轴锥齿轮与该平行轴锥齿轮发生相对的齿轮啮合运动，以保证另一方平行轴锥齿轮能够正常运动；
所述花键轴(2)是一个齿形为类长方形的多齿结构，与右输出轴(6)相连，起到传动杆的作用；
所述离合花键轴(4)的齿形为靠近花键轴(2)的三角形齿和靠近从动齿轮(5)的长方形齿构成，启动时其向前移动与从动齿轮(5)上加工有相同材料制成的花键的圆柱体端面接触，由于摩擦力而逐渐共速；
所述连接花键(3)开始时与花键轴(2)啮合；在离合花键轴(4)与从动齿轮(5)共速时启动；向前运行与三角形齿接触，因为三角形齿具有引导的作用，连接花键(3)与离合花键轴(4)啮合，继续向前与从动齿轮(5)上的花键啮合，使得从动齿轮(5)和花键轴(2)共速；
所述从动齿轮(5)和主动齿轮(8)为一组锥齿轮，从动齿轮(5)靠近花键轴(2)的一侧加工有与离合花键轴(4)相同材料、相同齿形的花键，且从动齿轮(5)不直接和右输出轴(6)连接，主动齿轮(8)为动力输入端；
所述右输出轴(6)和左输出轴(7)是成180度在一条直线上的两个轴。
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