CN112709788A - 基于柔性机构的行星轮系消隙装置、减速器及机器人关节 - Google Patents

基于柔性机构的行星轮系消隙装置、减速器及机器人关节 Download PDF

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杜庆皓
杨淼
余宏涛
张驰
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Abstract

本发明公开了一种基于柔性机构的行星轮系消隙装置、减速器及机器人关节。所述消隙装置包括调整螺杆和弹簧，所述调整螺杆与一体化柔性行星轮架螺纹连接，所述一体化柔性行星轮架具有动平台，所述动平台上设有弹簧孔，所述弹簧套设在螺杆上且安装于所述弹簧孔内；当使所述调整螺杆与一体化柔性行星轮架的螺纹连接深度达到或超过设定深度时，所述调整螺杆能够挤压所述弹簧，进而使所述动平台沿所述一体化柔性行星轮架的径向产生弹性移动，该径向弹性移动可通过弹性连接件转化为行星轮架轴承孔绕行星轮架中心的周向弹性转动。本发明提供的行星轮系消隙装置具有一体化、轻量化、结构紧凑、原理简单可靠、预紧力可调等优点，应用范围广泛。

Description

基于柔性机构的行星轮系消隙装置、减速器及机器人关节
技术领域
本发明涉及一种行星齿轮减速器，具体涉及一种基于柔性机构的行星轮系消隙装置、行星齿轮减速器及协作机器人关节，属于行星减速器技术领域。
背景技术
减速器是机器人关节的核心关键部件，相较于传统机器人关节中使用的谐波减速器，行星齿轮减速器有刚度高、效率高、反向传动性能好等优点，相较于RV减速器具有体积小、重量轻等优点。对行星齿轮轮系进行合理的配齿和效率优化可以得到大减速比、高传动效率适用于机器人关节的减速器，但由于传统齿轮传动在齿轮啮合时存在着尺侧间隙，使齿轮在反转时传动会进入间隙死区，大大影响了其传动精度，因此行星齿轮减速器在精密传动场景例如机器人关节中的应用面临着很大困难。
消除齿侧间隙的方法有许多种，例如采用消隙齿轮、变齿厚齿轮和双电机消隙等等，但这些方法难以在行星齿轮减速器中得以实现。例如，CN110925409A采用固定齿圈与浮动齿圈相结合的方式，通过调节两齿圈的相对角度实现消隙；CN105508585A采用主副行星轮来实现双侧啮合消除间隙。这些方法为了实现消隙都增加了一个或多个冗余零件，进而增大了减速器的重量和转动惯量，对减速器的动态性能产生了不利影响。
如何提供一种可以消除行星齿轮减速器齿侧间隙且轻量化、一体化的消隙机构，是一个急需解决的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于柔性机构的行星轮系消隙装置、减速器及机器人关节，从而克服现有技术的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例的一个方面提供了一种基于柔性机构的行星轮系消隙装置，其包括调整螺杆和弹簧，所述调整螺杆与一体化柔性行星轮架螺纹连接，所述一体化柔性行星轮架具有动平台，所述动平台上设有弹簧孔，所述弹簧套设在螺杆上且安装于所述弹簧孔内；当使所述调整螺杆与一体化柔性行星轮架的螺纹连接深度达到或超过设定深度时，所述调整螺杆能够挤压所述弹簧，从而使所述动平台沿所述一体化柔性行星轮架的径向产生弹性移动，进而使所述一体化柔性行星轮架内的行星齿轮轴轴承孔绕一体化柔性行星轮架中心周向弹性转动。
在一些实施方式中，所述调整螺杆和弹簧均沿所述一体化柔性行星轮架的径向设置。
在一些实施方式中，所述弹簧一端与弹簧孔底面贴紧，另一端与调整螺杆的螺帽贴紧。
在一些实施方式中，所述一体化柔性行星轮架包括一个第一环形件、围绕中心环形件对称设置的多个第二环形件和两个动平台，所述第一环形件具有行星轮架中心轴轴承孔，所述第二环形件具有行星齿轮轴轴承孔，所述两个动平台分布于一体化柔性行星轮架两侧，且任一动平台均设置于相邻两个第二环形件之间，所述第一环形件与各第二环形件之间通过第一弹性连接件连接，所述动平台与相邻第二环形件之间通过第二弹性连接件连接。
在一些实施方式中，所述第一环形件、第二环形件、动平台、第一弹性连接件和第二弹性连接件均一体设置。
在一些实施方式中，所述第二环形件为偶数个。
在一些实施方式中，其中相邻两个第二环形件能够成对绕一体化柔性行星轮架中心相对转动。
在一些实施方式中，所述第一弹性连接件包括柔性板簧，所述第二弹性连接件包括依次连接的第一柔性铰链和第二柔性铰链。
进一步的，所述动平台依次经第一柔性铰链、第二柔性铰链与相邻第二环形件连接。
在一些实施方式中，所述行星轮系消隙装置的径向刚度为：
Figure BDA0002889352600000021
其中，K1是第一柔性铰链在一体化柔性行星轮架径向的等效刚度，K2是第二柔性铰链在一体化柔性行星轮架径向的等效刚度，K3是第二环形件通过第一弹性连接件进行周向转动时在一体化柔性行星轮架径向的等效刚度，Ks是弹簧的刚度。
本发明实施例的另一个方面提供了一种减速器，其包括：
基于柔性机构的行星轮系消隙装置；以及
设置在一体化柔性行星轮架上的太阳轮和多个行星齿轮，所述行星齿轮与内齿圈和太阳轮保持啮合。
本发明实施例的另一个方面提供了一种机器人关节，其包括所述的减速器。
与现有技术相比较，本发明以上实施例提供的技术方案至少具有如下有益效果：
(1)通过设计一种一体化柔性行星轮架，使行星轮轴轴承孔无需依附额外冗余零件即可绕行星轮架中心产生相对转动，并以此来成对消除正反向的齿侧间隙；
(2)通过在一体化柔性行星轮架上设置预紧力调整机构，可以调节行星轮消隙所受预紧力，保证消隙装置的可靠工作，且通过调节预紧力，可调整行星轮消隙状态切换阈值，在载荷超过阈值时，随动行星轮将在自身绕行星轮架中心的扭矩作用下克服消隙装置的刚度回复至正常同侧啮合状态；
(3)提供的基于柔性机构的行星轮系消隙装置具有一体化、轻量化、结构紧凑、原理简单可靠、预紧力可调、应用范围广泛等优点。
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中记载的一些实施例，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是本发明一实施方式中一种行星轮系消隙装置的整体装配结构示意图；
图2是本发明一实施方式中一种行星轮系消隙装置螺纹连接处(图1中A所示区域)的局部放大图；
图3是本发明一实施方式中一体化柔性行星轮架的立体图；
图4是本发明一实施方式中一体化柔性行星轮架的主视图；
图5是本发明一实施方式中一种行星轮系消隙装置工作在一示例轮系中的示意图；
附图标记说明：10-一体化柔性行星轮架，101-第一环形件，102-第二环形件，11-柔性板簧，12-行星齿轮轴轴承孔，13-动平台，14-第一柔性铰链，15-第二柔性铰链，16-行星轮架中心轴轴承孔，20-调整螺杆，21-弹簧，30-内齿圈，31-行星齿轮轴，32-轴承压盖。
具体实施方式
通过应连同所附图式一起阅读的以下具体实施方式将更完整地理解本发明。本文中揭示本发明的详细实施例；然而，应理解，所揭示的实施例仅具本发明的示范性，本发明可以各种形式来体现。因此，本文中所揭示的特定功能细节不应解释为具有限制性，而是仅解释为权利要求书的基础且解释为用于教示所属领域的技术人员在事实上任何适当详细实施例中以不同方式采用本发明的代表性基础。
请参阅图1-图4，本发明一实施例所揭示的一种基于柔性机构的行星轮系消隙装置包括调整螺杆20和弹簧21，所述调整螺杆20与一体化柔性行星轮架10螺纹连接，所述一体化柔性行星轮架10具有动平台13，所述动平台13上设有弹簧孔，所述弹簧21套设在螺杆21上且安装于所述弹簧孔内，所述弹簧21一端与弹簧孔底面贴紧，另一端与调整螺杆20的螺帽贴紧。所述调整螺杆20和弹簧21均沿一体化柔性行星轮架10的径向设置。所述调整螺杆20与一体化柔性行星轮架10的螺纹连接深度可以通过调整螺杆20直接调节。
进一步的，通过调节所述调整螺杆20与一体化柔性行星轮架10的螺纹连接深度，调整螺杆将挤压弹簧21发生变形，并将压力传递至所述行星轮架10的动平台13，使其沿所述行星轮架10的径向产生弹性移动，进而使所述一体化柔性行星轮架内的行星齿轮轴轴承孔绕一体化柔性行星轮架中心周向弹性转动。
进一步的，所述一体化柔性行星轮架10包括一个第一环形件101、围绕中心环形件对称设置的多个第二环形件102和两个动平台13，所述第一环形件具有行星轮架中心轴轴承孔16，所述第二环形件具有行星齿轮轴轴承孔12，所述两个动平台13分布于一体化柔性行星轮架10两侧，且每一动平台13均设置于相邻两个第二环形件102之间，所述第一环形件101与各第二环形件102之间通过第一弹性连接件连接，所述动平台13与相邻第二环形件102之间通过第二弹性连接件连接。其中，所述第二环形件102为偶数个。所述第一弹性连接件采用柔性板簧11，所述第二弹性连接件包括依次连接的第一柔性铰链14和第二柔性铰链15，且所述动平台13依次经第一柔性铰链14、第二柔性铰链15与相邻第二环形件102连接。
其中，所述第一环形件、第二环形件、动平台、第一弹性连接件和第二弹性连接件均一体设置。
通过采用以上的结构设计，使得所述一体化柔性行星轮架10可以通过柔性铰链14、15将各行星齿轮轴轴承孔12绕所述行星轮架10中心的周向刚度转换成为所述动平台13垂直方向的径向刚度，同时，各行星齿轮轴轴承孔12可通过柔性板簧11产生绕所述行星轮架10中心的弹性转动，并且，所述动平台13可通过柔性铰链14、15产生沿所述行星轮架10径向的弹性移动。
进一步的，所述行星轮系消隙装置的径向刚度为：
Figure BDA0002889352600000041
其中，K1是第一柔性铰链14在一体化柔性行星轮架10径向的等效刚度，K2是第二柔性铰链15在一体化柔性行星轮架10径向的等效刚度，K3是第二环形件102通过第一弹性连接件进行周向转动时在一体化柔性行星轮架10径向的等效刚度，Ks是弹簧21的刚度。
更为直观的，请参阅图3-图4，所述一体化柔性行星轮架10可以通过柔性板簧11、第一柔性铰链14和第二柔性铰链15将动平台13在径向的弹性移动转化成为行星轮轴轴承孔12绕行星轮架中心的周向弹性转动，并在此过程中保持一定的回复力。
本实施例中所述的行星轮系消隙装置可以在多种行星轮系中与行星轮轴轴承(图中未示出)和行星架中心轴轴承(图中未示出)相连，进而支撑行星齿轮轴(图中未示出)进行回转运动。图5示出了所述行星轮系消隙装置在一示例轮系中的应用。该行星轮系为3K行星轮系，其中采用了偶数个行星轮，且行星架不作为传动链中传递力矩的零件。所述行星轮系消隙装置通过调整螺杆20调节其与一体化柔性行星轮架10的螺纹连接深度，挤压弹簧21带动行星轮架的动平台13使行星轮架10产生径向变形，行星轮架径向变形通过柔性机构转化为行星轮轴轴承孔12绕行星轮架中心的转动，并由此带动相邻的两个行星轮轴31产生反向的运动，进而相邻的一对行星齿轮将在异侧与内齿圈30和太阳轮(图中未示出)保持啮合状态，消隙完成后继续调节调整螺杆20与一体化柔性行星轮架10的螺纹连接深度，进一步压缩弹簧10，此时由于侧隙已消除，行星轮架10不会再发生弹性变形，弹簧10的变形力将转化为施加在行星齿轮啮合面上的预紧力，以实现齿面的贴紧，保证行星轮系正反向工作时始终有一行星轮处于啮合状态，即实现了行星齿轮消隙。
因此，应用本实施例的行星轮系消隙装置，可以构建行星齿轮减速器。而所述行星齿轮减速器可以在多个领域应用。
例如，在一种应用案例中，可以在一种协作机器人关节的传动减速机构内部使用加入了所述行星轮系消隙装置的行星齿轮减速器，用于驱动具有高人机交互性能的协作机器人。
本发明的各方面、实施例、特征及实例应视为在所有方面为说明性的且不打算限制本发明，本发明的范围仅由权利要求书界定。在不背离所主张的本发明的精神及范围的情况下，所属领域的技术人员将明了其它实施例、修改及使用。
在本发明案中标题及章节的使用不意味着限制本发明；每一章节可应用于本发明的任何方面、实施例或特征。
除非另外具体陈述，否则术语“包含(include、includes、including)”、“具有(have、has或having)”的使用通常应理解为开放式的且不具限制性。
尽管已参考说明性实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将理解，在不背离本发明的精神及范围的情况下可做出各种其它改变、省略及/或添加且可用实质等效物替代所述实施例的元件。另外，可在不背离本发明的范围的情况下做出许多修改以使特定情形或材料适应本发明的教示。因此，本文并不打算将本发明限制于用于执行本发明的所揭示特定实施例，而是打算使本发明将包含归属于所附权利要求书的范围内的所有实施例。此外，除非具体陈述，否则术语第一、第二等的任何使用不表示任何次序或重要性，而是使用术语第一、第二等来区分一个元素与另一元素。

Claims (10)

1.一种基于柔性机构的行星轮系消隙装置，其特征在于：所述消隙装置包括调整螺杆(20)和弹簧(21)，所述调整螺杆(20)与一体化柔性行星轮架(10)螺纹连接，所述一体化柔性行星轮架(10)具有动平台(13)，所述动平台(13)上设有弹簧孔，所述弹簧(21)套设在螺杆(21)上且安装于所述弹簧孔内；当使所述调整螺杆(20)与一体化柔性行星轮架(10)的螺纹连接深度达到或超过设定深度时，所述调整螺杆(20)能够挤压所述弹簧(21)，从而使所述动平台(13)沿所述一体化柔性行星轮架(10)的径向产生弹性移动，进而使所述一体化柔性行星轮架(10)内的行星齿轮轴轴承孔(12)绕一体化柔性行星轮架(10)中心周向弹性转动。
2.根据权利要求1所述的基于柔性机构的行星轮系消隙装置，其特征在于：所述一体化柔性行星轮架(10)包括一个第一环形件、围绕中心环形件对称设置的多个第二环形件和两个动平台(13)，所述第一环形件具有行星轮架中心轴轴承孔(16)，所述第二环形件具有行星齿轮轴轴承孔(12)，所述两个动平台(13)分布于一体化柔性行星轮架(10)两侧，且任一动平台(13)均设置于相邻两个第二环形件之间，所述第一环形件与各第二环形件之间通过第一弹性连接件连接，所述动平台(13)与相邻第二环形件之间通过第二弹性连接件连接。
3.根据权利要求2所述的基于柔性机构的行星轮系消隙装置，其特征在于：所述第一环形件、第二环形件、动平台(13)、第一弹性连接件和第二弹性连接件均一体设置。
4.根据权利要求2所述的基于柔性机构的行星轮系消隙装置，其特征在于：所述第二环形件为偶数个。
5.根据权利要求4所述的基于柔性机构的行星轮系消隙装置，其特征在于：其中相邻两个第二环形件能够成对绕一体化柔性行星轮架(10)中心相对转动。
6.根据权利要求2所述的基于柔性机构的行星轮系消隙装置，其特征在于：所述调整螺杆(20)和弹簧(21)均沿所述一体化柔性行星轮架(10)的径向设置；和/或，所述弹簧(21)一端与弹簧孔底面贴紧，另一端与调整螺杆(20)的螺帽贴紧。
7.根据权利要求2-6中任一项所述的基于柔性机构的行星轮系消隙装置，其特征在于：所述第一弹性连接件包括柔性板簧(11)，所述第二弹性连接件包括依次连接的第一柔性铰链(14)和第二柔性铰链(15)。
8.根据权利要求7所述的基于柔性机构的行星轮系消隙装置，其特征在于，所述行星轮系消隙装置的径向刚度为：
Figure FDA0002889352590000021
其中，K1是第一柔性铰链(14)在一体化柔性行星轮架(10)径向的等效刚度，K2是第二柔性铰链(15)在一体化柔性行星轮架(10)径向的等效刚度，K3是第二环形件通过第一弹性连接件进行周向转动时在一体化柔性行星轮架(10)径向的等效刚度，Ks是弹簧(21)的刚度。
9.一种减速器，其特征在于包括：
权利要求1-8中任一项所述的基于柔性机构的行星轮系消隙装置；以及
设置在一体化柔性行星轮架(10)上的太阳轮和多个行星齿轮，所述行星齿轮与内齿圈(30)和太阳轮保持啮合。
10.一种机器人关节，其特征在于包括权利要求9所述的减速器。
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