CN114110125B - 一种带有自供能传感器系统的谐波减速器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有自供能传感器系统的谐波减速器，所述谐波减速器包括：减速器本体，所述减速器本体包括：柔轮，所述柔轮采用筒状结构；数据采集模块，所述数据采集模块包括采集所述柔轮的应力分布数据的应变花，所述应变花设置在所述柔轮筒壁内侧；电路板，所述电路板设置在所述柔轮的第一端，且所述电路板包括：无线传输模块，所述无线传输模块用于向外部传输所述应力分布数据；自供能模块，所述自供能模块包括设置在所述柔轮筒壁内侧的发电片，用于对所述电路板供电。

Description

一种带有自供能传感器系统的谐波减速器

技术领域

本发明涉及谐波减速器领域，尤其涉及一种带有自供能传感器系统的谐波减速器。

背景技术

目前谐波减速器是应用于工业机器人关节上的精密减速器，通常由柔轮、刚轮和波发生器三大构件组成，利用波发生器转动致使柔轮产生周期性波动变形，迫使柔轮与刚轮之间的少齿差内啮合，从而实现运动与动力的传递。对于谐波齿轮减速器，柔轮在传动过程中承受着复杂的交变载荷，对其疲劳强度、可靠性、传动精度等性能要求较高，且其加工制造工艺复杂，因此，柔轮的性能在一定程度上决定了谐波减速器的性能。所以说谐波减速器的薄弱零件主要是柔轮，失效位置常常是发生在这个零件上。但是在实际应用过程中柔轮常常被刚性轴承、刚轮和端盖等包裹起来，难以直接观察，使用常规的监测手段例如噪声振动测试不能很好地将问题锁定到柔轮上，并且进行噪声振动对于环境噪声的要求十分苛刻，需要在隔音良好的房间才能进行。

发明内容

鉴于此，本发明公开了一种带有自供能传感器系统的谐波减速器，用以至少解决上述问题之一。

本发明为实现上述的目标，采用的技术方案是：

本发明公开了一种带有自供能传感器系统的谐波减速器，所述谐波减速器包括：

减速器本体，所述减速器本体包括：柔轮，所述柔轮采用筒状结构；

数据采集模块，所述数据采集模块包括采集所述柔轮的应力分布数据的应变花，所述应变花设置在所述柔轮筒壁内侧；

电路板，所述电路板设置在所述柔轮的第一端，且所述电路板包括：无线传输模块，所述无线传输模块用于向外部传输所述应力分布数据；

自供能模块，所述自供能模块包括设置在所述柔轮筒壁内侧的发电片，用于对所述电路板供电。

进一步可选的，所述自供能模块包括：

多个发电片，所述多个发电片绕所述柔轮筒壁内周周向均匀分布；

集成在所述电路板上的蓄能电池结构；

以及集合了整流充电供电功能的电路。

进一步可选的，所述多个发电片为6个，且6个所述发电片与所述柔轮的第一端的距离均为L1，L1的范围均为10mm-12mm。

进一步可选的，所述多个发电片的轴线垂直于所述柔轮的母线。

进一步可选的，所述数据采集模块包括：

多组所述应变花，多组所述应变花绕所述柔轮的筒壁内周周向均匀分布；

及集成在所述电路板上的数据存储系统。

进一步可选的，所述多组应变花为6组，且6组所述应变花与所述柔轮的第一端的距离L2均相同，L2的范围均为10mm-12mm。

进一步可选的，每一组所述应变花包括相互垂直的两片应变片，且每组所述应变花中应变片的敏感栅轴向方向与所述柔轮的母线方向夹角成45°。

进一步可选的，所述减速器本体还包括：

刚轮，套设在所述柔轮外部；

带有波发生器的中空轴，所述中空轴安装在所述柔轮内；

柔轮端盖，所述柔轮端盖设置在所述柔轮的一端，且所述柔轮端盖上形成有供所述中空轴穿设的通孔；

柔性轴承，所述柔性轴承的内圈与所述中空轴连接，所述柔性轴承的外圈与所述柔轮连接。

进一步可选的，所述电路板与所述柔轮端盖位于所述柔轮的同一端。

进一步可选的，所述柔轮的第一端形成有柔轮法兰，所述柔轮法兰与所述柔轮端盖连接，且所述柔轮法兰上开设有安装所述电路板的安装槽；所述柔轮的第二端的外周壁形成有外齿轮，所述外齿轮用于与所述刚轮内周壁形成的内齿轮啮合。

进一步可选的，所述电路板采用环形结构，且所述电路板的外环和/或内环上形成有至少一个固定耳；相应的，所述安装槽上形成有与所述至少一个固定耳适配的耳槽。

进一步可选的，所述谐波减速器还包括第一轴承，所述第一轴承的内圈与所述中空轴连接，所述第一轴承的外圈与所述刚轮连接。

进一步可选的，所述柔轮端盖的形成所述通孔的孔内壁设有第二轴承安装部，所述第二轴承安装部用于安装第二轴承，以使所述中空轴可转动的所述柔轮端盖的通孔内。

进一步可选的，所述减速器本体还包括：套设在所述柔轮上的第三轴承，所述第三轴承的外圈与所述柔轮端盖配合固定所述柔轮法兰；所述第三轴承的内圈连接所述刚轮。

有益效果：本发明中的谐波减速器采用了直接贴在柔轮中的数据采集模块，可以更直观的监测柔轮的运行状态；电子元器件和应变片都是固定在柔轮上，不会出现铜线纠缠扭转的现象，可以以刚轮或柔轮中的任何一个作为输出端；采用自供能技术，可以实现无线传输监测数据，实现连续的动态实时监测，提高系统运行的安全性和故障分析能力；不需要外接电源线和数据线，保证了谐波减速器的结构强度和密封性，防止漏油；减速器尺寸不变，可以和其他普通谐波减速器互换使用。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施例，本发明公开的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。下面描述的附图仅仅是本发明公开的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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示出了一实施例的谐波减速器整体剖面示意图；

图2示出了一实施例的柔轮筒内壁展开图；

图3示出了一实施例的电路板整体示意图。

图中：1、刚轮；2、柔轮；21、固定槽；22、螺纹孔；3、中空轴；4、柔轮端盖；5、应变片；6、发电片；7、电路板；81、第一轴承；82、第二轴承；83、第三轴承；9柔性轴承。

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，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。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种，但是不排除包含至少一种的情况。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

目前现有谐波减速器无法对自身工作状态进行动态监测，也无法直接检测柔轮的输出扭矩；整体密封性能较差；无法保证和普通谐波减速器的互换性。本发明通过使用压电式纳米发电片实现自供能，使用无线传输发送传感器信号，避免外接数据线、电源线；通过特定的应变片贴法采集柔轮应力分布监测柔轮工作状况例如负载转矩；使用环形印刷电路板，避开旋转轴的同时充分利用柔轮内部的空间；采用自供能，不需要外部电源即可进行长时间持续的数据采集和发送。

为进一步阐述本发明中的技术方案，现结合图1-图3所示，提供了如下具体实施例。

在本实施例中提供了一种带有自供能传感器系统的谐波减速器，谐波减速器包括：

减速器本体，减速器本体包括：柔轮2，柔轮2采用筒状结构；

数据采集模块，数据采集模块包括采集柔轮2的应力分布数据的应变花，应变花设置在柔轮2筒壁内侧；

电路板7，电路板7设置在柔轮2的第一端，且电路板7包括：无线传输模块，无线传输模块用于向外部传输应力分布数据；

自供能模块，自供能模块包括设置在柔轮2筒壁内侧的发电片6，用于对电路板7供电。优选：发电片6采用压电式纳米发电片。

本发明的谐波减速器包含三个模块，分别为减速器的本体、自供能模块、数据采集及无线传输模块。

本实施例中采用帽型的减速器本体，其中柔轮2的筒壁部分在运行过程中会进行周期性的弯曲变形，这种变形是实现自供能的动力来源；同时，受负载扭矩影响，筒壁上还会产生剪应力。因此，在本实施例中将压电式纳米发电片6和应变片5均匀分布粘贴在柔轮2筒内壁处。在柔轮2的一端部形成柔轮法兰，并在柔轮法兰上开槽不会影响柔轮2强度且有足够空间，所以在柔轮法兰有对称的两个固定槽21，在固定槽21内有两个螺纹孔22，带耳的硬质集成电路板7固定在其中。

具体地，如图1所示，本发明公开的谐波减速器，包括刚轮1、帽型的柔轮2、带有波发生器的中空轴3(下称中空轴)、柔轮端盖4、应变片5、压电式纳米发电片6和电路板7。柔轮安装在刚轮1内，中空轴3装在柔轮2内，柔轮端盖4上有供中空轴3穿过的通孔，并且与柔轮2相连。柔轮的法兰上的对称位置开有两个固定槽21，固定槽中各有一个螺纹孔22，电路板7形状是带耳的环形，通过这个螺纹孔固定在固定槽内，夹在柔轮和柔轮端盖4之间。应变片5和压电式纳米发电片6按照一定方向粘贴在柔轮内壁上。

在一些可选的方式中，自供能模块包括：

多个发电片6，多个发电片6绕柔轮筒壁内周周向均匀分布；

集成在电路板上的蓄能电池结构；

以及集合了整流充电供电功能的电路。

优选地：多个发电片6为6个，且6个发电片6与柔轮的第一端的距离均为L1，L1的范围均为10mm-12mm。多个发电片6的轴线垂直于柔轮的母线。

具体的，如图1和图2所示，自供能模块由并联的6块周向均匀布置在柔轮内壁距离筒底10mm～12mm处的压电式纳米发电片6、集合了整流充电供电功能的电路和蓄能电池构成。柔轮的弯曲变形是沿着母线进行的，所以要将压电式纳米发电片6的轴线垂直于圆筒的母线粘贴。压电式纳米发电片6利用柔轮的弯曲变形生成交变电流，经过整流后冲入蓄能电池，再通过供能电路给其他电子器件供电，保证在运行过程中电流持续稳定，保证其他模块能够长时间工作。

在一些可选的方式中，数据采集模块包括：多组应变花，多组应变花绕柔轮的筒壁内周周向均匀分布；及集成在电路板上的数据存储系统。多组应变花为6组，且6组应变花与柔轮的第一端的距离L2均相同，L2的范围均为10mm-12mm。优选地，每一组应变花包括相互垂直的两片应变片5，且每组应变花中应变片5的敏感栅轴向方向与柔轮的母线方向夹角成45°。

具体的，如图1、图2所示，数据采集模块由若干组应变花以及数据存储系统组成。其中每组应变花由互相垂直的两片应变片5组成。在柔轮筒壁上的剪应力是垂直母线方向的，则正方形单元体的主应变方向为母线左右偏转45度方向，每组应变花中的应变片5的敏感栅的轴向方向应该与这个方向重合。筒体除了扭转导致的剪应力外，还有波发生器导致的弯曲应力，为了叠加抵消弯曲应力造成的影响，需要将6组应变花沿周向均匀布置在柔轮内壁距离筒底10mm～12mm处位置，将其进行串联即可抵消由于波发生器转动产生的弯曲变形的影响，得到柔轮的实际输出的负载转矩。

在一些可选的方式中，减速器本体包括：刚轮1，套设在柔轮外部；带有波发生器的中空轴3，中空轴3安装在柔轮内；柔轮端盖4，柔轮端盖4设置在柔轮的一端，且柔轮端盖4上形成有供中空轴3穿设的通孔；柔性轴承9，柔性轴承9的内圈与中空轴3连接，柔性轴承9的外圈与柔轮连接。优选地，电路板与柔轮端盖4位于柔轮的同一端。

优选地，柔轮2的第一端形成有柔轮法兰，柔轮法兰与柔轮端盖4连接，且柔轮法兰上开设有安装电路板7的安装槽；柔轮2的第二端的外周壁形成有外齿轮，外齿轮用于与刚轮1内周壁形成的内齿轮啮合。

在一些可选的方式中，如图1、图3所示，电路板7采用环形结构，且电路板7的外环和/或内环上形成有至少一个固定耳；相应的，安装槽上形成有与至少一个固定耳适配的耳槽(固定槽21)。

在本实施例中，谐波减速器还包括第一轴承81、第二轴承82和第三轴承83。第一轴承81的内圈与中空轴3连接，第一轴承81的外圈与刚轮1连接；柔轮端盖4的形成通孔的孔内壁设有第二轴承安装部，第二轴承安装部用于安装第二轴承82，以使中空轴3可转动的柔轮端盖4的通孔内；第三轴承83套设在柔轮2上，第三轴承83的外圈与柔轮端盖4配合固定柔轮法兰；第三轴承83的内圈连接刚轮1。

在本实施例中，应变片5采集到柔轮应变数据后，通过蓝牙模块向外发送，通过个人电脑接收进行处理分析。所有的电子元器件都整合在环形带耳的印刷电路板上，中间的圆孔可供传动轴穿过，耳部则固定在前述柔轮法兰的两个槽中。由于本发明所有模块都密封在减速器内部，保证了整体外形尺寸与同型号其他产品一致，有充分的互换性，不需要对机器人结构进行更改就可以直接使用。自供能模块还保证不需要频繁拆装更换电源，保证了运行时不会出现漏油情况。

需要说明的是：无线传输模块可以使用蓝牙、wi-fi等方案，自供能模块的蓄电池可以是化学电池也可以是电容形式；印刷电路板的形状可以是环形以外的任何形状，关键在于避开中心的旋转轴；应变片5和压电式纳米发电片6的数量和粘贴位置、粘贴方向可以根据实际需要任意设置，粘贴数量变多可以提高测量精度，将应变片5方向垂直母线粘贴即可测得弯曲应力值大小，通过分析应变的具体变化曲线形式还可测得柔轮的转角位置以及柔轮的实时转速。

以上具体地示出和描述了本公开的示例性实施例。应可理解的是，本公开不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本公开意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。

Claims (13)

1.一种带有自供能传感器系统的谐波减速器，其特征在于，所述谐波减速器包括：

减速器本体，所述减速器本体包括：柔轮，所述柔轮采用筒状结构；

数据采集模块，所述数据采集模块包括采集所述柔轮的应力分布数据的应变花，所述应变花设置在所述柔轮筒壁内侧；

电路板，所述电路板设置在所述柔轮的第一端，且所述电路板包括：无线传输模块，所述无线传输模块用于向外部传输所述应力分布数据；

自供能模块，所述自供能模块包括设置在所述柔轮筒壁内侧的发电片，用于对所述电路板供电；所述自供能模块利用所述柔轮的弯曲形变生成电流；

所述应变花包括多个，所述发电片设有多个，多个所述应变花与多个所述发电片交替设置在所述柔轮筒壁内侧，多个所述应变花串联。

2.根据权利要求1所述的谐波减速器，其特征在于，所述自供能模块包括：

多个发电片，所述多个发电片绕所述柔轮筒壁内周周向均匀分布；

集成在所述电路板上的蓄能电池结构；

以及集合了整流充电供电功能的电路。

3.根据权利要求2所述的谐波减速器，其特征在于，所述多个发电片为6个，且6个所述发电片与所述柔轮的第一端的距离均为L1，L1的范围均为10mm-12mm。

4.根据权利要求2所述的谐波减速器，其特征在于，所述多个发电片的轴线垂直于所述柔轮的母线。

5.根据权利要求1所述的谐波减速器，其特征在于，所述数据采集模块包括：

多组所述应变花，多组所述应变花绕所述柔轮的筒壁内周周向均匀分布；

及集成在所述电路板上的数据存储系统。

6.根据权利要求5所述的谐波减速器，其特征在于，所述多组应变花为6组，且6组所述应变花与所述柔轮的第一端的距离L2均相同，L2的范围均为10mm-12mm。

7.根据权利要求5所述的谐波减速器，其特征在于，每一组所述应变花包括相互垂直的两片应变片，且每组所述应变花中应变片的敏感栅轴向方向与所述柔轮的母线方向夹角成45°。

8.根据权利要求1所述的谐波减速器，其特征在于，所述减速器本体还包括：

刚轮，套设在所述柔轮外部；

带有波发生器的中空轴，所述中空轴安装在所述柔轮内；

柔轮端盖，所述柔轮端盖设置在所述柔轮的第一端，且所述柔轮端盖上形成有供所述中空轴穿设的通孔；

柔性轴承，所述柔性轴承的内圈与所述中空轴连接，所述柔性轴承的外圈与所述柔轮连接。

9.根据权利要求8所述的谐波减速器，其特征在于，所述柔轮的第一端形成有柔轮法兰，所述柔轮法兰与所述柔轮端盖连接，且所述柔轮法兰上开设有安装所述电路板的安装槽；所述柔轮的第二端的外周壁形成有外齿轮，所述外齿轮用于与所述刚轮内周壁形成的内齿轮啮合。

10.根据权利要求9所述的谐波减速器，其特征在于，所述电路板采用环形结构，且所述电路板的外环和/或内环上形成有至少一个固定耳；相应的，所述安装槽上形成有与所述至少一个固定耳适配的耳槽。

11.根据权利要求8所述的谐波减速器，其特征在于，所述谐波减速器还包括第一轴承，所述第一轴承的内圈与所述中空轴连接，所述第一轴承的外圈与所述刚轮连接。

12.根据权利要求8所述的谐波减速器，其特征在于，所述柔轮端盖的形成所述通孔的孔内壁设有第二轴承安装部，所述第二轴承安装部用于安装第二轴承，以使所述中空轴可转动的所述柔轮端盖的通孔内。

13.根据权利要求9所述的谐波减速器，其特征在于，所述减速器本体还包括：套设在所述柔轮上的第三轴承，所述第三轴承的外圈与所述柔轮端盖配合固定所述柔轮法兰；所述第三轴承的内圈连接所述刚轮。