CN114248262A - 一种双动力驱动机器人的单轴的驱动装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双动力驱动机器人的单轴的驱动装置和方法，装置包括第一驱动电机、第二驱动电机和差动齿轮箱，差动齿轮箱包括由第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第四齿轮和第五齿轮构成的变速系统，第三齿轮为行星齿轮，第一驱动电机与第一齿轮轴连接，第一齿轮和第二齿轮外啮合，第四齿轮包括同轴设置的第一子齿轮和第二子齿轮，第三齿轮与第二齿轮内啮合的同时与第一子齿轮外啮合，第二子齿轮与第五齿轮外啮合，第二驱动电机与第五齿轮轴连接，第三齿轮设置在行星架上，行星架通过转动副与第三齿轮相连，行星架的动力输出端用于与机器人的单轴机械臂相连。本发明可减少能量损耗，两个电机相反运动可以获得较低的转速，不需要过大的齿轮传动比。
Description
技术领域
本发明属于机器人控制技术领域，具体涉及一种双动力驱动机器人的单轴的驱动装置及方法。
背景技术
机器人是一种能够半自主或全自主工作的智能机器，可以辅助甚至替代人类完成危险、繁重、复杂的工作，提高工作效率与质量，服务人类生活，扩大或延伸人的活动及能力范围。
机器人通过驱动系统驱动机械臂产生运动，从而完成需要的动作。机器人的驱动方式有多种，采用电机驱动是比较常见的驱动方式。
目前机器人的电机驱动方式是采用一个电机驱动一个轴的机械臂，这种驱动方法的电机一般是按最大的载荷和速度来选型，且还要匹配减速机。在机器人的载荷变化大，且运动速度也变化大的工况下，电机选型功率比较大。这样造成单个大功率电机自身负载大，能量损耗大，而且要求电机的低速也有很好的性能，要求电机调速范围大，调速性能好。
综上所述，亟需提供一种可减少能量损耗、对电机低转速特性要求较低的双动力驱动机器人单轴的驱动装置及方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种可减少能量损耗、对电机低转速特性要求较低的双动力驱动机器人单轴的驱动装置及方法。
上述目的是通过如下技术方案实现：一种双动力驱动机器人的单轴的驱动装置，包括第一驱动电机、第二驱动电机和差动齿轮箱，所述差动齿轮箱包括由第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第四齿轮和第五齿轮构成的变速系统，所述第三齿轮为行星齿轮，第一齿轮、第二齿轮、第四齿轮和第五齿轮的为太阳齿轮，所述第一驱动电机与所述第一齿轮轴连接传动，所述第一齿轮和第二齿轮外啮合传动，第四齿轮包括同轴设置的第一子齿轮和第二子齿轮，所述第一子齿轮和第三齿轮设置在所述第二齿轮内，所述第二齿轮设有内齿，所述第三齿轮与所述第二齿轮内啮合传动的同时与所述第一子齿轮外啮合传动，所述第二子齿轮与所述第五齿轮外啮合传动，所述第二驱动电机与所述第五齿轮轴连接传动，所述第三齿轮设置在行星架上，所述行星架通过转动副与所述第三齿轮相连，所述行星架的动力输出端用于与所述机器人的单轴机械臂相连。
本发明的第一电机和第二电机为作为驱动电机，且两个电机带有刹车，当电机停止时，刹车制动，外部力不能使之转动。本发明的变速既包含定轴轮系，又包含周转轮系，为复合轮系，因为同轴，所以第一电机和第一齿轮，第二电机和第五齿轮的转速相同，当机器人的单轴的机械臂的传动需要高速和大功率情况下，由两个电机进行驱动，且转向相同；当传动不需要高速和大功率情况下，一个电机停止，一个电机进行驱动，这样工况只用一个电机，能够减少一个电机的发热，减少无用功率消耗；传动需要低速和大功率情况下，两个电机进行相对反向驱动，这样工况电机转速很高，但是可以输出比较低的转速和比较大的功率。
进一步的技术方案是，所述行星架的转速与第二齿轮的转速、第四齿轮的转速的关系有公式(1)如下：
其中，nH为行星架的转速，n4为第四齿轮的转速，n2为第二齿轮的转速，u0为系数。
进一步的技术方案是，所述行星架的转速与第一电机的输出转速、第二电机的输出转速的关系有公式(2)如下：
其中，nD1为第一电机的输出转速，nD2为第二电机的输出转速，z1为第一齿轮的齿数，z2′为第二齿轮的外齿圈的齿数，z4′—第二子齿轮的齿数，z5为第五齿轮的齿数。
为实现上述目的，本发明还提供一种双动力驱动机器人单轴的驱动方法，采用上述任一所述的双动力驱动机器人的单轴驱动装置实现，当机器人的单轴机械臂传动需要高速和大功率时，由第一电机和第二电机进行驱动，且第一电机和第二电机的转向相同，即nD1＞0且nD2＞0或nD1＜0且nD2＜0；当机器人的单轴机械臂的传动不需要高速和大功率时，第一电机或第二电机运行，另一电机停止，即nD1＞0且nD2＝0，或nD1＝0且nD2＞0；当机器人的单轴机械臂传动需要低速和大功率时，第一电机和第二电机同时运行进行驱动，且第一电机和第二电机的转速相反，即nD1＞0且nD2＜0，或nD1＞0且nD2＜0。
相比于现有技术，本发明的优势在于：有机器人的很多工况载荷和复杂，载荷变化较大，本发明采用两台相对小功率的电机比采用一台电机节约能源，减少能量损耗；用齿轮箱代替减速机，当采用两个电机相反运动时，可以获得较低的转速，不需要过大的齿轮传动比。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明一种实施方式所述涉及的双动力驱动机器人单轴的驱动装置传动原理示意图。
图中：
1第一电机 2第二电机 3机械臂 4齿轮箱
5第一齿轮 6第二齿轮 7第三齿轮 8行星架
9第四齿轮 10第五齿轮 11第二子齿轮 12第一子齿轮
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。此外，本领域技术人员根据本文件的描述，可以对本文件中实施例中以及不同实施例中的特征进行相应组合。
本发明实施例如下，如图1，一种双动力驱动机器人的单轴的驱动装置，包括第一驱动电机、第二驱动电机和差动齿轮箱4，所述差动齿轮箱4包括由第一齿轮5、第二齿轮6、第三齿轮7、第四齿轮9和第五齿轮10构成的变速系统，所述第三齿轮7为行星齿轮，第一齿轮5、第二齿轮6、第四齿轮9和第五齿轮10的为太阳齿轮，所述第一驱动电机与所述第一齿轮5轴连接传动，所述第一齿轮5和第二齿轮6外啮合传动，第四齿轮9包括同轴设置的第一子齿轮12和第二子齿轮11，所述第一子齿轮12和第三齿轮7设置在所述第二齿轮6内，所述第二齿轮6设有内齿，所述第三齿轮7与所述第二齿轮6内啮合传动的同时与所述第一子齿轮12外啮合传动，所述第二子齿轮11与所述第五齿轮10外啮合传动，所述第二驱动电机与所述第五齿轮10轴连接传动，所述第三齿轮7设置在行星架8上，所述行星架8通过转动副与所述第三齿轮7相连，所述行星架8的动力输出端用于与所述机器人的单轴机械臂3相连。
本发明的第一电机1和第二电机2为作为驱动电机，且两个电机带有刹车，当电机停止时，刹车制动，外部力不能使之转动。本发明的变速既包含定轴轮系，又包含周转轮系，为复合轮系，因为同轴，所以第一电机1和第一齿轮5，第二电机2和第五齿轮10的转速相同，当机器人的单轴机械臂3的传动需要高速和大功率情况下，由两个电机进行驱动，且转向相同；当传动不需要高速和大功率情况下，一个电机停止，一个电机进行驱动，这样工况只用一个电机，能够减少一个电机的发热，减少无用功率消耗；传动需要低速和大功率情况下，两个电机进行相对反向驱动，这样工况电机转速很高，但是可以输出比较低的转速和比较大的功率。
所述行星架8的转速与第二齿轮6的转速、第四齿轮9的转速的关系有公式(1)如下：
其中，nH为行星架8的转速，n4为第四齿轮9的转速，n2为第二齿轮6的转速，u0为系数。
周转轮系加上一个公共角速度“-nH”，使之绕行星架8的固定轴线回转，这时各构建之间的相对运动任将保持不变，行星架8“静止不动”了。周转轮系转化为定轴轮系。在转化后的轮系中有如下关系：
式中，
为转化轮系的传动比，z2为第二齿轮6内齿圈的齿数，z4为第一子齿轮12的齿数；上式简化转化可得到公式(1)。
所述行星架8的转速与第一电机1的输出转速、第二电机2的输出转速的关系有公式(2)如下：
其中，nD1为第一电机1的输出转速，nD2为第二电机2的输出转速，z1为第一齿轮5的齿数，z2′为第二齿轮6的外齿圈的齿数，z4′—第二子齿轮11的齿数，z5为第五齿轮10的齿数。
将上述关系式代入公式(1)可得到公式2。
设z1＝72,z2＝24,z2′＝48，z4＝72,z4′＝36，z5＝72，
可得
本发明还提供一种双动力驱动机器人的单轴的驱动方法，实施例如下，采用上述任一所述的双动力驱动机器人单轴的驱动装置实现，当机器人单轴的机械臂传动需要高速和大功率时，由第一电机1和第二电机2进行驱动，且第一电机1和第二电机2的转向相同，即nD1＞0且nD2＞0或nD1＜0且nD2＜0；当机器人单轴的机械臂传动不需要高速和大功率时，第一电机1或第二电机2运行，另一电机停止，即nD1＞0且nD2＝0，或nD1＝0且nD2＞0；当机器人单轴的机械臂传动需要低速和大功率时，第一电机1和第二电机2同时运行进行驱动，且第一电机1和第二电机2的转速相反，即nD1＞0且nD2＜0，或nD1＞0且nD2＜0。
相比于现有技术，本发明的优势在于：有机器人单轴机械臂很多工况载荷和复杂，载荷变化较大，本发明采用两台相对小功率的电机比采用一台电机节约能源，减少能量损耗；用齿轮箱4代替减速机，当采用两个电机相反运动时，可以获得较低的转速，不需要过大的齿轮传动比。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种双动力驱动机器人的单轴的驱动装置，其特征在于，包括第一驱动电机、第二驱动电机和差动齿轮箱，所述差动齿轮箱包括由第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第四齿轮和第五齿轮构成的变速系统，所述第三齿轮为行星齿轮，第一齿轮、第二齿轮、第四齿轮和第五齿轮的为太阳齿轮，所述第一驱动电机与所述第一齿轮轴连接传动，所述第一齿轮和第二齿轮外啮合传动，第四齿轮包括同轴设置的第一子齿轮和第二子齿轮，所述第一子齿轮和第三齿轮设置在所述第二齿轮内，所述第二齿轮设有内齿，所述第三齿轮与所述第二齿轮内啮合传动的同时与所述第一子齿轮外啮合传动，所述第二子齿轮与所述第五齿轮外啮合传动，所述第二驱动电机与所述第五齿轮轴连接传动，所述第三齿轮设置在行星架上，所述行星架通过转动副与所述第三齿轮相连，所述行星架的动力输出端用于与所述机器人的单轴机械臂相连。
2.根据权利要求1所述的双动力驱动机器人的单轴的驱动装置，其特征在于，所述行星架的转速与第二齿轮的转速、第四齿轮的转速的关系有公式(1)如下：
其中，nH为行星架的转速，n4为第四齿轮的转速，n2为第二齿轮的转速，u0为系数。
3.根据权利要求2所述的双动力驱动机器人的单轴的驱动装置，其特征在于，所述行星架的转速与第一电机的输出转速、第二电机的输出转速的关系有公式(2)如下：
其中，nD1为第一电机的输出转速，nD2为第二电机的输出转速，z1为第一齿轮的齿数，z2′为第二齿轮的外齿圈的齿数，z4′—第二子齿轮的齿数，z5为第五齿轮的齿数。
4.一种双动力驱动机器人的单轴的驱动方法，其特征在于，采用权利要求2或3任意一项所述的双动力驱动机器人的单轴的驱动装置实现，当机器人的单轴的机械臂传动需要高速和大功率时，由第一电机和第二电机进行驱动，且第一电机和第二电机的转向相同，即nD1＞0且nD2＞0或nD1＜0且nD2＜0；当机器人的单轴的机械臂传动不需要高速和大功率时，第一电机或第二电机运行，另一电机停止，即nD1＞0且nD2＝0，或nD1＝0且nD2＞0；当机器人的单轴机械臂传动需要低速和大功率时，第一电机和第二电机同时运行进行驱动，且第一电机和第二电机的转速相反，即nD1＞0且nD2＜0，或nD1＞0且nD2＜0。
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