CN117419143A - 谐波减速器和具有其的机器人 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种谐波减速器和具有其的机器人，谐波减速器包括柔性齿轮、刚性齿轮、驱动件，所述刚性齿轮外套于所述柔性齿轮；所述驱动件设于所述刚性齿轮，当所述驱动件与所述柔性齿轮产生吸引力时，所述驱动件吸引所述柔性齿轮以使所述柔性齿轮变形，使得所述刚性齿轮和所述柔性齿轮啮合连接。由此，通过设置驱动件，驱动件可以对柔性齿轮产生吸引力来驱动柔性齿轮变形来传递扭矩，进而可以省略波发生器和电机驱动的设置，降低传动误差，提高输出精度，同时，可以消除电机与波发生器连接引入的偏心误差，以进一步提高输出精度。此外，还可以利于简化谐波减速器的结构，降低谐波减速器的重量和成本，利于谐波减速器的小型化设计和灵活应用。

Description

谐波减速器和具有其的机器人

技术领域

本申请涉及谐波减速器技术领域，尤其涉及一种谐波减速器和具有其的机器人。

背景技术

谐波减速器具有传动精度高、同时参与啮合的齿数多等特点，广泛应用于医疗器械、半导体制造装备和机器人等领域。谐波减速器采用波动变形原理实现柔性齿轮和刚性齿轮的啮合，来进行运动和扭矩的传递。

现有技术中，谐波减速器的动力输入来自于外部电机，谐波减速器本身不含有驱动功能，通过电机固定架将电机与谐波减速器相连接，并通过连接法兰使电机的转子与谐波减速器相连，使得电机与谐波减速器集成在一起，电机的转轴驱动波发生器，波发生器再驱动柔性齿轮变形来与刚性齿轮啮合来实现减速功能，然而这样设置的传动部件多，多级传动的传动误差大，并且，轴连接的传动方式容易产生偏心误差。

发明内容

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本申请的一个目的在于提出一种谐波减速器，以解决电机的外轴作为动力输入来源而导致传动部件多、轴连接的方式导致误差大的技术问题。

第一方面，本申请提供了一种谐波减速器。

第二方面，本申请提供了一种机器人，包括谐波减速器。

根据本申请第一方面实施例的谐波减速器，包括柔性齿轮、刚性齿轮、驱动件，所述刚性齿轮外套于所述柔性齿轮；所述驱动件设于所述刚性齿轮，当所述驱动件与所述柔性齿轮产生吸引力时，所述驱动件吸引所述柔性齿轮以使所述柔性齿轮变形，使得所述刚性齿轮和所述柔性齿轮啮合连接。

本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：

本申请实施例提供的谐波减速器，通过设置驱动件，驱动件可以对柔性齿轮产生吸引力来驱动柔性齿轮变形来传递扭矩，进而可以省略波发生器和电机驱动的设置方式，降低传动误差，提高输出精度，同时，可以消除电机与波发生器连接引入的偏心误差，以进一步提高输出精度和传动效率。此外，还可以利于简化谐波减速器的结构，降低谐波减速器的重量和成本，利于谐波减速器的小型化设计和灵活应用。

在一些实施例中，所述谐波减速器还包括：电流控制器，所述电流控制器与所述驱动件相连；所述驱动件包括多个磁性件，多个所述磁性件沿所述刚性齿轮的周向方向间隔设置，所述电流控制器可选择性地对每个所述磁性件施加电流以控制每个所述磁性件对所述柔性件的吸引力的大小。

在一些实施例中，所述刚性齿轮具有沿所述刚性齿轮的周向方向延伸的环形槽，多个所述磁性件设于所述环形槽内。

在一些实施例中，所述柔性齿轮具有第一齿部，所述刚性齿轮具有适于与所述第一齿部相啮合的第二齿部，所述磁性件位于所述第二齿部的远离所述第一齿部的一侧。

在一些实施例中，每个所述磁性件包括：铁芯，所述铁芯设于所述环形槽内且沿所述刚性齿轮的径向方向延伸，线圈，所述线圈呈螺旋形缠绕于所述铁芯的外周，所述线圈的端部与所述电流控制器相连。

在一些实施例中，所述谐波减速器还包括：法兰，所述刚性齿轮固定于所述法兰，所述法兰具有过线通道，所述线圈穿过所述过线通道后与所述电流控制器相连。

在一些实施例中，相邻两个所述磁性件之间设有至少一个挡块，所述挡块用于降低相邻两个所述磁性件之间的干扰。

在一些实施例中，所述电流控制器对相邻的多个所述磁性件施加电流，相邻的多个通电的所述磁性件形成扇环区域，从所述扇环区域的中心到所述扇环区域的两侧的边沿，通入所述磁性件的电流由位于所述扇环区域的中心的所述磁性件到位于所述扇环区域的两侧的所述磁性件，电流逐渐减小。

在一些实施例中，所述扇环区域与所述扇环区域所在同心圆的圆心所呈的夹角为α，所述α满足：45°≤α≤54°。

在一些实施例中，所述刚性齿轮为铸铁件；和/或，柔性齿轮为合金钢件。

本申请第二方面实施例的机器人，包括上述实施例所述的谐波减速器。由此，通过设置驱动件，驱动件可以对柔性齿轮产生吸引力来驱动柔性齿轮变形来传递扭矩，进而可以省略波发生器和电机驱动的设置方式，降低传动误差，提高输出精度，同时，可以消除电机与波发生器连接引入的偏心误差，以进一步提高输出精度。此外，还可以利于简化机器人的结构，降低机器人的重量和成本，利于机器人的小型化设计和灵活应用。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

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，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1为本申请实施例提供的一种谐波减速器的一个角度的剖视图。

图2为图1的A处的放大图。

图3为本申请实施例提供的一种刚性齿轮的剖视图。

图4为本申请实施例提供的一种谐波减速器的另一个角度的剖视图。

附图标记说明：

100、谐波减速器；

10、柔性齿轮；11、第一齿部；

20、刚性齿轮；21、环形槽；22、第二齿部；

30、磁性件；31、铁芯；32、线圈；40、电流控制器；

50、法兰；60、挡块；70、刚性轴承；

80、第一螺钉；90、第二螺钉；110、扇环区域。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的相对位置关系或运动情况，这些相对关系术语例如为“中心”、“内”、“外”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。例如，如果在图中的装置发生了位置翻转或者姿态变化或者运动状态变化，那么这些方向性的指示也相应的随着变化，例如：描述为“在其它元件或者特征下面”或者“在其它元件或者特征下方”的元件将随后定向为“在其它元件或者特征上面”或者“在其它元件或者特征上方”。因此，示例术语“在……下方”可以包括在上和在下的方位。装置可以另外定向(旋转90度或者在其它方向)并且文中使用的空间相对关系描述符相应地进行解释。

为了解决现有技术中的以电机的外轴作为动力输入来源而导致传动误差大、谐波减速器体积大、重量大、成本高的技术问题，本申请提供了一种谐波减速器100，谐波减速器100传动误差小，输出精度高，且结构简单、重量小、成本低。

下面参考附图描述根据本申请实施例的谐波减速器100，谐波减速器100包括柔性齿轮10、刚性齿轮20以及驱动件。

具体而言，如图1-图4所示，刚性齿轮20外套于柔性齿轮10，驱动件设于刚性齿轮20，当驱动件与柔性齿轮10产生吸引力时，驱动件吸引柔性齿轮10以使柔性齿轮10产生变形，使得刚性齿轮20和柔性齿轮10啮合连接。

例如，柔性齿轮10可以为薄壁金属弹性件，刚性齿轮可以为刚性的环形件。当刚性齿轮20和柔性齿轮10啮合连接的时候，刚性齿轮20和柔性齿轮10可以进行扭矩的传递。在柔性齿轮10未发生形变时，柔性齿轮10为圆形，此时，刚性齿轮20和柔性齿轮10未啮合，不进行扭矩的传递，当柔性齿轮10发生形变时，柔性齿轮10可以变为椭圆形，此时，柔性齿轮10的外侧的齿可以与刚性齿轮20的内侧的齿啮合，以传递扭矩。

现有技术中，谐波减速器包括波发生器，并通过将外部电机的转轴设于波发生器的内侧来驱动波发生器，波发生器再驱动柔性齿轮变形，这样设置的多级传动会导致谐波减速器的输出精度低，同时，电机的转轴容易产生偏心误差，导致电机的转轴消除了电机和波发生器的连接引入的偏心误差。此外，谐波减速器的结构复杂，导致重量大、成本大。

本申请实施例的谐波减速器100，通过设置驱动件，驱动件可以对柔性齿轮产生吸引力来驱动柔性齿轮10变形来传递扭矩，进而可以省略波发生器和电机驱动的设置，降低传动误差，提高输出精度和传动效率。同时，可以消除电机与波发生器连接引入的偏心误差，以进一步提高输出精度。此外，还可以利于简化谐波减速器100的结构，降低谐波减速器100的重量和成本，利于谐波减速器100的小型化设计和灵活应用。

在一些实施例中，如图1所示，谐波减速器100还包括：电流控制器40，电流控制器40与驱动件相连，驱动件包括多个磁性件30，多个磁性件30沿刚性齿轮20的周向方向间隔设置，电流控制器40可选择性地对每个磁性件30施加电流以控制每个磁性件30对柔性件的吸引力的大小。

由此，通过利用电流控制器40控制通入各个磁性件30的电流大小，可以使得每个磁性件30的通入的电流可以相同或不同，以控制柔性件的周向方向的各个齿部是否形变以及形变量的大小，通电后，磁性件30产生的磁力可以使柔性齿轮10产生变形且变形可以沿着柔性齿轮10的周向方向时刻改变，以使刚性齿轮20和柔性齿轮10不断啮入和啮出，实现谐波减速器100的运行。这样设置的谐波减速器100结构简单，且可以根据实际情况调节各个磁性件30通入的电流来控制柔性齿轮10和刚性齿轮20啮合的齿的数量。

在一些实施例中，如图3和图4所示，柔性齿轮10位于刚性齿轮20的内侧，初始状态下柔性齿轮10和刚性齿轮20不啮合，利用电流控制器40将预设区域内的磁性件30通电。

在一些实施例中，如图4所示，电流控制器40对相邻的多个磁性件30施加电流，相邻的多个通电的所述磁性件30形成扇环区域110，从扇环区域110的中心到扇环区域110的两侧的边沿，通入所述磁性件30的电流由位于所述扇环区域110的中心的所述磁性件30到位于扇环区域110的两侧的磁性件30，电流逐渐减小。由此，扇环区域110内的柔性齿轮10的柔性齿可以产生形变，以便于与刚性齿轮20啮合连接，并且，通过沿刚性齿轮20周向方向不断变换的通电的扇环区域110，也即扇环区域110沿刚性齿轮20的周向方向移动变化，可以使刚性齿轮20的刚性齿和柔性齿轮10的柔性齿不断啮入啮出，刚性齿轮20和柔性齿轮10发生相对运动，实现谐波减速器100的运行。

当然，可以理解的是，扇环区域110可以有两个，两个扇环区域110沿刚性齿轮20的径向方向对称设置，以使柔性齿轮10的相对两侧的柔性齿均可以与刚性齿轮20啮合，以提高传动效率。

在一些实施例中，如图4所示，扇环区域110与扇环区域110所在同心圆的圆心所呈的夹角为α，α满足：45°≤α≤54°。α的角度范围决定柔性齿轮10的的柔性齿径向朝外的变形区域范围，也即刚性齿轮20的第二齿部、柔性齿轮10的第一齿部的啮合区间，当满足45°≤α≤54°时，刚性齿轮20和柔性齿轮10啮合的齿数可以到30％左右，此时，柔性齿轮10与刚性齿轮20的啮合的数量合理，利于谐波减速器100的传动。

在图4的示例中，AA1的连线、BB1的连线、CC1的连线、DD1的连线沿柔性齿轮10的径向方向延伸，C位于AB区域的中心，C1位于A1B1区域的中心，D位于AA1区域的中心，D1位于BB1区域的中心。

磁性件30优选为偶数个，将AB区域和A1B1区域(也即，此时的两个对称形成的扇环区域110)内的磁性件30通入电流，其中，C处的磁性件30(也即，扇环区域110的中心的磁性件30)通入的电流最大，从C处至A处、C处至B处磁性件30(也即，扇环区域110的两侧的边沿的磁性件30)通入的电流等距减小，A处的磁性件30和B处的磁性件30通入的电流相等，磁性件30的原理是基于磁性材料的作用，通过施加电流，磁性件30能产生磁场，磁场会对铁等材质的部件产生吸引力，当通入线圈32的电流增大，磁场也就增强，产生的吸引力也增强。

AB和A1B1区域的两个扇环区域110磁性件30通电之后，AB和A1B1区域的柔性齿轮10的柔性齿受到磁场的吸引力产生径向朝外的变形，通过电流控制器40加大电流，使柔性齿轮10产生的变形量能够使刚性齿轮齿与柔性齿轮齿啮合，这时AB和A1B1区域的柔性齿轮10与刚性齿轮20呈啮合状态。

由此，通过沿周向方向不断变换通入磁性件30电流的区域，也即AB区域、A1B1区域沿刚性齿轮20的周向方向不停变化，可以使刚性齿轮20的刚性齿和柔性齿轮10的柔性齿的不同位置不断啮入啮出，刚性齿轮20和柔性齿轮10发生相对运动，实现谐波减速器100的运行。

在一些实施例中，如图1-图3所示，刚性齿轮20具有沿刚性齿轮20的周向方向延伸的环形槽21，多个磁性件30设于环形槽21内。通过设置环形槽21，一方面，可以提高磁性件30的安装的可靠性；另一方面，可以使得磁性件30无需占用额外的空间，利于谐波减速器100的小型化设计且可以降低重量。

进一步地，如图1-图3所示，柔性齿轮10具有第一齿部11，刚性齿轮20具有适于与第一齿部11相啮合的第二齿部22，第一齿部11可以具有多个沿柔性齿轮10的周向方向间隔设置的柔性齿，第二齿部22可以具有多个沿刚性齿轮20间隔设置的刚性齿，当柔性齿轮10变形时，部分柔性齿可以与部分刚性齿啮合，环形槽21位于第二齿部22的远离第一齿部11的一侧。

因刚性齿轮20具有刚性好的特点，因此，可以合理地利用刚性齿轮20的性能，将柔性齿轮10的第一齿部11、刚性齿轮20的第二齿部22以及磁性件30顺次设置，这样，磁性件30可以隔着第二齿部22吸引柔性齿轮10变形，因第二齿部22具有一定的厚度且刚性好，因此，第二齿部22不会发生变形。如此设置，在保证驱动的可靠性的同时，可以进一步利于谐波减速器100的小型化设计。

在一些实施例中，如图1所示，每个磁性件30包括铁芯31和线圈32，铁芯31设于环形槽21内且沿刚性齿轮20的径向方向延伸，线圈32呈螺旋形缠绕于铁芯31的外周，线圈32的端部与电流控制器40相连。例如，线圈32在铁芯31上绕成螺线形，且两端可以均与电流控制器40相连，通电后，每个铁芯31和线圈32可以形成为独立的电磁铁，以便于对柔性齿轮10产生吸引力。

进一步地，铁芯31可以为硅钢件。硅钢材质具有良好的导电性能和优良的磁导率，可以利于提高对柔性齿轮10的吸引力，以保证谐波减速器100传动稳定性和传动效率。

在一些实施例中，如图1所示，谐波减速器100还包括：法兰50，刚性齿轮20固定于法兰50，法兰50具有过线通道(图未示出)，线圈32穿过过线通道后与电流控制器40相连。例如，电流控制器40可以固定于法兰50，且电流控制器40位于柔性齿轮10的径向内侧，以便于合理地利用空间。环形槽21可以朝向法兰50方向敞开，由此，通过设置过线通道，线圈32的两端可以穿过过线通道与电流控制器40连接以电导通，以简化谐波减速器100的内部结构，提高谐波减速器100的运行稳定性。

在一些实施例中，如图2和图3所示，相邻两个磁性件30之间设有至少一个挡块60，挡块60用于降低相邻两个磁性件30之间的干扰。例如，相邻两个磁性件30之间设有一个挡块60，挡块60可以为橡胶件或塑胶件等，挡块60可以为长方体。通过设置挡块60，可以降低相邻两个磁性件30之间的磁场干扰，以提高谐波减速器100的传动稳定性。

在一些实施例中，刚性齿轮20为铸铁件，铸铁材质具有良好的结构强度，可以使得谐波减速器100具有良好的结构强度的同时，不易被驱动件吸引，可以提高谐波减速器100的运行稳定性。和/或，柔性齿轮10为合金钢件。合金钢材质具有良好的韧性，更易于发生变形，可以利于柔性齿轮10和刚性齿轮20的啮合和分离，提高谐波减速器100的稳定性。

如图1所示，谐波减速器100可以包括刚性轴承70，刚性轴承70可以为柔性齿轮10、刚性齿轮20提供支撑，刚性齿轮20的轴向方向的两端可以通过第二螺钉90分别与法兰50和刚性轴承70相连，柔性齿轮10与刚性轴承70通过第一螺钉80连接，且柔性齿轮10和刚性齿轮20分别连接在刚性轴承70的轴向方向的两端，以保证柔性齿轮10的安装的稳定性，进而可以提高谐波减速器100的运行稳定性，以提高输出精度和传动效率。

本申请实施例的机器人，包括如上所述的谐波减速器100。通过设置谐波减速器100，谐波减速器100的驱动件可以对柔性齿轮10产生吸引力来驱动柔性齿轮10变形来传递扭矩，可以降低传动误差，提高输出精度和传动效率。此外，还可以利于简化谐波减速器100的结构，降低谐波减速器100的重量和成本，利于谐波减速器100的小型化设计和灵活应用。

在本申请的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。

尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (11)

1.一种谐波减速器，其特征在于，包括：

柔性齿轮；

刚性齿轮，所述刚性齿轮外套于所述柔性齿轮；

驱动件，所述驱动件设于所述刚性齿轮，当所述驱动件与所述柔性齿轮产生吸引力时，所述驱动件吸引所述柔性齿轮以使所述柔性齿轮变形，使得所述刚性齿轮和所述柔性齿轮啮合连接。

2.根据权利要求1所述的谐波减速器，其特征在于，所述谐波减速器还包括：电流控制器，所述电流控制器与所述驱动件相连；

所述驱动件包括多个磁性件，多个所述磁性件沿所述刚性齿轮的周向方向间隔设置，所述电流控制器可选择性地对每个所述磁性件施加电流以控制每个所述磁性件对所述柔性件的吸引力的大小。

3.根据权利要求2所述的谐波减速器，其特征在于，所述刚性齿轮具有沿所述刚性齿轮的周向方向延伸的环形槽，多个所述磁性件设于所述环形槽内。

4.根据权利要求3所述的谐波减速器，其特征在于，所述柔性齿轮具有第一齿部，所述刚性齿轮具有适于与所述第一齿部相啮合的第二齿部，

所述磁性件位于所述第二齿部的远离所述第一齿部的一侧。

5.根据权利要求3所述的谐波减速器，其特征在于，每个所述磁性件包括：

铁芯，所述铁芯设于所述环形槽内且沿所述刚性齿轮的径向方向延伸，

线圈，所述线圈呈螺旋形缠绕于所述铁芯的外周，所述线圈的端部与所述电流控制器相连。

6.根据权利要求5所述的谐波减速器，其特征在于，所述谐波减速器还包括：

法兰，所述刚性齿轮固定于所述法兰，所述法兰具有过线通道，所述线圈穿过所述过线通道后与所述电流控制器相连。

7.根据权利要求2所述的谐波减速器，其特征在于，相邻两个所述磁性件之间设有至少一个挡块，所述挡块用于降低相邻两个所述磁性件之间的干扰。

8.根据权利要求2所述的谐波减速器，其特征在于，所述电流控制器对相邻的多个所述磁性件施加电流，相邻的多个通电的所述磁性件形成扇环区域，从所述扇环区域的中心到所述扇环区域的两侧的边沿，通入所述磁性件的电流由位于所述扇环区域的中心的所述磁性件到位于所述扇环区域的两侧的所述磁性件，电流逐渐减小。

9.根据权利要求8所述的谐波减速器，其特征在于，所述扇环区域与所述扇环区域所在同心圆的圆心所呈的夹角为α，所述α满足：45°≤α≤54°。

10.根据权利要求1所述的谐波减速器，其特征在于，所述刚性齿轮为铸铁件；和/或，所述柔性齿轮为合金钢件。

11.一种机器人，其特征在于，包括根据权利要求1-10中任一项所述的谐波减速器。