CN211648959U - 一种传动机构、谐波减速器及一体式关节 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种传动机构、谐波减速器及一体式关节，传动机构包括：磁场发生装置、钢轮和柔轮，柔轮在变形时与钢轮有至少一个啮合接触点，柔轮具备磁性，包括有至少一组沿径向分布的N‑S极，柔轮受变化磁场作用而变形，使柔轮与钢轮的啮合接触点改变，柔轮和钢轮相对运动；谐波减速器，包括输出轴以及传动机构，其中，输出轴与柔轮连接；一体式关节，包括至少一个关节肢体，且关节肢体连接谐波减速器。本方案能够省去电机内高速转动的转子以及各个连接件，从而减小转动惯量和摩擦力，有利于提高传动机构的控制精度和传动效率，同时，能够使传动机构的结构更为简单，重量、体积更小，有利于传动机构的灵活使用。

Description

一种传动机构、谐波减速器及一体式关节

技术领域

本实用新型涉及传动机构技术领域，尤指一种传动机构、谐波减速器及一体式关节。

背景技术

机器人的关节一般都是通过谐波减速器进行控制，谐波减速器通常是由电机定子(线圈)产生变化的磁场，带动转子(磁铁)转，转子与谐波减速器的波发生器通过某种形式固定连接。波发生器是一个杆状部件，其两端装有滚动轴承构成滚轮，并与柔轮的内壁相互压紧，柔轮为可产生较大弹性变形的薄壁齿轮，其内孔直径略小于波发生器的总长，当波发生器装入柔轮后，会迫使柔轮的剖面由原先的圆形变成椭圆形，且柔轮长轴两端附近的齿与刚轮的齿完全啮合，而短轴两端附近的齿则与刚轮完全脱开。当电机转动时，波发生器会产生同周期的谐波运动，带动柔轮不断变形，使得柔轮和钢轮的啮合状态不断改变，从而实现柔轮相对于钢轮延波发生器相反的方向缓慢旋转，最终达到减小转速以及增大输出力矩的目的。

但是，现有的传动机构如谐波减速器通常需要电机带动波发生器高速运动，会产生较大的转动惯量，从而给传动机构的控制带来不利影响，且电机的转子在转动时也会产生较大的摩擦力，影响传动效率，此外，现有的谐传动机构如谐波减速器通常需要在电机和柔轮之间设置连杆、波发生器等较多连接件，使得传动机构的结构复杂、重量较大、体积较大，不利于传动机构的灵活使用。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种传动机构、谐波减速器及一体式关节，能够省去电机内高速转动的转子以及各个连接件，从而减小转动惯量和摩擦力，有利于提高传动机构的控制精度和传动效率，同时，能够使传动机构的结构更为简单，重量、体积更小，有利于传动机构的灵活使用。

本实用新型提供的技术方案如下：

本实用新型提供一种传动机构，包括：磁场发生装置，用于产生变化磁场；钢轮；柔轮，设置在所述钢轮内，所述柔轮在变形时与所述钢轮有至少一个啮合接触点；其中，所述柔轮具备磁性，包括有至少一组沿径向分布的N-S极；所述柔轮受所述变化磁场作用而变形，使所述柔轮与所述钢轮的啮合接触点改变，所述柔轮和所述钢轮相对运动。

在现有技术中，柔轮的内部通常设有波发生器，波发生器与电机的转子、输出轴连接，使得波发生器能够随着转子转动，从而实现柔轮和钢轮的相对运动，而本方案通过将柔轮设置为具备磁性，并直接套设在磁场发生装置如电机的电磁线圈的外部，使得磁场发生装置在产生变化的磁场后，能够使柔轮直接变形，实现柔轮和钢轮的相对运动，相比于现有技术，本方案实际高速转动的是磁场，而不是实际物理结构，能够省去电机内高速转动的转子以及各个连接件，从而减小转动惯量和摩擦力，有利于提高传动机构的控制精度和传动效率，同时，能够使传动机构的结构更为简单，重量、体积更小，有利于传动机构的灵活使用。

进一步地，所述N-S极在所述柔轮上沿周向均匀分布。

进一步地，所述柔轮包括柔性圈和若干磁铁；所述柔性圈的外壁设置有外齿轮，所述钢轮的内壁设置有与所述外齿轮相配合的内齿轮；所述磁铁沿所述柔性圈的内侧分布，所述磁铁的内侧极性相同并且极性指向轴心。

通过在柔性圈的外部设置外齿轮，使其能够构成柔轮，同时，通过在柔性圈的内侧设置若干磁铁，能够使柔轮具备磁性，从而使柔轮能够在变化磁场中变形；通过将磁铁沿柔性圈的内侧均匀分布，磁铁的内侧极性相同并且极性指向轴心，能够使柔轮在变形时，更加有规律，形状更为规则，有利于保证柔轮的稳定转动。

进一步地，所述柔性圈的内侧具有柔性填充层，所述磁铁固定在所述柔性填充层上。

由于磁铁不具备柔性，因此，为了保证柔性圈的变形形状更为规则，磁铁的体积要较小，且数量较多，同时，通过设置柔性填充层，能够更好的保护磁铁，避免磁铁和柔性圈损坏，且能够使柔性圈的形变效果更好。

进一步地，所述磁场发生装置为通有变化电流的电磁线圈；所述电磁线圈的外径小于所述柔轮的内径，且所述柔轮的外径小于所述钢轮的内径，使所述钢轮、所述柔轮和所述电磁线圈相邻之间均留有间隙。

由于柔轮需要在变化磁场中形变，且柔轮在初始时不与钢轮啮合，只有在形变时才与钢轮有啮合接触点，因此，柔轮和钢轮之间、柔轮和电磁线圈之间均需要留有缝隙，缝隙的大小根据实际情况，如柔轮和钢轮的轮齿大小、变化磁场的极对数等调整。

进一步地，所述磁场发生装置产生的变化磁场为单级对磁场，所述柔轮在所述变化磁场中变形，且所述柔轮和所述钢轮的间隙呈周期数为1的正弦波形进行变化；或所述磁场发生装置产生的变化磁场为两级对磁场，所述柔轮在所述变化磁场中变形，且所述柔轮和所述钢轮的间隙呈周期数为2的正弦波形进行变化；或所述磁场发生装置产生的变化磁场为三级对磁场，所述柔轮在所述变化磁场中变形，且所述柔轮和所述钢轮的间隙呈周期数为3的正弦波形进行变化。

在本方案中，柔轮需要在变化磁场中变形，但对磁场的极对数并无要求，一般选择1-3极对数，例如，当变化磁场为单级对磁场，柔轮能够变形为椭圆形，且所述柔轮和所述钢轮的间隙呈周期数为1的正弦波形进行变化；当变化磁场为两级对磁场，柔轮能够变形为椭圆形，且所述柔轮和所述钢轮的间隙呈周期数为2的正弦波形进行变化；当变化磁场为三级对磁场时，柔轮能够变形为周期数为3的正弦波形状。另外，变化磁场还可以为五级对、六级对、八级对等，磁场的极对数越多，传动精度越高，但对柔轮的质量要求也越高，因此，在实际使用时，可以根据实际情况选择磁场的极对数。

进一步地，还包括外壳，所述磁场发生装置固定在所述外壳内，所述柔轮和所述钢轮均与所述外壳活动连接。

本实用新型还提供一种谐波减速器，包括输出轴以及上述的传动机构；其中，所述输出轴与所述柔轮或所述钢轮连接。

通过将上述的传动机构与输出轴连接，能够使输出轴平缓稳定的转动，实现减速器的效果，可以适用于高精度控制场合，如机器人的关节转动等场合。

本实用新型还提供一种一体式关节，包括至少一个关节肢体，且所述关节肢体连接有减速电机，所述减速电机为上述的谐波减速器。

通过将上述的谐波减速器的输出轴与机器人的关节肢体连接，能够实现机器人的关节平稳的旋转等，有利于机器人的工作。

本实用新型具有以下技术效果：

通过本实用新型提供的一种传动机构、谐波减速器及一体式关节，通过将柔轮设置为具备磁性，并直接套设在磁场发生装置如电机的电磁线圈的外部，使得磁场发生装置在产生变化的磁场后，能够使柔轮直接变形，实现柔轮和钢轮的相对运动，相比于现有技术，本方案实际高速转动的是磁场，而不是实际物理结构，能够省去电机内高速转动的转子以及各个连接件，从而减小转动惯量和摩擦力，有利于提高传动机构的控制精度和传动效率，同时，能够使传动机构的结构更为简单，重量、体积更小，有利于传动机构的灵活使用；通过将传动机构与输出轴连接，能够使输出轴平缓稳定的转动，实现减速器的效果，可以适用于高精度控制，如机器人的关节转动等不同场合；通过将谐波减速器的输出轴与机器人的关节肢体连接，能够实现机器人的关节平稳的旋转等，有利于机器人的工作。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对本方案的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

图1是本实用新型实施例的传动机构整体结构示意图；

图2是本实用新型实施例的柔轮在未变形时的结构示意图；

图3是本实用新型实施例的柔轮在变形时的结构示意图；

图4是本实用新型实施例的一体式关节整体结构示意图；

图5是本实用新型实施例的一体式关节截面结构示意图。

图中：10-磁场发生装置；20-钢轮；21-内齿轮；30-柔轮；31-柔性圈；32-磁铁；33-外齿轮；34-柔性填充层；40-关节外壳；41-线圈安装面；42-螺钉组件；43-线圈固定架；44-法兰；45-柔轮固定架；46-关节安装螺纹孔。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本实用新型的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本实用新型相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

实施例1

本实用新型的一个实施例，如图1至图3所示，一种传动机构，包括磁场发生装置10、钢轮20、柔轮30和外壳，磁场发生装置10固定在外壳内，柔轮30和钢轮20均与外壳活动连接。

柔轮30设置在钢轮20内，钢轮20和柔轮30的安装方式与现有技术中减速器的安装方式相同，初始时柔轮30和钢轮20不接触，而柔轮30在变形时与钢轮20有至少一个啮合接触点。另外，为了保证柔轮30与钢轮20的啮合更有规律，柔轮30在变形时与钢轮20的啮合接触点成对存在，且关于柔轮的中心对称。

磁场发生装置10用于产生变化磁场。柔轮30具备磁性，包括有至少一组沿径向分布的N-S极；柔轮30受变化磁场作用而变形，使柔轮30与钢轮20的啮合接触点改变，柔轮30和钢轮20相对运动。所谓沿径向分布，是指N极和S极距离柔轮几何中心的距离有差值，在变化磁场的作用下，依据同性相斥、异性相吸的作用原理，该布置方式可以使得柔轮实现变形效果，进而使所述柔轮与所述钢轮的啮合接触点改变。

优选的，变化磁场以固定方向、固定旋转速度旋转变化，磁场发生装置10产生的磁场即可稳定变化、稳定旋转，这样可以更好的保证柔轮30与钢轮20的稳定旋转。若对柔轮30的旋转方向、速度无要求或有特别要求，则可以根据需求对磁场发生装置10产生的磁场的旋转方向、旋转速度等进行调整。

优选的，N-S极在所述柔轮上沿周向均匀分布。

在本实施例中，为了保证柔轮30的形变更为规则，N-S极要成对存在，且关于柔轮30的中心对称，或N-S极的数量较多，并在柔轮30上沿周向均匀分布。另外，柔轮30内侧的极性无具体要求，可以为N级，也可以为S级。

在现有技术中，柔轮30的内部通常设有波发生器，波发生器与电机的转子、输出轴连接，使得波发生器能够随着转子转动，从而实现柔轮30和钢轮20的相对运动，而本方案通过将柔轮30设置为具备磁性，并直接套设在磁场发生装置10如电机的电磁线圈的外部，使得磁场发生装置10在产生变化的磁场后，能够使柔轮30直接变形，实现柔轮30和钢轮20的相对运动，相比于现有技术，本方案实际高速转动的是磁场，而不是实际物理结构，能够省去电机内高速转动的转子以及各个连接件，从而减小转动惯量和摩擦力，有利于提高传动机构的控制精度和传动效率，同时，能够使传动机构的结构更为简单，重量、体积更小，有利于传动机构的灵活使用。

实施例2

本实用新型的一个实施例，如图1至图3所示，在实施例1的基础上，柔轮30包括柔性圈31和若干磁铁32；柔性圈31的外壁设置有外齿轮33，钢轮20的内壁设置有与外齿轮33相配合的内齿轮21；磁铁32沿柔性圈31的内侧均匀分布，磁铁32的内侧极性相同并且极性指向轴心。

通过在柔性圈31的外部设置外齿轮33，使其能够构成柔轮30，同时，通过在柔性圈31的内侧设置若干磁铁32，能够使柔轮30具备磁性，从而使柔轮30能够在变化磁场中变形；通过将磁铁32沿柔性圈31的内侧分布，磁铁32的内侧极性相同并且极性指向轴心，能够使柔轮30在变形时，更加有规律，形状更为规则，有利于保证柔轮30的稳定转动。

优选的，磁铁32沿柔性圈31的内侧均匀分布，使柔轮30在变形时更为规则。

进一步地，柔性圈31的内侧具有柔性填充层34，磁铁32固定在柔性填充层34上。

由于磁铁32本身不具备柔性，因此，为了避免磁铁32不影响柔性圈31的变形，以及保证柔性圈31的变形形状更为规则，磁铁32的体积要较小，且数量较多，同时，通过设置柔性填充层34，能够更好的保护磁铁32，避免磁铁32和柔性圈31损坏，且能够使柔性圈31的形变效果更好。

实施例3

本实用新型的一个实施例，如图1至图3所示，在上述任一实施例的基础上，磁场发生装置10为通有变化电流的电磁线圈。由于本方案没有传统电机的转子机构，无法使用霍尔信号或者高速端编码器作为反馈，因此，在变化磁场定向控制时需要借助其它反馈信号进行控制，可以但不仅限于电机无感控制、低速端编码器解算回线圈电磁场的电角度等。

电磁线圈的外径小于柔轮30的内径，且柔轮30的外径小于钢轮20的内径，使钢轮20、柔轮30和电磁线圈相邻之间均留有间隙。

由于柔轮30需要在变化磁场中形变，且柔轮30在初始时不与钢轮20啮合，只有在形变时才与钢轮20有啮合接触点，因此，柔轮30和钢轮20之间、柔轮30和电磁线圈之间均需要留有缝隙，缝隙的大小根据实际情况，如柔轮30和钢轮20的轮齿大小、变化磁场的极对数等调整。

进一步地，磁场发生装置10产生的变化磁场为单级对磁场，柔轮30在变化磁场中变形，且柔轮30和钢轮20的间隙呈周期数为1的正弦波形进行变化；或磁场发生装置10产生的变化磁场为两级对磁场，柔轮30在变化磁场中变形，且柔轮30和钢轮20的间隙呈周期数为2的正弦波形进行变化；或磁场发生装置10产生的变化磁场为三级对磁场，柔轮30在变化磁场中变形，且柔轮30和钢轮20的间隙呈周期数为3的正弦波形进行变化。

在本方案中，柔轮30需要在变化磁场中变形，但对磁场的极对数并无要求，一般选择1-3极对数，例如，当变化磁场为单级对磁场，柔轮30能够变形为椭圆形，且柔轮30和钢轮20的间隙呈周期数为1的正弦波形进行变化；当变化磁场为两级对磁场，柔轮30能够变形为椭圆形，且柔轮30和钢轮20的间隙呈周期数为2的正弦波形进行变化；当变化磁场为三级对磁场时，柔轮30能够变形为周期数为3的正弦波形状。另外，变化磁场还可以为五级对、六级对、八级对等，磁场的极对数越多，传动精度越高，但对柔轮30的质量要求也越高，因此，在实际使用时，可以根据实际情况选择磁场的极对数。

实施例4

本实用新型的一个实施例，在上述任一实施例的基础上，本实用新型还提供一种谐波传动方法，在谐波传动中，使柔轮30具备磁性，并包括有至少一组沿径向分布的N-S极；将柔轮30置于变化磁场中，柔轮30受变化磁场作用而变形，柔轮30与钢轮20的啮合接触点改变以发生相对运动。

通过将柔轮30设置为具备磁性，并直接置于变化的磁场中，能够使柔轮30直接变形，实现柔轮30和钢轮20的相对运动，相比于现有技术，本方案实际高速转动的是磁场，而不是实际物理结构，能够省去电机内高速转动的转子以及各个连接件，从而减小转动惯量和摩擦力，有利于提高传动机构的控制精度和传动效率，同时，能够使传动机构的结构更为简单，重量、体积更小，有利于传动机构的灵活使用。

进一步地，将若干磁铁32均匀安装在柔轮30的内侧，且磁铁32的内侧极性相同并且极性指向轴心。

通过将磁铁32沿柔轮30的内侧均匀分布，磁铁32的内侧极性相同并且极性指向轴心，能够使柔轮30具备磁性，且能够使柔轮30在变形时，更加有规律，形状更为规则，有利于保证柔轮30的稳定转动。

实施例5

本实用新型的一个实施例，在上述任一实施例的基础上，本实用新型还提供一种谐波减速器，包括输出轴以及上述的传动机构；其中，输出轴与柔轮30或钢轮20连接。

通过将上述的传动机构与输出轴连接，能够使输出轴平缓稳定的转动，实现减速器的减速效果，可以适用于高精度控制场合，如机器人的关节转动等场合。

实施例6

本实用新型的一个实施例，如图4和图5所示，在实施例5的基础上，本实用新型还提供一种一体式关节，包括至少一个关节肢体，且关节肢体连接有减速电机，减速电机为上述的谐波减速器。

通过将上述的谐波减速器的输出轴与机器人的关节肢体连接，能够实现机器人的关节平稳的旋转等，有利于机器人的稳定工作。

一体式关节的具体安装方式可以根据需求调整，例如，在本实施例中，通过在磁场发生装置10的外侧依次套设柔轮30和钢轮20，钢轮20的外侧设有关节外壳40，关节外壳40上设有线圈安装面41，线圈安装面41上通过螺钉组件42连接有线圈固定架43，磁场发生装置10安装在线圈固定架43上，磁场发生装置10和柔轮30通过法兰44连接，柔轮30和关节外壳40之间通过柔轮固定架45固定，关节外壳40上设置有关节安装螺纹孔46，使得上述传动机构能够构成机器人的一体式关节，实现机器人关节的平稳运动等。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种传动机构，其特征在于，包括：

磁场发生装置，用于产生变化磁场；

钢轮；

柔轮，设置在所述钢轮内，所述柔轮在变形时与所述钢轮有至少一个啮合接触点；

其中，所述柔轮具备磁性，包括有至少一组沿径向分布的N-S极；

所述柔轮受所述变化磁场作用而变形，使所述柔轮与所述钢轮的啮合接触点改变，所述柔轮和所述钢轮相对运动。

2.根据权利要求1所述的一种传动机构，其特征在于：所述N-S极在所述柔轮上沿周向均匀分布。

3.根据权利要求1所述的一种传动机构，其特征在于：所述柔轮包括柔性圈和若干磁铁；

所述柔性圈的外壁设置有外齿轮，所述钢轮的内壁设置有与所述外齿轮相配合的内齿轮；

所述磁铁沿所述柔性圈的内侧分布，所述磁铁的内侧极性相同并且极性指向轴心。

4.根据权利要求3所述的一种传动机构，其特征在于：所述柔性圈的内侧具有柔性填充层，所述磁铁固定在所述柔性填充层上。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种传动机构，其特征在于：所述磁场发生装置为通有变化电流的电磁线圈；

所述电磁线圈的外径小于所述柔轮的内径，且所述柔轮的外径小于所述钢轮的内径，使所述钢轮、所述柔轮和所述电磁线圈相邻之间均留有间隙。

6.根据权利要求1-4任一所述的一种传动机构，其特征在于：所述磁场发生装置产生的变化磁场为单级对磁场，所述柔轮在所述变化磁场中变形，且所述柔轮和所述钢轮的间隙呈周期数为1的正弦波形进行变化；

或；

所述磁场发生装置产生的变化磁场为两级对磁场，所述柔轮在所述变化磁场中变形，且所述柔轮和所述钢轮的间隙呈周期数为2的正弦波形进行变化；

或；

所述磁场发生装置产生的变化磁场为三级对磁场，所述柔轮在所述变化磁场中变形，且所述柔轮和所述钢轮的间隙呈周期数为3的正弦波形进行变化。

7.根据权利要求1-4任一所述的一种传动机构，其特征在于：还包括外壳，所述磁场发生装置固定在所述外壳内，所述柔轮和所述钢轮均与所述外壳活动连接。

8.一种谐波减速器，其特征在于：包括输出轴以及如权利要求1-7任一所述的传动机构；

其中，所述输出轴与所述柔轮或所述钢轮连接。

9.一种一体式关节，包括至少一个关节肢体，且所述关节肢体连接有减速电机，其特征在于：所述减速电机为如权利要求8所述的谐波减速器。

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