CN101264603A - 基于谐波减速器的机器人关节 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种基于谐波减速器的机器人关节。其组成包括电机、与电机相连的编码器、与电机的转子相连的谐波减速器、与谐波减速器相连传动机构；所述的谐波减速器是由波发生器、位于波发生器外的柔轮、位于柔轮外的固定钢轮、旋转钢轮组成的；所述的传动机构包括两部分，一部分是与谐波减速器的固定钢轮相固联的壳体，另一部分是与谐波减速器的旋转钢轮相固联的端盖，壳体与端盖之间设置有轴承。本发明具有传动比大、可靠性高、结构紧凑的优点。它可以替换现有机器人的关节，并且随着谐波减速器的尺寸不断减小，这种新型传动方式更适合应用在微小型机器人的关节传动中，具有广阔的应用前景。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是一种机器人关节。
(二)背景技术
目前机器人关节的传动方式主要有：绳索滑轮驱传动、连杆机构传动、带传动、链传动、齿轮传动等等。相关这方面的报道也很多。中国专利文献中也有一些相关的报道，其中包含关于绳索滑轮驱传动、连杆机构传动、带传动、链传动传动方式等，但没有发现关于应用谐波减速器的机器人关节结构的技术方案。
绳索滑轮驱传动方式是常用于仿生机器人关节的驱传动方式。这种传动方式可以很方便地实现运动和动力的远距离传送，也能较好的满足仿生机器人关节结构上的要求。绳轮传动方式其机构比较复杂且可靠性不高，因此，在短距离狭小空间内难以使用这种传动方式，导致这种传动方式不适于应用在微小型机器人中。
连杆传动机构对于仿生机器人这类短距离的运动和动力传送也是一种可行的方案。对于像多足仿生机器人这样的三关节机构，其机构主体是一个开环串联三连杆机构，若在此开环机构上添加一些零自由度的杆组，就可以构造出闭环连杆机构，通过这些杆组就可以将各个关节根部的动力传送到各个关节。
带传动通常由主动带轮、从动带轮和张紧在两轮上的环形传动带三部分组成。目前很多机械臂式机器人采用带传动，这种传动方式强度较低，疲劳寿命较短，并且存在一定的间隙，使其在控制上存在不便。带传动一般应用于中、小功率电动机与工作机械臂之间的动力传递，例如拖拉机、大理石切割机、车身冲压机、轿车发动机等等。
链传动是由装在平行轴上的主、从动链轮和绕在链轮上的环形链条所组成，这种传动方式以链作为中间挠性件，依靠链与链轮轮齿的啮合来传递运动和动力。在链传动中，按链条结构的不同可以分为滚子链传动和齿形链传动两种类型。在这种传动方式中，链条和齿轮摩擦容易使链条松弛，齿轮磨损，噪声高。因此，这种传动方式不适于应用在微小型机器人中。
齿轮传动用来传递任意两轴间的运动和动力，在齿轮传动中，主要有谐波齿轮传动、行星齿轮传动和蜗轮蜗杆传动。目前哈尔滨工程大学的多足机器人采用的就是齿轮传动中的涡轮蜗杆方式。
综合比较各种传动方式的特点，由此引出它们存在的缺点：
绳索传动方式的缺点：1、有张力，容易变形，会引起传动的滞后现象，一旦使用时间过长，绳索会变松弛，同时将会带来较大的运动传递误差。2、绳索只能受拉而不能受压，因此，很难实现回程，控制力一旦超调，便难于消除，但超调现象又是在实际中不可避免的。
连杆传动方式的缺点：会使仿生机器人的结构变得复杂，使得机械本体结构的设计和加工比较困难，难以实现。
带传动传动方式的缺点：这种传动方式在微小型机器人应用方面存在很大的局限性，具体表现为弹性滑动是带传动固有的特性，带传动不能保持准确的传动比，传动效率较低；传递同样大的圆周力时，轮廓尺寸和轴上的压力较大；带受到交变应力的作用，容易发生疲劳破坏，带的寿命较短；需要张紧装置；传动外廓尺寸较大。
锥齿轮传动的微小型机器人样机在结构上存在以下不足：其间隙比较大，电机轴与齿轮及套筒轴之间的连接不够紧密，当承受较大扭矩时甚至会出现相对的圆周方向运动，大大降低了步行足的运动性能；采用锥齿轮传动方式，自身没有自锁功能，只要机器人维持某一姿态，所有关节处电机便均需供电，因此，能量消耗较大。
涡轮蜗杆传动方式虽然具有自锁功能但是需要将蜗杆与电机轴相固定，这一特点使得电机轴承受相当大的轴向力，这个力无论是在电机正转反转的时候对电机的寿命和正常的使用都存在破坏性。另外使用蜗轮蜗杆传动的微小型机器人关节只能使用非标准设计，这样一是增加了设计难度，二是增加了加工的难度，增加了制作费用，三是减速比比较大，使得其外部需要有合适的减速器与其配合传动。
综上所述，上述传递方式不能满足微小型多足机器人和微操作机器人方面的需求。因此，亟需要找到一种能够满足传动比大、可靠性高、结构紧凑的传动方式。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种传动比大、可靠性高、结构紧凑的基于谐波减速器的机器人关节。
本发明的目的是这样实现的：
其组成包括电机、与电机相连的编码器、与电机的转子相连的谐波减速器、与谐波减速器相连传动机构；所述的谐波减速器是由波发生器、位于波发生器外的柔轮、位于柔轮外的固定钢轮、旋转钢轮组成的；所述的传动机构包括两部分，一部分是与谐波减速器的固定钢轮相固联的壳体，另一部分是与谐波减速器的旋转钢轮相固联的端盖，壳体与端盖之间设置有轴承。
本发明还可以包括：
1、所述的壳体和端盖上都连接有联结臂。
2、壳体与端盖之间的轴承是深沟球轴承。
3、谐波减速器的波发生器与电机转子之间通过联轴器相连。
本发明是由谐波减速器作为传动机构的多足机器人关节结构，在现有的机器人研究成果下，找出了一种新的机器人传动结构，从而可建立一个具有很强应用性的机器人关节结构形式。它可以替换现有机器人的关节，并且随着谐波减速器的尺寸不断减小，这种新型传动方式更适合应用在微小型机器人的关节传动中，具有广阔的应用前景。
本发明的机器人关节结构的优点是：1、单级传动比大且范围宽；2、同时啮合的齿数多，承载能力高；3、传动平稳，传动精度高，磨损小；4、在大传动比下，仍有较高的传动效率；零件数少，重量轻，结构紧凑；具有通过密封壁传递运动的能力等。5、传动选择不唯一：刚轮与柔轮中可任意固定一个，其余两个一为主动、一为从动，即可实现减速或增速。6、通用型(适合各种机器人)，7、具有自锁性。8、对电机起到保护作用，电机轴不再像涡轮蜗杆传动方式受力，电机寿命得到保护并且工作平稳。
原有的传递方式不能满足微小型多足机器人和微操作机器人方面的需求。因此，亟需要找到一种能够满足传动比大、可靠性高、结构紧凑的传动方式。谐波减速器具有传动效率高、自锁性、承载能力强、传动比大且选择不唯一等优点，正好满足了这一要求。
(四)附图说明
图1是本发明的抛面结构装配图；
图2是包含本发明的机器人关节的单个步行足结构示意图；
图3是包含本发明的机器人关节的多足机器人整体结构示意图。
(五)具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1，基于谐波减速器的机器人关节的组成主要包括：联轴器1、电机挡板2、柔轮3、波发生器4、固定钢轮5、旋转钢轮6，轴承套7、壳体8、深沟球轴承9、轴承支架10、端盖11、内六角头圆柱螺钉12、联结臂13、内六角头圆柱螺钉14、内六角头圆柱螺钉15、十字槽沉头螺钉16、内六角头圆柱螺钉17、辅助联结臂18、深沟球轴承19、内六角头圆柱螺钉20、电机轴连接销21、电机22和光电编码器23。
详细装配方式：用一个联轴器1通过电机轴连接销21将电机22联上，联轴器的另一端与谐波减速器(柔轮3、波发生器4、固定钢轮5、旋转钢轮6)通过十字槽沉头螺钉16相连，电机22连接电机挡板2并与壳体8固定(通过内六角头圆柱螺钉20)，同时，光电编码器23和电机22相连，再用内六角圆柱头螺钉17将固定钢轮5与壳体8连接，通过以上的步骤就完成了谐波减速器与电机、联轴器的固定。随后将轴承套7与深沟球轴承9压入壳体2并用内六角头圆柱螺钉15固定，再用装入端盖11，用内六角头圆柱螺钉14将端盖11与旋转钢轮6固定，最后通过内六角头圆柱螺钉12将联结臂13固定在端盖11上，压上深沟球轴承19与辅助联结臂18既完成装配，其中辅助联结臂18的固定可以通过连接联结臂13完成。
关节结构工作原理：可以将整个关节看成两个部分，光电编码器23连接电机22，测量电机角度参数，电机22带动谐波减速器(柔轮3、波发生器4、固定钢轮5、旋转钢轮6)提供力矩，另一个部分是谐波减速器通过传动机构带动关节转动。
本发明可以应用于多种结构的机械人，下面举例说明本发明的应用：
由谐波齿轮作为传动关节的多足机器人实例：
结合图2，图2所示为用谐波减速关节组成的具有三个运动关节的机器人步行足，它包括：三个如图1本发明的关节(关节27，关节30关节32)，连杆25，连接块26，连接板31和三维力传感器24，辅助联结臂28，连接联结臂29。
装配方式如下：关节30与关节32通过焊接壳体的方式固定，辅助联结臂18与连接联结臂13将关节30与关节27连接，连接块26通过焊接方式固定在关节27上，连杆25与连接块26通过螺栓连接，最后在连杆25的末端连接上三维力传感器24，关节32和连接板31通过螺栓固定。运动原理是：每条步行足足尖安装有三维力传感器24，用来检测步行足的落地时受力和障碍物情况。关节32通过箱体实现水平旋转，同时和关节30固定，关节30通过(辅助联结臂28，连接联结臂29)垂直旋转带动关节27，关节27通过壳体带动连接块26，连杆25，三维力传感器24。
结合图3，它是多足机器人整体结构。它包括八条步行足(关节33、关节34、关节35、关节36、关节37、关节38、关节39、关节40)和机器人机体底板41。机器人整体由八条步行足并联构成，八条步行足完全成轴对称布置，躯干上安装有控制器和遥控装置，每个步行足都是由三个传动关节串联构成，每个传动关节由图1所示各步行足与机体底板41相连接。
Claims (5)
1. 一种基于谐波减速器的机器人关节，其组成包括电机、与电机相连的编码器、与电机的转子相连的谐波减速器、与谐波减速器相连传动机构；所述的谐波减速器是由波发生器、位于波发生器外的柔轮、位于柔轮外的固定钢轮、旋转钢轮组成的；其特征是：所述的传动机构包括两部分，一部分是与谐波减速器的固定钢轮相固联的壳体，另一部分是与谐波减速器的旋转钢轮相固联的端盖，壳体与端盖之间设置有轴承。
2. 根据权利要求1所述的基于谐波减速器的机器人关节，其特征是：所述的壳体和端盖上都连接有联结臂。
3. 根据权利要求1或2所述的基于谐波减速器的机器人关节，其特征是：壳体与端盖之间的轴承是深沟球轴承。
4. 根据权利要求1或2所述的基于谐波减速器的机器人关节，其特征是：谐波减速器的波发生器与电机转子之间通过联轴器相连。
5. 根据权利要求3所述的基于谐波减速器的机器人关节，其特征是：谐波减速器的波发生器与电机转子之间通过联轴器相连。
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Open date: 20080917 |