CN101889154B - 谐波电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种谐波电机(1)，该电机包括：固定圆形的和内齿轮传动的定子(2)；挠性齿条，同轴地布置于定子(2)内，其中挠性齿条(3)包括外齿轮(9)和内齿轮(1O)；以及齿轮传动输出轴(4)，同轴地布置于挠性齿条(3)内。该电机还包括用于使挠性齿条(3)依次变形成内部与输出轴啮合的椭圆形状的装置。定子上的齿数目等于挠性齿条上的外齿，从而挠性齿条在椭圆形状的两个瓣处啮合，其中挠性齿条上的每个齿与定子上的相同对应齿啮合。

Description

谐波电机

技术领域

本发明涉及一种提供旋转运动的电机。如下电机称为谐波电机，该电机包括谐波齿轮减速器，该减速器具有用于生成行进波的集成有源装置。

背景技术

普遍使用电动机作为用于许多工业应用的主要原动力。然而，它们的高速、低转矩特性对于其中希望高转矩、低速特性的机器人技术的轴而言并不理想。这需要使用高减速齿轮传动装置。对于机器人技术应用而言，一种典型驱动解决方案将电动机与谐波驱动齿轮减速器结合使用。通过适当的安装布置，有可能实现电机和齿轮减速器的部分集成。

谐波驱动装置是如下齿轮减速设备，该设备利用材料柔韧性以便实现齿隙最小的高减速比。与减速比类似的常规多级正齿轮系相比，谐波驱动装置赋予构造更简单、更紧凑和重量轻的驱动，这使其本身很好地投入于高精确度的应用，比如机器人技术。

在图6中示出了谐波驱动齿轮减速器的操作原理。典型谐波驱动中的三个主要部件为挠性齿条、圆形齿条和波生成器。输入、输出和固定部件在这些部件之间可互换，但是在图6中所示实施例中，输入为波生成器，输出为挠性齿条，而圆形齿条保持静止。挠性齿条1包括在一端闭合而外表面为切割轮齿的软管。波生成器为轴承3放置于其***的椭圆凸轮2。波生成器位于挠性齿条以内，从而挠性齿条弹性地变形成椭圆形状。挠性齿条位于圆形齿条4以内，该齿条是具有内齿的硬齿轮。在挠性齿条上比在圆形齿条上少2n(其中n为正整数)个齿。挠性齿条的齿与在椭圆长轴任一端的两个瓣处的圆点的齿啮合。向波生成器凸轮施加旋转输入从而使挠性齿条的变形的椭圆形状旋转。以这一方式在挠性齿条中建立“行进波”。由于齿数目在两个齿轮之间不同，所以挠性齿条椭圆形状的旋转使挠性齿条本身在与凸轮相反的意义上并且按减少的速度旋转。使用这一驱动可实现的减速比由挠性齿条上的齿数目除以2n给定。

US2002/0135241A1教导使用电机和减速器两者共有的轴承和壳并且将电机转子和椭圆凸轮组合成单个机制部件(图7)。尽管共享的轴承和壳可以减少轴驱动的复杂度，但是操作原理保持相同；借助波生成器凸轮，将电机轴的旋转转换成挠性齿条中的行进波变形。后者要求精确尺度容差，因而从固体金属进行机加工是优选制造方法。这导致处于齿轮减速器的输入侧上的大直径沉重部件。可以通过使用替代材料或者通过在关键位置去除材料来节省重量。然而，由于需要维持热膨胀系数在驱动的部件内的均匀性，而增加在执行这样的措施时需要的关注。在组合时，波生成器凸轮和电机转子的惯性代表了就性能和安全性而言所不希望的明显能量源/吸能源。

US2005253675教导一种如最先在原CW Musser的原专利US2906143中提出的运用电磁原理来驱动的谐波电机(图9)。圆形挠性齿条1夹入于静止圆形芯2与静止定子3之间。在定子的向内表面和芯的向外表面周围布置有缠绕于径向对准齿周围的螺线管4。通过驱动芯上的彼此完全相反的一对线圈和定子上的相对于这些线圈偏移90度并且彼此相反的第二对线圈，挠性齿条在代表芯的短轴极端的两个区域吸引到芯，而在它的长轴极端吸引到定子。通过向相邻螺线管集依次赋能，使吸引区域旋转，由此产生行进波。挠性齿条配备有与位于挠性齿条内的圆形输出齿条5啮合的向内齿。

JP19900230014教导一种包括静电致动装置的类似布置。按照静电或者电磁致动原理来操作的驱动的主要优点在于，仅有的移动部分是输出轴本身。因此极大地减少存储的动能。

US6664711B2教导一种使用电磁原理的谐波电机，并且还为挠性齿条配备与螺线管芯2相反的磁体1并且运用排斥效应而不是吸引(图10)。

US7086309B2教导一种布置，其中气动致动器从外部安装到挠性齿条以驱动常规椭圆形波生成器凸轮。该文献也教导具有径向作用的气动膜致动器，这些致动器安装于挠性齿条圆柱形空隙内并且直接作用于它的表面以生成旋转椭圆形状。该布置如图8中所示，并且致动器能够推拉挠性齿条表面，而且椭圆形状在所有时间完全受制，但是由于粘弹性效应而出现损耗。

因此需要减少谐波电机的制造成本和重量以及简化其控制。现有技术的电机并未满足这一需要。

发明内容

本发明的目的在于弥补如上述限定的谐波电机的上述弊端。

根据本发明的第一方面之所以解决上述问题是在于，所述种类的设备具有如下具体特征：它包括：固定圆形的和内齿轮传动的定子；挠性齿条，同轴地布置于定子内，其中挠性齿条包括外齿轮和内齿轮两者。另外，齿轮传动输出轴同轴地布置于挠性齿条内，并且该电机还包括用于使挠性齿条依次变形成内部与输出轴啮合的椭圆形状的装置。另外，定子上的齿数目等于挠性齿条上的外齿，从而挠性齿条在椭圆形状的两个瓣处啮合，并且挠性齿条上的每个齿与定子上的相同对应齿啮合。

挠性齿条静止，并且这一布置防止挠性齿条相对于圆形定子的旋转，而且从中心圆形齿轮取得旋转输出。外部挠性齿条布置增加挠性齿条的每单位直径变形的转矩，这提高了效率。

根据本发明的一个特征，用于使挠性齿条变形的装置包括布置于定子内部的多个致动器，该装置适合于使挠性齿条直接变形成所需形状。与来自挠性齿条内的致动相比，外部致动增加可用于安装致动器的空间并且有望增加驱动的效率。

根据本发明的一个特征，致动器为适合于从致动器传送直接作用于挠性齿条上的力的离散和线性致动器。在预定序列中驱动多个致动器以产生行进波。致动器共享在固定定子内部的共有静止安装。这样的驱动的优点在于无高速旋转的高惯性部分，这减少驱动中存储的动能并且因此提高可控性和安全性。

该布置简化从驱动的转矩输出和挠性齿条的制动。无需拆卸驱动即可接近致动器。这使致动器与内部安装布置的情况相比相对易于更换。外部安装提高致动器的电连接性而同时允许本地安装电驱动电子器件的空间。类似地增强在致动器周围的气流，这增加了散热。输出轴可以制作成空心以允许线缆穿过驱动。

根据本发明的另一特征，致动器为线性重量轻的聚合物电致伸缩致动器。

电致伸缩致动器属于在高电压电场的影响之下变形的电活性聚合物。该变形的特征在于厚度减少而面积增加。已经利用这一效应以产生能够高带宽线性位置控制的、重量轻的基于隔膜的致动器。Artificial Muscle公司已经创造该技术的一种商业实施。

重量轻的聚合物电致伸缩致动器有望赋予比电磁设备的功率与重量之比高且达到两个数量级的功率与重量之比。这在理论上允许存储的动能明显低于常规电动机和减速齿轮驱动的存储动能，这增加了内在安全性。

电致伸缩致动器可实现的位移大于利用压电致动器可实现的位移，这无需机械行程放大。

使用电致伸缩致动器的另一优点在于模拟位置控制是可能的。这意味着在存在有限数目的致动器之时，各致动器的位移位置在理论上无穷地可调。这实现无极地控制椭圆形状的旋转位置并且因此无极地控制输出轴的旋转位置。对照而言，运用电磁原理来实现的线性致动特征往往在于限制可控性的“通-断”性能。

与形状记忆合金致动器比较，电致伸缩致动器赋予明显更高带宽，而在文献(Kornbluh，R等人，1998年)中报告上至17kHz的致动频率。

根据本发明的另一特征，致动器包括用于从致动器向挠性齿条传送力的装置。各传送装置包括小型传送单元，该单元包括滚动元件，例如球。使用例如球来从致动器向挠性齿条传送力允许出现力施加点的偏离而没有由于摩擦或者粘弹性效应而引入损耗。另外，维持驱动的扭转硬度。在本设计中，通过使用与致动器的滚动接触来给予挠性齿条以平移自由度。

根据本发明的另一特征，挠性齿条包括布置成在挠性齿条的外表面的中心部分周围运转的槽。挠性齿条包括配备有轮齿的、与槽的任一侧相接的在挠性齿条的外表面上的两个部分。

使用挠性齿条的两个外部上的外部轮齿向挠性齿条的两端施加制动转矩。这简化驱动的构造和制造，因为定子的两个半部在功能上相同。

根据本发明的又一特征，挠性齿条为管形。挠性齿条为管状而非杯形，这允许运用更简单的制造工艺，比如挤压。此外，还简化驱动的组装。

附图说明

图1是根据本发明的谐波电机，

图2是经过图1中的谐波电机的径向横截面X-X，

图3是经过图1中的谐波电机的轴向横截面，

图4是经过图1中的谐波电机的径向横截面Y-Y，

图5是致动器在椭圆形状的单次旋转内的定相的循环位移，

图6是谐波驱动齿轮减速器的操作原理，

图7是集成谐波驱动布置，其中电机转子和绕组与齿轮减速器共享共有的壳和轴承，

图8是包括离散线性致动器的谐波电机，这些致动器附接到用于使挠性齿条变形的静止轴心，

图9是使用磁吸引的电磁谐波电机，

图10是使用磁排斥的电磁谐波电机。

具体实施方式

图1是根据本发明的谐波电机1，其中壳1a包括紧固装置15，例如螺栓。电机包括固定圆形定子2、挠性齿条3和输出齿轮4(图2)。挠性齿条3同轴地布置于定子2内。输出齿轮4同轴地布置于挠性齿条3内并且由两个轴承13、14支撑，这些轴承相距一段距离地布置于电机的壳1a中和位于挠性齿条的任一侧上。八个线性致动器5径向地安装设置于固定定子2的内表面2a上。各致动器包括利用连接到球7的输出轴6向挠性齿条传送力的装置。球是位于小型球传送单元内的滚动元件。

球7位于v形槽8中，该槽布置成在挠性齿条3的外表面的中心部分周围运转(图3)。与槽8的任一侧相接的挠性齿条的外表面3b上的部分31和32配备有轮齿9(图4)。挠性齿条的齿状部分31和32与在定子2的内齿状部分21和22中包括的齿轮12啮合。

图5图示了致动器5随着椭圆的角位置而变化的定相的循环位移。借助八个致动器来生成行进波，这些致动器在径向方向上通过小型球传送单元向挠性齿条的外表面3b直接施加力。

定子2上的齿状部分21、22中的齿数目等于挠性齿条3的外表面3b上的齿数目，尽管定子齿轮的直径略大从而等于旋转椭圆长轴端点的轨迹。以这一方式，挠性齿条3在椭圆形状的两个瓣处啮合，而挠性齿条3上的每个齿31、32总是与定子2上的相同对应齿21、22啮合(图4)。这一布置防止挠性齿条3相对于定子2的旋转，同时又允许挠性齿条表面上的力施加点借助球7的传送单元相对于致动器5平移。这只要在椭圆长轴或者短轴未与给定致动器正交地对准时就会出现。

挠性齿条的内表面3a上的轮齿10与同轴地布置于挠性齿条内的硬圆形输出轴4上的齿轮11啮合。在输出齿轮4上比在挠性齿条的内表面上少2n个齿，其中n为正整数。随着椭圆形状旋转，输出齿轮同样、但是按减少的速度旋转。减速比(输出速度/输入速度)由挠性齿条上的齿数目除以2n给定。

Claims (13)

1.一种谐波电机(1)，包括固定的和圆形的定子(2)、输出轴(4)、挠性齿条(3)和波生成器，其特征在于所述定子包括第一内齿轮(12)，所述挠性齿条同轴地布置于所述定子(2)内并且包括第一外齿轮(9)和第二内齿轮(10)两者，所述输出轴(4)包括第二外齿轮(11)并且同轴地布置于所述挠性齿条(3)内，所述波生成器包括用于使所述挠性齿条(3)依次变形成内部与所述输出轴啮合而外部与所述定子(2)啮合的椭圆形状的装置，并且所述定子上的齿数目等于所述挠性齿条上的第一外齿轮(9)的齿数，从而所述挠性齿条在所述椭圆形状的两个瓣处啮合而在所述挠性齿条上的每个齿与所述定子上的相同对应齿啮合。

2.根据权利要求1所述的谐波电机，其中所述变形装置包括多个致动器(5)，所述致动器(5)适合于从所述致动器向所述挠性齿条传送力。

3.根据权利要求2所述的谐波电机，其中所述致动器(5)布置于所述定子(2)中。

4.根据权利要求3所述的谐波电机，其中所述致动器(5)为重量轻的聚合物电致伸缩致动器。

5.根据权利要求2所述的谐波电机，其中所述变形装置包括具有滚动元件(7)的小型传送单元。

6.根据权利要求5所述的谐波电机，其中所述滚动元件(7)为球。

7.根据任一前述权利要求所述的谐波电机，其中所述挠性齿条(3)为管形。

8.根据权利要求7所述的谐波电机，其中所述挠性齿条包括布置成在所述挠性齿条的外表面(3b)的中心部分周围运转的槽(8)。

9.根据权利要求8所述的谐波电机，其中所述挠性齿条包括与所述槽(8)的任一侧相接的在所述外表面(3b)上配备有轮齿(9)的两个部分(31、32)。

10.一种操作谐波电机(1)的方法，所述谐波电机(1)包括：固定的圆形的且内齿轮传动的定子(2)；挠性齿条，同轴地布置于所述定子(2)内，其中所述挠性齿条(3)包括外齿轮(9)和内齿轮(10)两者；以及齿轮传动输出轴(4)，同轴地布置于所述挠性齿条(3)内，所述方法包括激活用于使所述挠性齿条(3)依次变形成内部与所述输出轴(4)啮合而外部与所述定子啮合的椭圆形状的装置，使得啮合的区域旋转，由此产生旋转所述齿轮传动输出轴(4)的行进波。

11.根据权利要求10所述的方法，包括在高电压电场的影响之下致动包括在变形装置中的致动器(5)。

12.根据权利要求10或者11所述的方法，包括在径向方向上向挠性齿条(3)的外表面(3b)直接作用的力的影响之下使所述挠性齿条(3)变形。

13.根据权利要求11所述的方法，包括持续控制所述致动器。

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