CN103016629A - 齿轮单元和机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及齿轮单元和机器人。该齿轮单元包括：内轴和外轴，所述内轴和所述外轴同心布置以组成两个同心的输出轴；以及第一输入轴和第二输入轴，所述第一输入轴和所述第二输入轴沿正交于所述输出轴的方向延伸并且分别操作地连接到所述内轴和所述外轴。所述内轴包括附接到其上的内齿轮并且所述外轴包括附接到其上的外齿轮。所述内齿轮和所述外齿轮布置成处于相互对置关系。所述第一输入轴和所述第二输入轴沿着所述输出轴的轴向方向彼此间隔开特定距离。所述第一输入轴包括与所述内齿轮啮合的第一输入齿轮，所述第二输入轴包括与所述外齿轮啮合的第二输入齿轮。

Description

齿轮单元和机器人
技术领域
本发明涉及齿轮单元和机器人。
背景技术
常规地，作为用于驱动使机器人的臂或手互连的关节的构造，已知有一种驱动机构，在该驱动机构中，正时带缠绕在设置在多个同心旋转轴中的带轮上，并且其中所述旋转轴通过所述正时带被独立驱动（例如，参见日本特开2007-216364号公报）。
然而，由于使用带轮和正时带，难以将日本特开2007-216364号公报中所公开的驱动机构形成为小单元。
发明内容
鉴于上述，本公开内容提供一种齿轮单元和机器人，该齿轮单元和机器人能够减小用于机器人等的关节驱动机构的尺寸。
根据本发明的一方面，提供有一种齿轮单元，其包括：内轴和外轴，该内轴和该外轴同心布置以组成两个同心的输出轴；以及第一输入轴和第二输入轴，该第一输入轴和该第二输入轴沿正交于所述输出轴的方向延伸并且分别操作地连接到所述内轴和所述外轴，其中所述内轴包括附接到其上的内齿轮并且所述外轴包括附接到其上的外齿轮，所述内齿轮和所述外齿轮以相互对置的关系布置，所述第一输入轴和所述第二输入轴沿着所述输出轴的轴向方向彼此隔开特定距离，所述第一输入轴包括与所述内齿轮啮合的第一输入齿轮，所述第二输入轴包括与所述外齿轮啮合的第二输入齿轮。
根据本公开内容，所述齿轮单元能形成为小齿轮，并且，因此能期望地用于例如用于使机器人的臂或手互连的关节的驱动机构。
附图说明
从结合附图给出的下列实施方式的描述将清楚本发明的目的和特征，附图中：
图1是示出根据第一实施方式的齿轮单元的竖直剖面图；
图2是该齿轮单元的平面图；
图3是该齿轮单元的后视图；
图4A是示出根据第一改进示例的齿轮单元的平面图；
图4B是示出根据第二改进示例的齿轮单元的平面图；
图4C是示出根据第三改进示例的齿轮单元的平面图；
图4D是示出根据第四改进示例的齿轮单元的平面图；
图5是示出其中根据第一实施方式的齿轮单元被应用于机器人的情况的示意性说明图；
图6是示出根据第二实施方式的齿轮单元的竖直剖面图；
图7A是示出其中根据第二实施方式的齿轮单元被应用于机器人的一种情况的示意性说明图；
图7B示出其中根据第二实施方式的齿轮单元被应用于机器人的另一情况的示意性说明图；以及
图7C示出其中根据第二实施方式的齿轮单元被应用于机器人的又一情况的示意性说明图。
具体实施方式
现在将参照形成主题申请的一部分的附图来描述该主题申请中所公开的齿轮单元和机器人的实施方式。然而，本公开内容不限于下面描述的实施方式。
（第一实施方式）
图1是示出根据本发明的第一实施方式的齿轮单元的竖直剖面图。图2是该齿轮单元的平面图。图3是该齿轮单元的后视图。首先，将对根据本实施方式的齿轮单元1进行描述。
如图1至图3所示，齿轮单元1包括：两个同心输出轴，这两个同心输出轴包括内轴2和外轴3，该内轴2和该外轴3两者都具有同心中心轴线；以及两个输入轴，这两个输入轴包括第一输入轴4和第二输入轴5。
第一输入轴4操作地连接到第一马达11。第二输入轴5操作地连接到第二马达12。
第一马达11的功率能从第一输入轴4通过齿轮直接传递到内轴2。第二马达12的功率能从第二输入轴5通过齿轮直接传递到外轴3。
因此齿轮单元1、第一马达11和第二马达12能用作用于驱动从动构件（诸如待稍后描述的机器人的臂）的驱动单元。
如图1所示，内齿轮6设置在作为其中一个输出轴的内轴2的一端（图1中的下端）附近。外齿轮7设置在比内轴2短的外轴3的一端（图1中的下端）附近。另一方面，第一输入齿轮8设置在作为其中一个输入轴的第一输入轴4的末端处。第二输入齿轮9设置在第二输入轴5的末端处。
输入轴和输出轴以相互正交的关系通过轴承15和密封构件16附接到单元外壳10。
在单元外壳10的一个表面（图1中的上表面）上形成通孔。输出轴（内轴2和外轴3）***该通孔中。在单元外壳10的另一表面（图1的左表面）上形成与通孔正交的开口。输入轴***穿过该开口。
在单元外壳10内，内齿轮6和外齿轮7以相互对置关系布置。换言之，设置在相对长的内轴2的一端附近的内齿轮6和设置在相对短的外轴3的一端附近的外齿轮7以相互对置关系布置，其中在内齿轮6和外齿轮7之间留有特定间隙D，使得内齿轮6的齿阵列和外齿轮7的齿阵列能相互面对。
形成在特定间隙D中的空间变成齿轮啮合空间Q。在本实施方式中，通过尽可能小地形成齿轮啮合空间Q来减小齿轮单元1的尺寸。
在尽可能小地形成的齿轮啮合空间Q内，第一输入轴4和第二输入轴5沿着包括内轴2和外轴3的输出轴的同心轴线的方向彼此间隔开特定距离L。
在其中输入轴沿水平方向延伸的姿势中，本实施方式的齿轮单元1构造成使得，如图1所示，布置在相对低的位置中的第一输入轴4操作地连接到内轴2，而布置在相对高的位置中的第二输入轴5操作地连接到外轴3。
如此，第一输入轴4和第二输入轴5沿着输出轴相互偏移，使得在形成于内齿轮6和外齿轮7之间的齿轮啮合空间Q内，第一输入轴4的第一输入齿轮8与内齿轮6啮合，并且第二输入轴5的第二输入齿轮9与外齿轮7啮合。
因此，根据本实施方式的齿轮单元1构造成具有小尺寸。然而，内齿轮6和第一输入齿轮8的组与外齿轮7和第二输入齿轮9的组不会彼此干涉并且能组成独立功率传递***。
在根据本实施方式的齿轮单元1中，内齿轮6和第一输入齿轮8的组以及外齿轮7和第二输入齿轮8的组由准双曲面齿轮组成。
因此，设置有第一输入齿轮8的第一输入轴4的轴线不会和设置有与第一输入齿轮8啮合的内齿轮6的内轴2的轴线交叉。同样地，设置有第二输入齿轮9的第二输入轴5的轴线不会和设置有与第二输入齿轮9啮合的外齿轮7的外轴3的轴线交叉。
因此，第一输入轴4和第二输入轴5能任意布置，而不必使第一输入轴4和第二输入轴5的轴线与内轴2或外轴3的轴线对齐。这可以增大包括第一马达11和第二马达12的驱动单元的布局的自由度。
例如，如图2所示，第一输入轴4和第二输入轴5可以布置成彼此处于平行关系。
因为第一输入轴4和第二输入轴5能利用准双曲面齿轮布置成彼此平行，因此可以将第一马达11和第二马达12并排地沿同一取向布置。这可以与具有特定间隙D的尽可能小地形成的齿轮啮合空间Q协作而进一步减小齿轮单元1的尺寸。
如上所述，根据本实施方式的齿轮单元1基本上构造成包括：内轴2；与该内轴2同心的外轴3；操作地连接到该内轴2的第一输入轴4；以及操作地连接到外轴3的第二输入轴5。内轴2和外轴3组成两个同心输出轴。第一输入轴4和第二输入轴5沿正交于输出轴的方向延伸。
附接到内轴2的内齿轮6和附接到外轴3的外齿轮7布置成处于相互对置关系。
第一输入轴4和第二输入轴5沿输出轴的轴向方向彼此间隔开特定距离L。第一输入轴4的第一输入齿轮8布置成与内齿轮6啮合，而第二输入轴5的第二输入齿轮9布置成与外齿轮7啮合。
该构造可以减小齿轮单元1的尺寸。连接到第一马达11的第一输入轴4的转矩通过第一输入齿轮8和内齿轮6直接传递到内轴2。连接到第二马达12的第二输入轴5的转矩通过第二输入齿轮9和外齿轮7直接传递到外轴3。
如图1所示，内轴2和外轴3分别包括空心轴体21和空心轴体31。因此，能穿过内轴2的轴体21进行布线/布管。
在齿轮单元1应用于机器人并且臂或手连接到输出轴的情况下（如稍后将描述的），通向设置在臂或手中的传感器和致动器的布线线路和空气管道能***穿过内轴2的轴体21。
（齿轮单元1的改进示例）
接着，将参照图4A至图4D描述齿轮单元1的某些改进示例。参看图4A，根据第一改进示例的齿轮单元1包括止动机构100，其用于将输出轴的旋转角沿向前旋转方向以及沿反向旋转方向机械地限制到180+α度。
在根据第一改进示例的齿轮单元1的止动机构100中，如图4A所示，止动销61从内齿轮6的齿阵列表面突出。带销62从单元外壳10的内壁突出。带销62定位在穿过作为输出轴的内轴2和外轴3的同心轴线的中心线CL上。止动带63绕带销62和内轴2以适当张力缠绕。优选地，止动带63是具有合适弹性的弹性带。
在该构造的情况下，如果内齿轮6借助通过第一输入轴4（第一输入齿轮8）传递的第一马达11的转矩而旋转，则止动销61也和内齿轮6的旋转一起旋转，如图4A中的箭头f所示。
当旋转到特定角度时，止动销61与止动带63接触。如图4A所示，在止动销61推动止动带63特定量的状态下约束内齿轮6的旋转。因此和具有止动销61的内齿轮6一起旋转的内轴2被约束不能进一步旋转。
虽然内轴2的旋转角在例示示例中被约束，但是相同的构造可以应用于外轴3或应用于内轴2和外轴3两者。
接着，将参照图4B描述第二改进示例。在图4B所示的第二改进示例的齿轮单元1中，中间齿轮机构200插设在第一马达11和第一输入轴4之间以及在第二马达12和第二输入轴5之间。
该构造使得可以应付第一马达11或第二马达12的布置位置在某些情况下被限制的情况或者第一马达11或第二马达12具有过大尺寸的情况。换言之，该构造使得可以应付以下情况，即，如果第一输入轴4和第二输入轴5直接连接到马达轴110和120则第一输入齿轮8和第二输入齿轮9不能与内齿轮6和外齿轮7啮合的情况。
图4B所示的示例针对以下情况，即，对马达连接器210的布局强加限制并且在第一马达11和第二马达12之间需要形成间隙。换言之，图4B所示的示例针对以下情况，即，如果第一输入轴4和第二输入轴5连接到马达轴110和120，则马达轴110和120之间的距离D如此大使得第一输入齿轮8和第二输入齿轮9不能与内齿轮6和外齿轮7啮合。
如图4B所示，第一正齿轮220附接到第一马达11的马达轴110的末端。第二正齿轮230附接到第一输入轴4的基端。第一正齿轮220和第二正齿轮230布置成相互啮合。如果以该方式使用包括第一正齿轮220和第二正齿轮230的中间齿轮机构200，则对可用马达的种类不加限制。这有助于提高齿轮单元1的灵活性。
接着，将参照图4C和图4D描述第三改进示例和第四改进示例。在根据第三改进示例和第四改进示例的齿轮单元1中，内齿轮6和第一输入齿轮8由伞齿轮形成。同样地，外齿轮7和第二输入齿轮9由伞齿轮形成。
不同于准双曲面齿轮，伞齿轮的使用可以自由地设定第一输入轴4和内轴2的轴线的交叉角以及第二输入轴5和外轴3的轴线的交叉角。
更具体而言，在相互啮合的第一输入齿轮8和内齿轮6中，具有第一输入齿轮8的第一输入轴4的轴线和具有内齿轮6的内轴2的轴线能以特定角度交叉。同样地，在相互啮合的第二输入齿轮9和外齿轮7中，具有第二输入齿轮9的第二输入轴5和具有外齿轮7的外轴3的轴线能以特定角度交叉。
因此，如图4C所示，第一输入轴4和第二输入轴5之间的角θ能被适当地设定。如图4D所示，角θ可以设定成180度，在该情况下第一输入轴4和第二输入轴5布置在直线上。正如内齿轮6和外齿轮7一样，第一输入齿轮8和第二输入齿轮9可以布置成处于相互对置关系。
在本改进示例中，如使用准双曲面齿轮的情况，可以减小齿轮单元1沿输出轴方向的长度（高度）。这可以减小齿轮单元1的尺寸。
参看图5，上述齿轮单元1能应用于包括臂310和320以及手330和340的机器人300。
如图5所示，机器人300是水平关节式的。支柱360安装成从基座350突出。第一臂310的基端以可旋转的方式连接到支柱360的上端。
第二臂320的基端以可旋转的方式连接到第一臂310的末端。第一手330和第二手340以竖直重叠的状态并且以可独立旋转的方式附接到第二臂320的末端的上侧。第一手330和第二手340构造成支承或握持特定工件。
在本实施方式中，齿轮单元1布置在第二臂320的末端部中从而单独驱动第一手330和第二手340。
换言之，第一马达11和第二马达12操作地连接到齿轮单元1的第一输入轴4和第二输入轴5。第一手330连接到内轴2，而第二手340连接到外轴3。
在该构造的情况下，如果第一马达11旋转，则第一马达11的转矩通过第一输入轴4的第一输入齿轮8和内齿轮6传递到内轴2，由此连接到内轴2的第一手330沿水平方向以可旋转的方式被驱动。
类似地，如果第二马达12旋转，则第二马达12的转矩通过第二输入轴5的第二输入齿轮9和外齿轮7传递到外轴3，由此连接到外轴3的第二手340沿水平方向以可旋转的方式被驱动。
如此，图5所示的机器人300的第一手330和第二手340绕同心旋转轴线彼此独立地操作。
如图5所示，机器人300电连接到控制单元370，该控制单元370包括设置有中央处理单元的计算机和用于存储机器人操作控制程序的存储器。第一马达11和第二马达12的操作取决于工作内容而由控制单元370控制。彼此独立地旋转的第一手330和第二手340按照操作控制程序来执行特定操作。
齿轮单元1的单元外壳10的形状和尺寸与第二臂320对应。例如，齿轮单元1从外面附接到具有开口末端的第二臂320，由此第二臂320和齿轮单元1能成一体。
不必说，可以采用这样的构造，在该构造中，齿轮单元1的单元外壳10布置在第二臂320的末端部内。
在上述实施方式中，内齿轮6和外齿轮7的直径基本上彼此相等。然而，内齿轮6和外齿轮7的直径不必彼此相等。内齿轮6和外齿轮7的尺寸可以彼此不同。换言之，唯一必要的是，第一输入齿轮8和第二输入齿轮9与内齿轮6和外齿轮7对应，并且还必要的是，第一马达11的功率独立且直接地传递到内轴2，并且第二马达12的功率独立且直接地传递到外轴3。
（第二实施方式）
接着，将描述根据第二实施方式的齿轮单元500，其中重点放在与第一实施方式不同的部分。在下列描述中，与根据第一实施方式的齿轮单元1的那些部件相同的部件或者具有与根据第一实施方式的齿轮单元1的那些功能相同的功能的部件将由相同的附图标记表示，并且其描述简化或省略。图6示出了比图1更示意性的齿轮单元500。在图6中未示出与外轴3的外齿轮7啮合的第二输入齿轮9以及在其末端处设置有第二输入齿轮9的第二输入轴5。
根据第二实施方式的齿轮单元500能够从输出轴的相反两端（图6中的上端和下端）输出功率。更具体而言，在根据第一实施方式的齿轮单元1的情况下，从内轴2和外轴3的一端（图1中的上端）输出功率。
相反，如图6所示，根据第二实施方式的齿轮单元500能够从内轴2的与外轴3相反的端部（图6中的下端）输出功率。换言之，根据第二实施方式的齿轮单元500能够从单元外壳10的相反两端输出功率。
将参照图7A至图7C描述其中上述结构的齿轮单元500应用于机器人的示例。在下列描述中，与根据第一实施方式的机器人300的那些部件相同的部件或具有与根据第一实施方式的机器人300的那些功能相同的功能的部件将由相同的附图标记来表示，并且其描述简化或省略。图7A至图7C所示的机器人400比图5更示意性地示出。在图7A至图7C中未示出用于支承第一臂310的基端的支柱360。
在图7A所示的机器人400中，正如根据第一实施方式的机器人300一样，齿轮单元500设置在第二臂320的末端部中。因为齿轮单元500能够从单元外壳10的相反两端输出功率，因此第一手330连接到内轴2从而从第二臂320的下侧而不是其上侧延伸。
在图7B所示的机器人400中，齿轮单元500布置在第一臂310的末端部中。第二臂320连接到外轴3从而从第一臂3 10的上侧延伸。第三臂380连接到到第二臂320的末端。另一方面，特定手390连接到齿轮单元500的内轴2从而从第一臂310的下侧延伸。换言之，臂从第一臂310的上侧和下侧中的一个延伸，而手从第一臂310的上侧和下侧中的另一个延伸。
在图7C所示的机器人400中，齿轮单元500布置在第一臂310的末端部中。第二臂320连接到外轴3，而第三臂321连接到内轴2。换言之，第二臂320从第一臂310的上侧延伸。第三臂321从第一臂310的下侧延伸。在该构造中，这些臂从第一臂310的上侧和下侧延伸。
在图7C所示的示例中，单个特定手390连接到到从第一臂310的下侧延伸的第三臂321的末端。另一方面，根据第一实施方式的齿轮单元1布置在从第一臂310的上侧延伸的第二臂320的末端部中。第一手330和第二手340连接到齿轮单元1。
如上所述，齿轮单元1和500能期望地用于机器人300和400的臂或手的关节中。因为齿轮单元1和500的尺寸小，因此它们能布置在臂的末端部内或能附接到臂的外表面。因为能从输出轴的一端或两端输出功率，因此可以增大设计机器人300和400的自由度。
齿轮单元1的应用不限于机器人。即使齿轮单元1应用于机器人，机器人的种类也不必限于上述机器人300和300。
本领域技术人员能容易得出上述实施方式的新效果和其它改进示例。为此，本发明的宽泛方面不限于所示且在上描述的特定公开内容以及代表实施方式。因此，本发明能以许多不同的形式改进，而没有脱离由所附的权利要求和其等同物限定的一般发明概念的精神和范围。

Claims (7)

1.一种齿轮单元，该齿轮单元包括：
内轴和外轴，所述内轴和所述外轴同心布置以组成两个同心的输出轴；以及
第一输入轴和第二输入轴，所述第一输入轴和所述第二输入轴沿正交于所述输出轴的方向延伸并且分别操作地连接到所述内轴和所述外轴，
其中，所述内轴包括附接到其上的内齿轮并且所述外轴包括附接到其上的外齿轮，所述内齿轮和所述外齿轮布置成处于相互对置关系，所述第一输入轴和所述第二输入轴沿着所述输出轴的轴向方向彼此间隔开特定距离，所述第一输入轴包括与所述内齿轮啮合的第一输入齿轮，所述第二输入轴包括与所述外齿轮啮合的第二输入齿轮。
2.根据权利要求1所述的齿轮单元，其中，所述内齿轮、所述第一输入齿轮、所述外齿轮和所述第二输入齿轮由准双曲面齿轮形成，所述第一输入轴和所述第二输入轴布置成彼此平行。
3.根据权利要求1所述的齿轮单元，其中，所述内齿轮、所述第一输入齿轮、所述外齿轮和所述第二输入齿轮由伞齿轮形成。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的齿轮单元，其中，所述内轴和所述外轴分别包括空心轴体，并且穿过所述内轴的所述轴体进行布线和/或布管。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的齿轮单元，其中，从所述内齿轮的齿阵列表面突出有止动销，并且从所述齿轮单元的外壳的内壁突出有带销，所述带销定位在穿过所述内轴和所述外轴的同心轴线的中心线上，围绕所述带销和所述内轴缠绕有止动带。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的齿轮单元，其中，所述第一输入轴通过第一中间齿轮机构连接到第一马达，并且所述第二输入轴通过第二中间齿轮机构连接到第二马达。
7.一种机器人，该机器人包括：
基座；
从所述基座延伸的臂；
一对手，这一对手操作地连接到所述臂的末端；以及
布置在所述臂的所述末端中的根据权利要求1至3中任一项所述的齿轮单元，这些手独立地连接到所述齿轮单元的所述内轴和所述外轴。
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