CN116538265B - 一种柔轮、谐波减速器、机械臂和机器人 - Google Patents

一种柔轮、谐波减速器、机械臂和机器人 Download PDF

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Abstract

一种柔轮、谐波减速器机械臂和机器人，柔轮包括：柔轮传动齿、柔轮第一部分、柔轮第二部分和连接部，柔轮第一部分的直径大于柔轮第二部分的直径；柔轮传动齿设置在柔轮第一部分外周壁，柔轮第一部分的一端与柔轮第二部分的一端通过连接部连接，还包括耦合部，耦合部设置在柔轮第二部分另一端的外周缘，耦合部的外圈直径大于柔轮第一部分的直径。本发明设置柔轮第一部分和柔轮第二部分，两者直径不同，不仅能提高谐波柔轮的承载力，还能延长柔轮的使用寿命；还设置耦合部，柔轮第二部分与第二钢轮通过耦合部连接，可以进一步的减小谐波减速器的轴向长度，达到小型化的目的，有效节约空间，并且仍可保证高强度，结构简单，利于推广。

Description

一种柔轮、谐波减速器、机械臂和机器人
技术领域
本发明属于传动减速技术领域，尤其涉及一种柔轮、谐波减速器、机械臂和机器人。
背景技术
谐波传动减速器是依靠柔性零件产生弹性机械波来传递动力和运动的一种机械传动器。谐波减速器具有传动效率高、体积小、重量轻、传动平稳、噪音小等特点，广泛应用于机器人领域，特别是在协作形机械臂、服务机器人等得到了广泛的应用。随着机器人技术的发展，对谐波减速器的尺寸要求越来越严格。谐波传动包括三个基本构件：波发生器、柔轮和钢轮。
三个构件任意固定一个，其余两个中的一个为主动，另一个为从动，可实现减速或增速，即固定传动比，也可变换成两个输入，一个输出，组成差动传动。如钢轮固定不动，以波发生器为主动件,柔轮为从动件，波发生器内的椭圆形凸轮在柔轮内旋转便使柔轮产生变形，在波发生器的椭圆形凸轮长轴两端处的柔轮轮齿和钢轮轮齿进入啮合时，短轴两端处的柔轮轮齿与钢轮轮齿脱开。对于波发生器长轴和短轴之间的轮齿，沿柔轮和钢轮周长的不同区段内处于逐渐进入啮合的半啮合状态，称为啮入；处于逐渐退出啮合的半啮合状态，称为啮出。波发生器的连续转动，使啮入、啮合、啮出和脱开四种运动不断改变各自原来的工作状态，这种运动称为错齿运动，错齿运动使输入转动变为输出运动。
目前谐波减速器的小型化是趋势，但是谐波减速器的小型化的同时容易造成质量不高，如：结构强度下降，承载力不足等导致的寿命较短的问题，间接的提高了企业的成本。谐波减速器的小型化受柔轮变形的影响，柔论的尺寸受限制，使得谐波减速器小型化存在设计壁垒，只能通过降低柔轮的壁厚来缩小体积，但势必会因此增加加工难度，同时使得整体的强度降低、输出扭矩变小，承载力欠缺的问题，同时使得谐波减速器的整体寿命缩小。大大提高了企业的制造成本和使用成本。
发明内容
(一)发明目的
本发明的一个目的是提供一种不需要降低柔轮的壁厚来缩小体积，在减小轴向尺寸同时不降低承载力的柔轮，第二个目的是提供一种能同时减小径向、轴向尺寸，使得同型号的谐波减速器的整体体积较传统的谐波减速器减小70％的体积，并且能保持和其相同强度、输出扭矩和使用寿命的小型谐波减速器、机械臂和机器人。
(二)技术方案
为解决上述问题，本发明提供了一种柔轮，所述柔轮包括柔轮传动齿、柔轮第一部分、柔轮第二部分和连接部，所述柔轮第一部分的直径大于所述柔轮第二部分的直径；所述柔轮传动齿设置在所述柔轮第一部分外周壁，所述柔轮第一部分一端与柔轮第二部分的一端通过所述连接部连接，还包括耦合部，所述耦合部设置在所述柔轮第二部分另一端的外周缘，所述耦合部的外圈直径大于所述柔轮第一部分的直径。
本发明的另一方面，优选地，所述柔轮第一部分、连接部、柔轮第二部分和耦合部两两之间平滑连接。
本发明的另一方面，优选地，所述柔轮第一部分和连接部设置为曲线连接时，所述柔轮轴向长度满足如下公式：
L＝Rsinα+0.4d
其中，L表示柔轮轴向长度，包括柔轮第一部分的轴向长度、柔轮第二部分的轴向长度和耦合部的轴向长度；R表示柔轮第一部分和连接部曲线连接时的圆弧半径；sinα是柔轮轴向长度系数；d表示柔轮传动齿齿外圈的直径长度。
本发明的另一方面，优选地，所述柔轮第二部分设置为两端直径较大，中间直径较小的结构时，所述柔轮第二部分的直径较小部分的圆弧半径满足如下公式：
R1＝Rm+R(1-cosα)
其中，R1表示柔轮第二部分的直径较小部分的圆弧半径；Rm表示柔轮第二部分的一端直径较大部分的圆弧半径；R表示柔轮第一部分和连接部曲线连接时的圆弧半径；sinα是柔轮轴向长度系数,cosα表示
本发明的另一方面，优选地，所述柔轮轴向长度满足：
L＝(1.0～1.25)d
其中，L表示柔轮轴向长度，包括柔轮第一部分的轴向长度、柔轮第二部分的轴向长度和耦合部的轴向长度；d表示柔轮传动齿齿外圈的直径长度。
本发明的另一方面，优选地，所述柔轮集成有数据接口。
本发明的另一方面，优选地，所述耦合部包括多个子耦合部，多个子耦合部均匀的环绕在所述柔轮第二部分的外周缘。
本发明的另一方面，优选地，一种谐波减速器，包括如上任意一项所述的柔轮，还包括第一钢轮、第二钢轮和波发生器；
所述第一钢轮和第二钢轮为环形结构，所述第一钢轮与第二钢轮连接，所述第一钢轮的内周壁上设有钢轮传动齿；
所述柔轮第一部分和柔轮第二部分均设置于所述第一钢轮和第二钢轮的环形容置腔中，在所述第一钢轮内周壁设置有与柔轮传动齿啮合的钢轮传动齿；
所述第二钢轮与所述柔轮第二部分通过所述耦合部连接；
所述波发生器包括凸轮和柔性轴承，所述凸轮、柔性轴承和柔轮依次嵌套。
本发明的另一方面，优选地，所述第一钢轮的一端设有环形延伸的凸台，所述凸台外周壁设有第一V形环槽；所述第二钢轮内环设置有钢轮第一部分和钢轮第二部分，所述钢轮第一部分的内径大于所述钢轮第二部分的内径；所述第二钢轮的钢轮第一部分内周壁设有第二V形环槽，与所述第一V形环槽配合形成矩形环槽；还包括滚子，所述滚子设于所述矩形环槽内。
本发明的另一方面，优选地，一种机械臂，包括如上任意一项的谐波减速器。
本发明的另一方面，优选地，一种机器人，包括如上所述的机械臂。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
本发明通过柔轮第一部分和第二部分，且柔轮第一部分的直径大于柔轮第二部分的直径，解决谐波减速器的小型化的时候，因为波发生器内的椭圆形凸轮在柔轮内旋转便使柔轮产生变形，柔轮的轴向长度如果过短导致柔轮容易损坏，大大提高了企业的制造成本和使用成本的问题。本发明不需要通过降低柔轮的壁厚来缩小体积，降低了生产难度，本发明提高谐波柔轮的承载力，延长柔轮的使用寿命；还设置耦合部，可以减少连接部件，可以进一步的减小谐波减速器的轴向长度，达到小型化的目的，有效节约空间，并且仍可保证高强度，结构简单，利于推广。
附图说明
图1是本发明一个实施例的柔轮的结构正视图；
图2是本发明另一个实施例的柔轮的剖视图；
图3是本发明一个实施例的柔轮的整体结构示意图；
图4是本发明一个实施例的谐波减速器的剖视图；
图5是本发明另一个实施例的谐波减速器的整体结构剖视图；
图6是本发明另一个实施例的谐波减速器的整体结构示意图；
图7是本发明一个实施例第一钢轮和第二钢轮的结构示意图；
图8是本发明一个实施例的第一钢轮剖视图；
图9是本发明一个实施例的机器人/机械臂结构示意图；
图10a是本发明一个实施例的双臂机器人结构示意图；
图10b是本发明一个实施例的复合机器人结构示意图；
附图标记：
1、第一钢轮；2、第二钢轮；3、柔轮；4、波发生器；5、耦合部；6、滚子；7、谐波减速器；8、机械臂；1-1、钢轮传动齿；1-2、凸台；2-1、钢轮第一部分；2-2、钢轮第二部分；3-1、柔轮传动齿；3-2、柔轮第一部分；3-3、柔轮第二部分；3-4、连接部；4-1、凸轮；4-2、柔性轴承。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在附图中示出了根据本发明实施例的层结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明实施例提供了一种柔轮，图1示出了本发明一个实施例的柔轮的结构正视图和图3示出了本发明一个实施例的柔轮的整体结构示意图，如图1和图3所示，该柔轮包括柔轮传动齿3-1、柔轮第一部分3-2、柔轮第二部分3-3和连接部3-4，柔轮第一部分3-2的直径大于柔轮第二部分3-3的直径，此处不限定柔轮第一部分3-2和柔轮第二部分3-3的轴向尺寸关系，可以是柔轮第一部分3-2轴向长度较大，也可以是柔轮第二部分3-3轴向长度较大，也可以是两者轴向长度相同，图2示出了本发明另一个实施例的柔轮的剖视图，本实施例中，可选的，为如图1和图2所示，为柔轮第一部分3-2径向长度较大，进一步，柔轮第二部分3-3与柔轮第一部分3-2径向尺寸关系为(0.7～0.9)d；此设置可以减少柔轮在运动变形过程中损伤，延长柔轮的使用寿命；可选的，本实施例中，柔轮第一部分3-2轴向长度较大；此设置可以减少柔轮在运动变形过程中损伤，延长柔轮的使用寿命；此处也不对柔轮第一部分3-2和柔轮第二部分3-3的壁厚做具体限定，可以是整体一个厚度的结构，也可以一端较厚，一端较薄的结构；柔轮第一部分3-2的直径大于柔轮第二部分3-3，此处不对两者直径的比率关系做具体限定，也不对柔轮第一部分3-2与柔轮第二部分3-3的具体结构做限定，可选的，柔轮第一部分3-2和柔轮第二部分3-3分别为直径相同的筒状结构，也可以是两者中一个是直径相同的筒状结构，另一个是直径不相同的筒状结构，也可以是两者分别为直径不相同的筒状结构，可选的，如图1所示，柔轮第一部分3-2和柔轮第二部分3-3分别为直径不变的筒状结构；柔轮3采用中空结构，最大程度释放内部的空间，为内部走线及安装提供操作空间；柔轮第二部分3-3的直径小于柔轮第一部分3-2的结构，即颈缩式结构设计，可以有效增加柔轮强度，相较于传统结构，在同样承载条件下，可大幅减小柔轮3的径向和/或轴向尺寸，也就是减小了谐波减速器的整体尺寸，为谐波减速器小型化提供可能。柔轮传动齿3-1设置在柔轮第一部分3-2外周壁，此处不限定柔轮传动齿3-1与柔轮第一部分3-2外周壁的轴向长度关系，可选的，可以是两者轴向长度相同，也可以是柔轮传动齿3-1的长度小于柔轮第一部分3-2外周壁的轴向长度，且小于柔轮第一部分3-2外周壁的轴向长度时，可以设置在柔轮第一部分3-2远离柔轮第二部分3-3的一端，也可以设置在柔轮第一部分3-2接近柔轮第二部分3-3的一端，也可是设置在柔轮第一部分3-2的中心，本实施例中，如图1和图2所示，可选的，为柔轮传动齿3-1的长度小于柔轮第一部分3-2外周壁的轴向长度，并且柔轮传动齿3-1设置在柔轮第一部分3-2远离柔轮第二部分3-3的一端；柔轮第一部分3-2的一端与柔轮第二部分3-3的一端通过连接部3-4连接，此处不限定连接部3-4的具体结构，可选的，为平滑的直线连接，也可以是曲线连接，进一步，如图2所示，连接部3-4为微弯折结构，微弯折的开口朝向耦合部5，微弯折的结构会进一步加大柔轮的结构强度，加大承载力，提高柔轮的使用寿命，耦合部5中心包括通孔，所述通孔可以是等直径孔、变直径孔、阶梯孔等，此处不对通孔的具体尺寸做限定，可选的为与柔轮第二部分3-3的通孔大小相同，使谐波减速器整体成中空结构，方便在中间走线；可选的，耦合部5中心通孔为阶梯孔，阶梯孔中小直径孔为与柔轮第二部分3-3的通孔大小相同，可在阶梯孔中的大直径孔处安装传感器或接口电路，如光栅编码器等，以进一步优化***集成，减小机械臂关节乃至整个机械臂的尺寸或体积，耦合部5设置在柔轮第二部分3-3另一端的外周缘，此处不限定耦合部5的最大直径与柔轮第二部分3-3和柔轮第一部分3-2的直径尺寸关系，可选的，为耦合部5的最大直径大于柔轮第一部分3-2的直径，也可以是耦合部5的最大直径小于柔轮第一部分3-2的直径大于柔轮第二部分3-3的直径，也可以是耦合部5的最大直径小于柔轮第二部分3-3的直径，如图1和图2所示，本实施例中，耦合部5外圈的最大直径大于柔轮第一部分3-2的直径；此处不限定耦合部5的材料，可选的为金属材料，也不限定耦合部5的厚度，可选的，如图1和图2所示，耦合部5的轴向长度大于柔轮3的壁厚。本实施例中通过在柔轮第二部分外周缘设有耦合部，无需另外的部件让柔轮与谐波减速器的其他部件连接，减少了连接部件，可以减轻谐波减速器整体的重量，并且，能够减小谐波减速器连接部件轴向的长度，减小整体体积，进一步达到小型化目的。
本发明的一个实施例中，进一步，柔轮第一部分3-2、连接部3-4、柔轮第二部分3-3和耦合部5两两之间平滑连接；此处不限定平滑连接的具体形式，可选的，为直线平滑连接和曲线连接，如图1、图2和图3所示，柔轮第一部分3-2和连接部3-4通过第一曲线连接，连接部3-4和柔轮第二部分3-3通过第二曲线连接，柔轮第二部分3-3和耦合部5通过第三曲线连接，此处不限定三个曲线的曲率，也不限定三个曲线的长度。平滑连接的设置可以提高结构强度，小型化的同时提高柔轮的承载力。进一步的，如图2、图3所示，柔轮第二部分3-3可以为曲线结构，可选的，曲线的波峰朝向柔轮3的中心轴线；耦合部5也可以为曲线结构，可选的，曲线波形的顶峰朝向柔轮第一部分3-2；柔轮在制造时为了满足工艺需求，满足承载需求，齿轮端的壁是较为薄，齿轮端的相对端的壁是较为厚，柔轮在使用过程中，齿轮端的相对端的壁是应力集中部分，同时，为了延长使用寿命，柔轮的轴向尺寸就不能太小，否则容易断裂，所以柔轮是影响谐波减速器轴向尺寸的关键因素，本实施例中，通过设置柔轮第一部分、连接部、柔轮第二部分和耦合部两两之间平滑连接，可以在同样体积的情况下，有更好的承载力，柔轮第二部分设置为曲线结构，进一步的提高承载力。
本发明的一个实施例中，进一步，图4示出了本发明一个实施例的谐波减速器的剖视图，如图4所示，L表示柔轮轴向长度，包括柔轮第一部分3-2的轴向长度、柔轮第二部分3-3的轴向长度和耦合部5的轴向长度；L1表示柔轮第一部分3-2的轴向长度，L3表示柔轮第二部分3-3的轴向长度；L2表示柔轮第一部分3-2与柔轮第二部分3-3直径最小部分的直径尺寸差，L4表示耦合部5与柔轮第二部分直径最小部分的直径尺寸差；所述柔轮第一部分3-2和连接部3-4设置为曲线连接时，柔轮轴向长度满足如下公式：
L＝Rsinα+0.4d
其中，L表示柔轮轴向长度，包括柔轮第一部分3-2的轴向长度、柔轮第二部分3-3的轴向长度和耦合部5的轴向长度；R表示柔轮第一部分3-2和连接部3-4曲线连接时的圆弧半径；sinα是柔轮轴向长度系数；d表示柔轮传动齿3-1的齿外圈直径长度。此处不限制α的取值范围，可选的，α取值范围在29～33°之间。此设置在缩小柔轮整体轴向尺寸的同时，还能使柔轮的结构强度较好，承载力更大。
本发明的一个实施例中，进一步，所述柔轮第二部分3-3设置为两端直径较大，中间直径较小的结构时，所述柔轮第二部分3-3的直径较小部分的圆弧半径满足如下公式：
R1＝Rm+R(1-cosα)
其中，R1表示柔轮第二部分3-3的直径较小部分的圆弧半径；Rm表示柔轮第二部分3-3的一端直径较大部分的圆弧半径；R表示柔轮第一部分3-2和连接部3-4曲线连接时的圆弧半径；cosα表示此处将柔轮第二部分3-3分成三段，其中一段为柔轮第二部分3-3的直径较小部分，也就是中间段，还有两段为被柔轮第二部分3-3的直径较小部分分割开的两段，此处不限制分割的具体的内容，此设置在缩小柔轮整体轴向尺寸的同时，还能使柔轮的结构强度较好，承载力更大，而且工艺简单，实施方便。
本发明的一个实施例中，进一步，所述柔轮3轴向长度满足：
L＝(1.0～1.25)d
其中，L表示柔轮轴向长度，包括柔轮第一部分3-2的轴向长度、柔轮第二部分3-3的轴向长度和耦合部5的轴向长度；d表示柔轮传动齿3-1的齿外圈直径长度。柔轮的轴向长度与柔轮传动齿3-1的齿外圈直径长度成等比关系，可以根据不同应用场景，适应性的选择合适的轴向长度的柔轮，该等比系数范围内的柔轮，使柔轮的结构强度较好，承载力更大。
本发明的一个实施例中，进一步，
L1＝(0.4～0.6)d
L2＝(0.1～0.3)d
L3＝(0.1～0.3)d
L1表示柔轮第一部分3-2的轴向长度，L3表示柔轮第二部分3-3的轴向长度；L2表示柔轮第一部分3-2与柔轮第二部分3-3直径最小部分的直径尺寸差，d表示柔轮传动齿3-1的齿外圈直径长度，将柔轮各部分的尺寸与柔轮传动齿3-1的齿外圈直径长度的关系设置系数范围，可以根据不同应用场景，适应性的选择合适的柔轮，该等比系数范围内的柔轮，使柔轮的结构强度较好，承载力更大。
进一步，柔轮的承载能力满足以下公式：
其中T表示柔轮承载力，KU表示柔轮第一部分强度系数，KV表示柔轮第二部分强度系数，d表示柔轮传动齿3-1的齿外圈直径长度，d1表示柔轮第二部分3-3的最小直径，d2表示柔轮第二部分3-3的最大直径，S1表示柔轮第一部分的壁厚，S2表示柔轮第二部分的壁厚，W表示柔轮径向变量，R1表示柔轮第二部分3-3的直径较小部分的圆弧半径；Rm表示柔轮第二部分3-3的一端直径较大部分的圆弧半径。可以根据不同应用场景，适应性的选择合适的柔轮，使柔轮应用范围更广，柔轮的结构强度较好，承载力更大。
在本发明的一个实施例中，进一步，柔轮3集成有数据接口，此处不限定集成的具***置，将编码器反馈机制与柔轮3做成一体化设计，可选的，耦合部5中心通孔设置为阶梯孔，阶梯孔中小直径孔为与柔轮第二部分3-3的通孔大小相同，可在阶梯孔中的大直径孔处安装传感器或接口电路，如光栅编码器等，集成数据接口可以进一步极大的利用空间缩小体积，一体化设计，提高了控制精度，同时也简化了安装。
在本发明的一个实施例中，进一步的，耦合部5包括多个子耦合部，多个子耦合部均匀的环绕在柔轮直径较小部分3-3的外周缘，此处不限定多个子耦合部的具体结构，可选的，为同样结构的半圆形，上面设置螺纹口，也可以是矩形等，相较于整圈的设计，多个子耦合部的环绕设计可以进一步减轻谐波发生器的重量，达到轻量化的目的。
本发明实施例提供了一种谐波减速器，包括如上任一项所述的柔轮，图5示出了本发明一个实施例的谐波减速器的整体结构剖视图，图6示出了本发明一个实施例的谐波减速器的整体结构示意图，如图5和6所示，该谐波减速器包括：第一钢轮1、第二钢轮2、柔轮3和波发生器4；第一钢轮1和第二钢轮2为环形结构，第一钢轮1和第二钢轮2形成一个环形容置腔，此处不限定第一钢轮1、第二钢轮2的两者间的径向关系，也不限定两者之间的轴向关系，可选的，第一钢轮1、第二钢轮2径向长度相同，第一钢轮1、第二钢轮2轴向长度也相同，第一钢轮1、第二钢轮2连接，此处不限定两者之间的连接结构，可以是交叉滚子轴承结构，图8示出了本发明中一个实施例的第一钢轮剖视图，本实施例中，如图8所示，连接结构为第一钢轮1的一端设有环形延伸的凸台1-2，此处不限定凸台1-2与第一钢轮1的整体的尺寸比关系，可选的，凸台1-2可以设置于偏向第一钢轮1的外圈的位置，也可以设置在偏向第一钢轮1内圈的位置，也可以沿着第一钢轮1截面中心线的位置延伸；凸台1-2外周壁设有第一V形环槽，此处不限定第一V形环槽与凸台1-2的位置关系，也不限定第一V形环槽的具体形状；如图5所示，第二钢轮2内环包括钢轮第一部分2-1和钢轮第二部分2-2，此处不限定钢轮第一部分2-1和钢轮第二部分2-2的尺寸比例关系，钢轮第一部分内周缘设有第二V形环槽，与第一V形环槽配合形成矩形环槽，可选的，本实施例中，钢轮第一部分2-1与凸台1-2轴向长度相同，还包括滚子6，滚子6设于第一V形环槽和第二V形环槽形成的矩形环槽内，可选的，滚子6为金属材料加工成的圆柱体结构，交叉安装在第一钢轮1和第二钢轮2组成的矩形环槽内；可选的，本实施例中，第一钢轮1设置有滚子6的进出位置，并且设置滚子挡块，安装完滚子6后，滚子挡块放置在滚子6的进出位置，与第一钢轮1固定连接，此处可以是采用安装螺钉进行连接；本实施例实现轴向和径向承载及输入钢轮和输出钢轮之间的动力传递；比传统设计减少结构件数量、降低结构厚度、减轻了轴承壁的重量，使得谐波重量更轻，结构更简单；该结构的谐波减速器的直径为钢轮的直径，结构简单、实现谐波减速器的尺寸小的目的；第一钢轮1和第二钢轮2之间通过滚子6实现连接，将第一钢轮1作为滚子轴承的外圈，第二钢轮2作为滚子轴承的内圈，于是第一钢轮1、第二钢轮2和滚子6形成了滚子轴承和钢轮一体化结构；第一钢轮1和第二钢轮2连接后组成输入钢轮或输出钢轮。
在第一钢轮1固定时，在滚子6配合下，动力通过第二钢轮2完成输出；在第二钢轮2固定时，在滚子6配合下，动力通过第一钢轮1完成输出。此处不限定第一钢轮1、第二钢轮2的材料，可选的，为金属材料，进一步，可选的，为自润滑材料；本实施例中，可选的，第一钢轮1和第二钢轮2在其上端面和外环沿圆周上均匀加工有螺纹孔，作为输入钢轮和输出钢轮的安装孔，可根据实际使用需求选择端面安装或径向安装方式，在实际使用时通过标准螺钉实现谐波减速器的固定安装。
本实施例中，第一钢轮1和第二钢轮2相互连接后，此处不限定相接后两者内外尺寸关系，可选的，连接后，两者内外尺寸相同，因为第一钢轮1、第二钢轮2位环状结构，连接后，第一钢轮1、第二钢轮2形成一个中空结构，中间形成环形容置腔，最大限度的释放了内部的空间，为在内部安装走线提供可能。图7示出了本发明一个实施例第一钢轮和第二钢轮的结构示意图，如图7所示，第一钢轮1的内周壁上设有与柔轮传动齿3-1啮合的钢轮传动齿1-1，此处不限定钢轮传动齿1-1与第一钢轮1的内周壁的径向尺寸关系，可选的，为集中在第一钢轮1的内周壁的一端，也可以是集中在第一钢轮1的内周壁的中心部分，两端留有部分空间，也可以是与第一钢轮1的内周壁的轴向长度相同，如图8所示，本实施例中，可选的，钢轮传动齿1-1与第一钢轮1的内周壁的轴向长度相同。
柔轮第一部分3-2和柔轮第二部分3-3设置于第一钢轮1和第二钢轮2的环形容置腔中，此处不限定柔轮传动齿3-1与钢轮传动齿1-1齿数关系，可选的，为柔轮传动齿3-1少钢轮传动齿1-1两个齿数，谐波减速器是通过柔轮传动齿3-1与钢轮传动齿1-1的齿差来达到减速比，齿差越小减速比越大，也不限定柔轮传动齿3-1与钢轮传动齿1-1的具体结构，可选的，两者都是渐开线齿轮，或者圆弧形齿轮；此处也不限定柔轮3的材料，可选的，柔轮3为金属材料，柔轮第一部分3-2和柔轮第二部分3-3为一体成型。
波发生器4设置于柔轮3内部，也就是设置在柔轮3的环形空腔内，可选的，设置在柔轮第一部分3-2的环形空腔内，此处不限定波发生器4的具体结构，也不限定与柔轮第一部分3-2的轴向长度关系，本实施例中，如图5所示，波发生器4包括凸轮4-1和柔性轴承4-2，凸轮4-1为金属材料加工成的环形回转体结构，外壁为椭圆结构，动力通过波发生器4输入，在外界动力输入时将动力转化为柔性轴承5的转动变形，柔轮3随之发生相应变形，柔轮3与第一钢轮1相啮合，柔轮3通过柔轮传动齿3-1将动力传输给钢轮传动齿1-1，继而实现动力的传递，第一钢轮1的钢轮传动齿1-1与柔轮3的柔轮传动齿3-1接触的高度相同，保证谐波减速器的输出扭矩。
本实施例中，第一钢轮1的钢轮传动齿1-1的数量大于柔轮传动齿3-1的数量，因为波发生器4为椭圆形结构，对于波发生器4长轴和短轴之间的轮齿，沿柔轮3和第一钢轮1周长的不同区段内处于逐渐进入啮合的半啮合状态，称为啮入，处于逐渐退出啮合的半啮合状态，称为啮出，波发生器4的连续转动，使啮入、啮合、啮出和脱开四种运动不断改变各自原来的工作状态，这种运动是由齿差带来的，也就是柔轮3和第一钢轮1形成错齿运动。
可选的，凸轮4-1外环一端加工有环形凸台，另一端加工有环形凹槽，环形凹槽安装有轴承挡圈，通过环形凸台和轴承挡圈实现柔性轴承5的轴向限位。凸轮4-1的内环加工有安装通孔，通过使用标准螺钉等连接件与外部的动力输入轴进行连接；柔性轴承4-2由内环、外环和圆珠滚子组成，在凸轮4-1带动下柔性轴承4-2的内环产生变形，继而通过圆珠滚子带动柔性轴承4-2的外环变形，最终带动与外环连接的柔轮3的变形，实现动力传递。柔轮3、柔性轴承4-2和凸轮4-1按序套装，通过凸轮4-1的凸台和轴承挡圈进行柔性轴承4-2的轴向限位，柔轮3和柔性轴承4-2紧配合。
如图5所示，该谐波减速器柔轮第二部分3-3与第二钢轮2通过耦合部5连接；此处不限定耦合部5的具体结构，此处也不限定连接方式，可选的为螺接，卡接或者焊接等，本领域技术人员能够理解，只要能达到连接的目的即可，也不限定耦合部5与第二钢轮2的尺寸关系，可选的，耦合部5外圈直径与第二钢轮2的外圈直径相同，方便两者的连接。
本实施例通过设置将第一钢轮和第二钢轮设置为环形结构，并且连接后的内外尺寸相同，使得所设计的谐波减速器的直径为钢轮的直径，比市场上同参数谐波减速器形式减小了一个轴承环的宽度，并且本实施例的谐波减速器结构更加简单、实现的尺寸可以更小；在第一钢轮的内周缘上设有钢轮传动齿与柔轮的柔轮传动齿啮合，减小了啮合的长度，简化了生产工艺，减少了制造难度，降低了制造成本，并且柔轮在其中不会窜动，增加了结构的稳定性；谐波减速器的小型化的时候，因为波发生器内的椭圆形凸轮在柔轮内旋转使柔轮产生变形，柔轮的径向长度如果过短导致柔轮在形变的过程中容易损坏，所以本实施例通过设置柔轮第一部分和第二部分，两部分直径不同，将柔轮的应力点集中的部分设置成直径较小的部分，从而提高谐波柔轮的承载力，延长柔轮的使用寿命；还设置耦合部，柔轮第二部分与第二钢轮通过耦合部连接，可以进一步的减小谐波减速器的径向长度，达到小型化的目的，有效节约空间，并且仍可保证高强度，结构简单，利于推广。
本发明实施例提供了一种机器人/机械臂，如图9所示，包括如上任一项所述的谐波减速器7。本实施例在机器人/机械臂关节处安装体积较小但承载力较强的谐波减速器，使机器人/机械臂关节整体结构较小，且在谐波减速器的内部走线，进一步节约机器人/机械臂关节空间，方便安装。
本发明实施例提供了一种机器人，图10a示出了本发明一个实施例的双臂机器人结构示意图，图10b是示出了本发明一个实施例的复合机器人结构示意图，如图10a和图10b所示，包括如上任一项所述的机械臂8,机器人整体空间较小，关节灵活，方便在较小范围内运动。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (8)

1.一种柔轮，其特征在于：所述柔轮（3）包括柔轮传动齿（3-1）、柔轮第一部分（3-2）、柔轮第二部分（3-3）和连接部（3-4），所述柔轮第一部分（3-2）的直径大于所述柔轮第二部分（3-3）的直径；所述柔轮传动齿（3-1）设置在所述柔轮第一部分（3-2）外周壁，所述柔轮第一部分（3-2）一端与柔轮第二部分（3-3）的一端通过所述连接部（3-4）连接，还包括耦合部（5），所述耦合部（5）设置在所述柔轮第二部分（3-3）另一端的外周缘，所述耦合部（5）的外圈直径大于所述柔轮第一部分（3-2）的直径，所述耦合部（5）包括多个子耦合部，多个子耦合部均匀的环绕在所述柔轮第二部分（3-3）的外周缘；
所述柔轮第一部分（3-2）、连接部（3-4）、柔轮第二部分（3-3）和耦合部（5）两两之间平滑连接；
所述柔轮（3）轴向长度、L1表示柔轮第一部分（3-2）的轴向长度，L3表示柔轮第二部分（3-3）的轴向长度；L2表示柔轮第一部分（3-2）与柔轮第二部分（3-3）直径最小部分的直径尺寸差，满足如下公式：
L=(1.0～1.25)d
L1=（0.4～0.6）d
L2=（0.1～0.3）d
其中，L表示柔轮轴向长度，包括柔轮第一部分（3-2）的轴向长度、柔轮第二部分（3-3）的轴向长度和耦合部（5）的轴向长度；L1表示柔轮第一部分（3-2）的轴向长度，d表示柔轮传动齿（3-1）的齿外圈直径长度，L2表示柔轮第一部分3-2与柔轮第二部分3-3直径最小部分的直径尺寸差；
所述柔轮的承载能力满足以下公式：
其中T表示柔轮承载力，KU表示柔轮第一部分强度系数，KV表示柔轮第二部分强度系数，d表示柔轮传动齿3-1的齿外圈直径长度，d1表示柔轮第二部分3-3的最小直径，d2表示柔轮第二部分3-3的最大直径，S1表示柔轮第一部分的壁厚，S2表示柔轮第二部分的壁厚，W表示柔轮径向变量，R1表示柔轮第二部分3-3的直径较小部分的圆弧半径；Rm表示柔轮第二部分3-3的一端直径较大部分的圆弧半径，L3表示柔轮第二部分3-3的轴向长度。
2.根据权利要求1所述的柔轮，其特征在于：所述柔轮第一部分（3-2）和连接部（3-4）设置为曲线连接时，所述柔轮轴向长度满足如下公式：
L=Rsinα+0.4d
其中，L表示柔轮轴向长度，包括柔轮第一部分（3-2）的轴向长度、柔轮第二部分（3-3）的轴向长度和耦合部（5）的轴向长度；R表示柔轮第一部分（3-2）和连接部（3-4）曲线连接时的圆弧半径；sinα是柔轮轴向长度系数；d表示柔轮传动齿齿外圈的直径长度。
3.根据权利要求1所述的柔轮，其特征在于：所述柔轮第二部分（3-3）设置为两端直径较大，中间直径较小的结构时，所述柔轮第二部分（3-3）的直径较小部分的圆弧半径满足如下公式：
R1=Rm+R(1-cosα)
其中，R1表示柔轮第二部分（3-3）的直径较小部分的圆弧半径；Rm表示柔轮第二部分（3-3）的一端直径较大部分的圆弧半径；R表示柔轮第一部分（3-2）和连接部（3-4）曲线连接时的圆弧半径；sinα是柔轮轴向长度系数,cosα表示。
4.根据权利要求1所述的柔轮，其特征在于：所述柔轮（3）集成有数据接口。
5.一种谐波减速器，其特征在于，包括如权利要求1-4任意一项权利要求所述的柔轮，还包括第一钢轮（1）、第二钢轮（2）和波发生器（4）；
所述第一钢轮（1）和第二钢轮（2）为环形结构，所述第一钢轮（1）与第二钢轮（2）连接，所述第一钢轮（1）的内周壁上设有钢轮传动齿（1-1）；
所述柔轮第一部分（3-2）和柔轮第二部分（3-3）均设置于所述第一钢轮（1）和第二钢轮（2）的环形容置腔中，在所述第一钢轮（1）内周壁设置有与柔轮传动齿（3-1）啮合的钢轮传动齿（1-1）；
所述第二钢轮（2）与所述柔轮第二部分（3-3）通过所述耦合部（5）连接；
所述波发生器（4）包括凸轮（4-1）和柔性轴承（4-2），所述凸轮（4-1）、柔性轴承（4-2）和柔轮（3）依次嵌套。
6.根据权利要求5所述的谐波减速器，其特征在于，所述第一钢轮（1）的一端设有环形延伸的凸台（1-2），所述凸台（1-2）外周壁设有第一V形环槽；所述第二钢轮（2）内环设置有钢轮第一部分（2-1）和钢轮第二部分（2-2），所述钢轮第一部分（2-1）的内径大于所述钢轮第二部分（2-2）的内径；所述第二钢轮的钢轮第一部分（2-1）内周壁设有第二V形环槽，与所述第一V形环槽配合形成矩形环槽；还包括滚子（6），所述滚子（6）设于所述矩形环槽内。
7.一种机械臂，其特征在于：包括如权利要求5-6任意一项权利要求所述的谐波减速器。
8.一种机器人，其特征在于：包括如权利要求7所述的机械臂。
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