TWI704304B

TWI704304B - 諧波齒輪裝置及致動器

Info

Publication number: TWI704304B
Application number: TW105142507A
Authority: TW
Inventors: 金山尚樹
Original assignee: 日商和諧驅動系統股份有限公司
Priority date: 2016-02-02
Filing date: 2016-12-21
Publication date: 2020-09-11
Also published as: EP3412930B1; CN108496026B; TW201736754A; CN108496026A; WO2017134749A1; JPWO2017134749A1; US10865866B2; US20190017585A1; KR20180091086A; EP3412930A1; JP6526841B2; EP3412930A4; KR101998641B1

Abstract

一種諧波齒輪裝置(3)係具有：諧波產生器(8)，該諧波產生器(8)係用來使外齒齒輪(7)之周方向的各部分，產生朝向半徑方向反覆彎折的諧波運動。諧波產生器(8)係具備：複數個諧波產生構件(16(1)~16(3))，該複數個諧波產生構件(16(1)~16(3))係沿著外齒齒輪(7)的周方向，配置在預定之角度間隔的位置。諧波產生構件係分別具有外周凸輪面(16a)，以與裝置中心軸線(1a)平行的旋轉中心線(4b)為中心旋轉，依預定的振幅，將外齒齒輪(7)的各部分朝向半徑方向反覆彎折。而可獲得適合於形成較大裝置中空部(5)的諧波齒輪裝置(3)。

Description

諧波齒輪裝置及致動器

本發明係關於一種具備諧波產生器的諧波齒輪裝置、以及具備該諧波齒輪裝置的致動器，該諧波產生器係適於實現中空致動器。

一種具有電動機以及諧波齒輪裝置的中空致動器係廣為人知。在專利文獻1中所揭示的中空致動器，係使用：具備禮帽型之外齒齒輪的諧波齒輪裝置。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]國際公開第2012/157020號

在使用諧波齒輪裝置的中空致動器中，諧波產生器係位在其中心側。藉由諧波產生器之中心貫通孔的內徑，來限制中空致動器之裝置中空部的內徑。一般而言，諧波產生器係具備：剛性凸輪板；以及安裝在其外周面的諧波產生器軸承，在剛性凸輪板係形成有貫通孔。在不增加諧波產生器的外徑，但要加大中空徑時，就必須在剛性凸輪板設置大徑的貫通孔，所以，必須使該剛性凸輪板之半徑方向的厚度變薄。此外，也必須將安裝在剛性凸輪板之外周面的諧波產生器軸承設定得較薄。但是，諧波產生器之構成零件的薄化有限，有時會無法形成目標尺寸的裝置中空部。

本發明鑑於此點，其目的即為提供一種：具有諧波產生器的諧波齒輪裝置、以及使用該諧波齒輪裝置的致動器，該諧波產生器係適用於實現較大中空徑的致動器。

為了解決上述課題，本發明的諧波齒輪裝置，其特徵為：具有：剛性的內齒齒輪；被彎折成非圓形，局部嚙合於上述內齒齒輪的可撓性外齒齒輪；以及諧波產生器，該諧波產生器係用來使上述外齒齒輪之周方向的各部分，產生朝向半徑方向反覆彎折的諧波運動，以使得上述外齒齒輪之局部嚙合於上述內齒齒輪的嚙合位置，朝向上述內齒齒輪的圓周方向移動，上述諧波產生器，係具備：複數個諧波產生構件，該複數個諧波產生構件係沿著上述外齒齒輪的周方向，配置在預定之角度間隔的位置，上述諧波產生構件係具備：外周凸輪面，當以與上述外齒齒輪之中心軸線平行的旋轉中心線為中心旋轉時，依預定的振幅，將與上述半徑方向對向之上述外齒齒輪的局部，朝向上述半徑方向反覆彎折。本發明之諧波齒輪裝置的諧波產生器，係由：沿著外齒齒輪之周方向配置的複數個諧波產生構件所構成。以往的諧波產生器，係在諧波齒輪裝置的中心部分，以與外齒齒輪呈同心狀態配置有1個或複數個剛性凸輪板等的諧波產生構件，該剛性凸輪板係呈橢圓形輪廓等的非圓形輪廓。在設有貫穿裝置中心部分的裝置中空部時，裝置中空部係形成貫穿諧波產生器的構成零件而延伸的狀態。在本發明中，構成諧波產生器的諧波產生構件，係配置在外齒齒輪的周方向上。又，諧波產生構件只要是可微幅地將對向之外齒齒輪的部位，朝向半徑方向彎折即可，所以，和以往的剛性凸輪板等的諧波產生構件相比，為小徑即可。

如此，即不必在裝置中心部分配置諧波產生器的構成零件，且因為配置在外齒齒輪之周方向的各諧波產生構件的尺寸較小，所以，可在裝置中心部分設置較大直徑的裝置中空部。

在本發明中，係可藉由各個諧波產生構件，將外齒齒輪從外周側按壓，彎折成非圓形。此外，也可以從內周側按壓，將外齒齒輪彎折成非圓形。因此，只要讓諧波產生構件的外周凸輪面，對向或者接觸於以下的至少其中一方即可：外齒齒輪之外齒形成部分的內周面部分；及外齒齒輪中，在中心軸線的方向上鄰接於外齒形成部分的外周面部分。

例如：在使用具有相同形狀之外周凸輪面的諧波產生構件時，諧波產生構件分別配置成：諧波產生構件的旋轉中心線，分別以等角度的間隔，位在以外齒齒輪之中心軸線為中心的同一圓上。

藉由使各個諧波產生構件，在保持預定相位差的狀態下同步旋轉，即可使外齒齒輪產生諧波運動。

例如：可使用具有偏心旋轉之正圓形外周凸輪面的構件，來作為諧波產生構件。亦即，可使諧波產生構件的外周凸輪面，是對旋轉中心線形成為偏心的圓形外周面。

接下來，本發明的致動器，其特徵為：具有：上述構成的諧波齒輪裝置；以及1台或複數台的電動機，該電動機係使諧波齒輪裝置的諧波產生構件，分別在旋轉中心線周圍旋轉。

此時，可用1台電動機旋轉驅動複數個諧波產生構件。此外，也可以用複數台的電動機旋轉驅動複數個諧波產生構件。例如：可用一對一的方式，將電動機連結在各個諧波產生構件。

在各個諧波產生構件分別配置有電動機的情況下，例如：將諧波產生器與電動機同軸地連結。亦即，諧波產生構件分別配置成：諧波產生構件的旋轉中心線，分別以等角度的間隔，位在以外齒齒輪的中心軸線作為中心的同一圓上，電動機則是以電動機中心線與旋轉中心線一致的方式，被配置在諧波產生構件。

在此情況下，可在諧波齒輪裝置形成貫穿中心軸線方向而延伸的裝置中空部，並將諧波產生構件以及電動機，配置成包圍裝置中空部的狀態。

如此一來，和在裝置中心部分配置諧波產生構件的情形相較，更有利於實現具備較大中空徑的致動器。

1‧‧‧中空致動器

1a‧‧‧裝置中心軸線

2‧‧‧裝置外殼

3‧‧‧諧波齒輪裝置

4‧‧‧電動機

4a‧‧‧電動機軸

4b‧‧‧旋轉中心線

5‧‧‧裝置中空部

6‧‧‧內齒齒輪

7‧‧‧外齒齒輪

8‧‧‧諧波產生器

9‧‧‧主軸承

9a‧‧‧內輪

9b‧‧‧外輪

11‧‧‧圓筒狀本體部

12‧‧‧膜片

13‧‧‧輪轂

14‧‧‧外齒

15‧‧‧內齒

16‧‧‧諧波產生構件

16a‧‧‧外周凸輪面

17‧‧‧外側外殼

17a‧‧‧圓筒狀外殼部分

17b‧‧‧端面外殼部分

18‧‧‧內側外殼

20‧‧‧中空致動器

20a‧‧‧裝置中心軸線

22‧‧‧裝置外殼

23‧‧‧諧波齒輪裝置

24‧‧‧電動機

24a‧‧‧電動機軸

24b‧‧‧旋轉中心線

25‧‧‧裝置中空部

26‧‧‧內齒齒輪

27‧‧‧外齒齒輪

28‧‧‧諧波產生器

29‧‧‧主軸承

29a‧‧‧內輪

29b‧‧‧外輪

31‧‧‧圓筒狀本體部

32‧‧‧膜片

33‧‧‧輪轂

34‧‧‧外齒

35‧‧‧內齒

36‧‧‧諧波產生構件

36a‧‧‧外周凸輪面

37‧‧‧外側外殼

37a‧‧‧圓筒狀外殼部分

37b‧‧‧端面外殼部分

38‧‧‧內側外殼

[圖1]A~C係顯示適用本發明之中空致動器之一例的立體圖、側面圖以及端面圖。

[圖2]A、B係為圖1之中空致動器的半立體圖、以及縱剖面圖。

[圖3]A~D係顯示圖1之中空致動器的諧波齒輪裝置的立體圖、端面圖、側面圖、以及縱剖面圖。

[圖4]係顯示外齒齒輪被諧波產生構件彎折之彎折狀態的說明圖。

[圖5]A~C係顯示適用本發明之中空致動器之其他例的立體圖、側面圖、以及端面圖。

[圖6]A、B係圖5之中空致動器的半立體圖、以及縱剖面圖。

[圖7]A~D係顯示圖5之中空致動器的諧波齒輪裝置的立體圖、端面圖、側面圖、以及縱剖面圖。

(實施形態1)

圖1(A)係顯示適用本發明之實施形態1的中空致動器的立體圖，圖1(B)為其側面圖，圖1(C)為其端面圖。圖2(A)係顯示以包含該中心軸線的平面來切斷中空致動器之狀態的半立體圖，圖2(B)為其縱剖面圖。圖3(A)係顯示被組入中空致動器之諧波齒輪裝置的立體圖，圖3(B)為其端面圖，圖3(C)為其側面圖，圖3(D)為其縱剖面圖。

中空致動器1係具備：呈圓筒狀的裝置外殼2；安裝在裝置外殼2的禮帽型諧波齒輪裝置3；以及安裝在裝置外殼2的複數台，在本例中為3台的電動機4(1)~4(3)。在中空致動器1的中心部分，係形成有：貫穿裝置中心軸線1a方向而延伸之圓形剖面的裝置中空部5。

電動機4(1)~4(3)，例如是在以裝置中心軸線1a為中心的同一圓上，以120度的角度間隔來配置。各個電動機4(1)~4(3)，係以其各自之電動機軸4a的旋轉中心線4b，係以與裝置中心軸線1a平行的方式，被安裝在裝置外殼2。

從圖3即可得知，諧波齒輪裝置3係具備：呈圓環形的剛性內齒齒輪6；呈禮帽型的可撓性外齒齒輪7；以及具有諧波產生構件16(1)~16(3)的諧波產生器8。內齒齒輪6係同軸地被固定在裝置外殼2的內周部。外齒齒輪7係透過主軸承9，在本例中是透過交叉滾子軸承，被裝置外殼2支撐成可自由旋轉的狀態。

諧波齒輪裝置3的外齒齒輪7，係被構成諧波產生器8的諧波產生構件16(1)~16(3)彎折成非圓形，局部嚙合於內齒齒輪6。在本例中，外齒齒輪7係被彎折成橢圓形，並在橢圓形的長軸兩端的位置嚙合於內齒齒輪6。此外，諧波產生器8的諧波產生構件16(1)~16(3)係分別受電動機4(1)~4(3)的旋轉驅動。當諧波產生構件16(1)~16(3)受旋轉驅動時，外齒齒輪7之局部嚙合於內齒齒輪6的嚙合位置，就會朝向內齒齒輪6的圓周方向移動般，產生使外齒齒輪7之周方向的各部分朝向半徑方向反覆彎折的諧波運動。

如圖3(D)即可得知，外齒齒輪7係具備：可朝向半徑方向彎折的圓筒狀本體部11；從圓筒狀本體部11之一側的端部，朝向半徑方向外側延伸的圓盤狀膜片12；連接形成於膜片12之外周緣而形成的圓環狀剛性輪轂13；以及形成於圓筒狀本體部11之另一側端部的外周面部分的外齒14。圓筒狀本體部11之形成有外齒14的外齒形成部分，係以同軸狀態配置在內齒齒輪6的內側，外齒14係與內齒齒輪6的內齒15對向。從圖2即可得知，輪轂13係被固定在主軸承9之內輪9a的端面，主軸承9的外輪9b則是固定在裝置外殼2的端面。

構成諧波產生器8的諧波產生構件16(1)~16(3)，係沿著外齒齒輪7的周方向，配置在等角度間隔的位置。諧波產生構件16(1)~16(3)，例如是作為外周凸輪面16a，為具有圓形外周面的偏心凸輪，以僅偏心固定量的狀態，被固定在3台電動機4(1)~4(3)的電動機軸4a。亦即，圓形的外周凸輪面16a，是對電動機4(1)~4(3)的旋轉中心線4b形成以僅偏心固定量之位置為中心的正圓。偏心量係對應於外齒齒輪7之各部分所須要的半徑方向彎折量。

在此，從圖3即可得知，本例的諧波產生構件16(1)~16(3)係配置在外齒齒輪7之圓筒狀本體部11的外周側。此外，諧波產生構件16(1)~16(3)的外周凸輪面16a，係接觸到圓筒狀本體部11的外周面部分(膜片12側的外周面部分)，該外周面部分係在外齒齒輪7之中心軸線(裝置中心軸線1a)的方向上，鄰接於外齒齒輪7的外齒形成部分。

再者，從圖2即可得知，電動機4(1)~4(3)係配置在：被外側外殼17、以及內側外殼18所包圍之圓環狀的空間內。外側外殼17係安裝在裝置外殼2，具備：圓筒狀外殼部分17a、以及圓環狀的端面外殼部分17b。內側外殼18係決定裝置中空部5，同軸地安裝在外側外殼17。

在此構成的中空致動器1中，電動機4(1)~4(3)係被無圖示的控制單元所同步驅動，使諧波產生器8的各諧波產生構件16(1)~16(3)偏心旋轉。諧波產生構件16(1)~16(3)的外周凸輪面16a，係接觸到外齒齒輪7之圓筒狀本體部11的外周面部分。隨著旋轉，外齒齒輪7之局部嚙合於內齒齒輪6的嚙合位置，即朝向內齒齒輪6的圓周方向移動般，產生使外齒齒輪7之周方向的各部分朝向半徑方向反覆彎折的諧波運動。

圖4係顯示被諧波產生器8的各諧波產生構件16(1)~16(3)彎折成橢圓形之外齒齒輪7的說明圖。在該圖中，如單點鎖線所示般，外齒齒輪7之外齒形成部分的初期形狀係呈正圓的狀態。外齒齒輪7的外齒形成部分係被3個諧波產生構件16(1)~16(3)彎折成：例如在圖中是以(0度)的旋轉狀態所示般，其長軸是朝向上下方向延伸的橢圓形。

從這個狀態，在使橢圓形在裝置中心軸線1a周圍旋轉時，可使各個諧波產生構件16(1)~16(3)旋轉，以使各個諧波產生構件16(1)~16(3)外接於各旋轉位置的橢圓形。換言之，藉由以旋轉中心線4b為中心，取得預定的同步，使諧波產生構件16(1)~16(3)偏心旋轉，即可使外齒齒輪7之局部嚙合於內齒齒輪6的嚙合位置(橢圓形的長軸兩端部分)，朝向內齒齒輪6的圓周方向移動般，使外齒齒輪7之周方向的各部分產生朝向半徑方向反覆彎折的諧波運動。

在此，諧波產生器8係具有3個諧波產生構件16(1)~16(3)。諧波產生構件的數量不受限於3個。也可以為4個以上的個數。

又，本例的諧波產生構件16(1)~16(3)係具有圓形的外周凸輪面16a，對各個電動機4(1)~4(3)的旋轉中心線4b偏心旋轉。諧波產生構件16(1)~16(3)也並非限定為偏心凸輪。例如：也可以是使橢圓形輪廓等的凸輪板以旋轉中心線4b為中心旋轉，使外齒齒輪7產生諧波運動。也可以使用橢圓形輪廓以外之各種輪廓的外周凸輪面。

甚至，本例的諧波產生構件16(1)~16(3)係由：圓形輪廓的凸輪板所構成。除此之外，諧波產生構件也可以是具有滾軸的構成。又，凸輪板雖是直接接觸到外齒齒輪的外周面部分，但是，也可以在凸輪板的外周面安裝滾軸、或軸承等，透過這些，藉由諧波產生構件來按壓外齒齒輪的外周面部分。

另一方面，針對電動機4(1)~4(3)，也可以在各個電動機搭載編碼器，分別予以驅動。編碼器也可以僅搭載在1台的電動機上，使其他的電動機同步驅動。此外，也可以在各個電動機上搭載制動用的制動器。

(實施形態2)

圖5~圖7係顯示適用本發明之實施形態2的中空致動器。圖5(A)為適用本發明之實施形態1的中空致動器的立體圖，圖5(B)為其側面圖，圖5(C)為其端面圖。圖6(A)係顯示以包含該裝置中心軸線的平面來切斷中空致動器之狀態的半立體圖，圖6(B)為其縱剖面圖。圖7(A)係顯示被組入中空致動器之諧波齒輪裝置的立體圖，圖7(B)為其端面圖，圖7(C)為其側面圖，圖7(D)為其縱剖面圖。

實施形態2之中空致動器20的基本構成，雖然是同於圖1的中空致動器1，但是，不同點有：將諧波產生器的諧波產生構件配置在外齒齒輪之外齒形成部分的內周側、以及配置有5個諧波產生構件。

中空致動器20係具備：呈圓筒狀的裝置外殼22；安裝在裝置外殼22之禮帽型的諧波齒輪裝置23；以及5台安裝在裝置外殼22的電動機24(1)~24(5)。在中空致動器20的中心部分，係形成有貫穿裝置中心軸線20a的方向而延伸之圓形剖面的裝置中空部25。

從圖7即可得知，在本例中，電動機24(1)~24(5)係以裝置中心軸線20a為中心，以72度的角度間隔配置在同一圓上。此外，各電動機24(1)~24(5)係以其電動機軸24a的旋轉中心線24b與裝置中心軸線20a平行的方式，被安裝在裝置外殼22。

如圖6、圖7所示，諧波齒輪裝置23係具備：呈圓環狀的剛性內齒齒輪26；呈禮帽型的可撓性外齒齒輪27；以及具有5個諧波產生構件36(1)~36(5)的諧波產生器28。內齒齒輪26係同軸地固定在裝置外殼22的內周部。外齒齒輪27係透過主軸承29，在本例中是透過交叉滾子軸承，以可自由旋轉的狀態被裝置外殼22所支撐。

諧波齒輪裝置23的外齒齒輪27，係被構成諧波產生器28的5個諧波產生構件36(1)~36(5)彎折成非圓形，而局部嚙合於內齒齒輪26。在本例中，外齒齒輪27係被彎折成橢圓形，在橢圓形之長軸兩端的位置嚙合於內齒齒輪26。此外，當諧波產生器28的諧波產生構件36(1)~36(5)受電動機24(1)~24(5)旋轉驅動時，外齒齒輪27之局部嚙合於內齒齒輪26的嚙合位置，會朝向內齒齒輪26的圓周方向移動般，使外齒齒輪27之周方向的各部分產生朝向半徑方向反覆彎折的諧波運動。

從圖6(B)、圖7(D)即可得知，外齒齒輪27係具備：可朝向半徑方向彎折的圓筒狀本體部31；從圓筒狀本體部31之一側的端部朝向半徑方向外側延伸的圓盤狀膜片32；連接於膜片32之外周緣而形成的圓環狀剛性的輪轂33；以及形成在圓筒狀本體部31之另一側端部之外周面部分的外齒34。圓筒狀本體部31之形成有外齒34的外齒形成部分，係以同軸狀態配置在內齒齒輪26的內側，外齒34係與內齒齒輪26的內齒35對向。輪轂33係被固定在主軸承29之內輪29a的端面，主軸承29的外輪29b則是被固定在裝置外殼22的端面。

諧波產生器28的諧波產生構件36(1)~ 36(5)，係沿著外齒齒輪27的周方向，被配置在等角度間隔的位置。諧波產生構件36(1)~36(5)，例如是作為外周凸輪面36a，為具備圓形外周面的偏心凸輪，分別以僅偏心固定量的狀態，被固定在5台電動機24(1)~24(5)的電動機軸24a。亦即，圓形的外周凸輪面36a，是對電動機24(1)~24(5)的旋轉中心線24b，形成以僅偏心固定量之位置為中心的正圓。偏心量係對應於外齒齒輪27之各部分所須要的半徑方向彎折量。

在此，本例的諧波產生構件36(1)~36(5)，係配置在外齒齒輪27之圓筒狀本體部31的內周側。亦即，諧波產生構件36(1)~36(5)的外周凸輪面36a，係接觸到外齒齒輪27之外齒形成部分的內周面部分。

從圖6即可得知，電動機24(1)~24(5)係配置在：被外側外殼37、以及內側外殼38所包圍的圓環狀的空間內。外側外殼37係安裝在裝置外殼22，具有：圓筒狀外殼部分37a、以及圓環狀的端面外殼部分37b。內側外殼38係決定裝置中空部25，同軸地安裝在外側外殼37。

即使是在這種構成的中空致動器20，電動機24(1)~24(5)仍被無圖示的控制單元同步驅動，使諧波產生器28的各諧波產生構件36(1)~36(5)偏心旋轉。諧波產生構件36(1)~36(5)的外周凸輪面36a，係接觸到外齒齒輪27的內周面部分，隨著旋轉，外齒齒輪27之局部嚙合於內齒齒輪26的嚙合位置，就會朝向內齒齒輪26的圓周方向移動般，使外齒齒輪27之周方向的各部分產生朝向半徑方向反覆彎折的諧波運動。