CN111425580B - 一种谐波减速器及驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种谐波减速器，包括波发生器组件，定轮，柔轮和输出组件，所述柔轮呈圆筒状并能在外力作用下产生弹性变形，所述柔轮包括摩擦环部，所述柔轮被所述波发生器组件挤压变形为椭圆状柔轮，所述椭圆状柔轮的长轴两个端点处，所述椭圆状柔轮与所述定轮不接触；所述椭圆状柔轮的短轴两个端点处，所述椭圆状柔轮与所述定轮接触。本发明提供的谐波减速器，由于通过摩擦驱动原理进行无齿谐波减速，可实现很高的减速比，大幅度提高了谐波减速器的传动效率。本发明还提供一种驱动器，可采用各种电机与无齿谐波减速器直接连接，体积小，重量轻，更适宜应用于服务机器人领域。

Description

一种谐波减速器及驱动器

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种谐波减速器及驱动器。

背景技术

目前，机器人关键的关节部位均是采用谐波减速器，谐波减速器相比其它减速器，在相同速比和相同负载下，其传动平稳、精度最高，结构体积小，机构重量轻，广泛应用于机器人、数控机床、半导体设备等精密行业。

现有技术中的谐波减速器一般包括刚轮、柔轮及包含柔性轴承的波发生器等零部件。扭矩输出都是通过薄壁可变形柔轮进行传递；柔轮通常为杯型或者礼帽型，柔轮薄壁且存在呈接近90度直角部分。该种结构的柔轮对钢材性能要求较高，需要保证弹性要求的同时又要保证其硬度，一般采用进口的合金钢材，对加工精度要求比较高。由于其材料特殊，生产工艺要求高，因此其成本和价格远高于其他类型的减速器。谐波减速器制造工艺复杂导致其成本居高不下，成为机器人普及应用的障碍之一。同时传统谐波减速器均是通过柔轮与定轮之间的齿啮合的方式进行有齿谐波传动，传动效率很低。

同时，市场上也不存在小微型低成本的谐波减速器，传统谐波减速器尺寸较大和成本较高，对于一些较小的桌面型机器人并不适用。

发明内容

为了至少解决上述技术问题之一，本发明的目的在于提供一种传动平稳可靠、效率和精度高及成本低的谐波减速器及驱动器。同时该谐波减速器及驱动器制造简单、成本较低、便于大规模生产应用。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种谐波减速器，包括波发生器组件，定轮，柔轮和输出组件，所述柔轮设置在所述波发生器组件和定轮之间，所述波发生器组件与动力输入源连接，所述输出组件与所述柔轮连接；所述柔轮呈圆筒状并能在外力作用下产生弹性变形，所述柔轮包括摩擦环部，所述柔轮被所述波发生器组件挤压变形为椭圆状柔轮，所述椭圆状柔轮的长轴两个端点处，所述椭圆状柔轮与所述定轮不接触；所述椭圆状柔轮的短轴两个端点处，所述椭圆状柔轮与所述定轮接触。

进一步地，所述摩擦环部设置在所述柔轮的一端外侧，所述摩擦环部设置有第一摩擦斜面，所述定轮上设置有第二摩擦斜面，所述接触为第一摩擦斜面和第二摩擦斜面接触。

进一步地，所述第一摩擦斜面设置有两个，并对称设置在所述摩擦环部的两端，两个所述第一摩擦斜面之间形成第一摩擦啮合角。

进一步地，所述定轮呈环状，所述第二摩擦斜面设置在所述定轮的一侧；所述定轮设置有两个，两个所述定轮对称间隔设置，所述摩擦环部设置在两个所述定轮之间；两个所述定轮之间的第二摩擦斜面形成第二摩擦啮合角。

进一步地，所述第一摩擦啮合角的角度为1°~89°；所述第二摩擦啮合角的角度与所述第一摩擦啮合角的角度相同。

进一步地，在所述摩擦环部上设置有凹槽，所述凹槽位于两个所述第一摩擦斜面之间，所述凹槽中设置有环箍。

进一步地，还包括壳体组件和定位环，所述壳体组件包括壳体与底壳；所述壳体为杯状结构，所述壳体与底壳分别通过螺钉安装在所述定位环的两端；所述定位环的内壁设置有两个定位台；两个所述定轮通过所述定位台分别与所述底壳和壳体连接。

进一步地，在所述定轮上与所述第二摩擦斜面相对的一侧设置有定位部，两个所述定轮通过所述定位部分别与所述底壳和壳体连接。

进一步地，所述输出组件包括轴承和输出轴；所述输出轴包括第一环部，基体部和轴部；所述第一环部设置在所述基体部外侧，在所述第一环部和所述基体部之间形成环腔，在所述第一环部的内侧设置有内齿；所述轴部设置在所述基体部的另一端，所述轴部通过所述轴承旋转支撑在所述壳体上，并伸出所述壳体；所述轴部的末端设置有连接块和连接孔。

进一步地，在所述柔轮上与所述摩擦环部相对的一端外侧设置有外齿；所述柔轮具有外齿的一端插入所述环腔内，所述外齿与所述内齿啮合。

进一步地，所述波发生器组件包括支撑架、转轴和滚轮；所述支撑架的中心部位设置有电机轴孔，所述滚轮分别通过转轴支撑设置在所述支撑架的两端；所述转轴与所述支撑架过盈配合固定。

本发明还提供一种驱动器，包括电机和上述的谐波减速器，所述谐波减速器安装在所述电机的输出端，所述波发生器组件与所述电机的输出轴固连。

本发明提供的谐波减速器及驱动器与现有技术相比，有益效果在于：本发明提供的谐波减速器，由于通过摩擦驱动原理进行无齿谐波减速，可通过调整柔轮，波发生器组件和定轮的设计尺寸来实现很高的减速比；同时摩擦驱动的无齿谐波减速，克服了传统有齿谐波减速中柔轮齿变形而导致传动效率低的缺点，大幅度提高了谐波减速器的传动效率；另由于本发明中谐波减速器的输入轴与输出轴是同方向转动，也提高了谐波传动效率。

本发明的驱动器，可采用各种电机与无齿谐波减速器直接连接；同时由于采用无齿谐波的减速器，体积相对传统驱动器体积大幅减小，更适宜服务领域的机器人应用，如教学，科研和培训等。

总之，本发明提出了一种传动平稳可靠、效率和精度高及成本低的谐波减速器及驱动器，其在机器人领域中具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明带谐波减速器的驱动器的整体结构示意图；

图2是本发明带谐波减速器的驱动器的爆炸示意图；

图3是本发明驱动器一个视角的内部结构示意图；

图4是本发明驱动器另一个视角的内部结构示意图；

图5是本发明谐波减速器一个视角的部分结构示意图；

图6是本发明谐波减速器另一个视角的部分结构示意图；

图7是本发明谐波减速器的部分内部结构示意图；

图8是本发明中输出轴一个视角的结构示意图；

图9是本发明中输出轴另一个视角的结构示意图；

图10是本发明中柔轮一个视角的结构示意图；

图11是本发明中柔轮另一个视角的结构示意图；

图12是本发明中柔轮又一个视角的结构示意图；

图13是本发明中定轮的结构示意图；

图14是本发明中定位环的结构示意图。

其中，附图标记说明如下：

1电机，2底壳，3壳体，4定位环，4-1定位台，5输出轴，5-1第一环部，5-2内齿，5-3基体部，5-4轴部，5-5连接块，5-6连接孔，6波发生器组件，6-1支撑架，6-2转轴，6-3滚轮，7定轮，7-1第二摩擦斜面，7-2定位部，8柔轮，8-1外齿，8-2摩擦环部，8-20第一摩擦斜面，9环箍，10第一轴承。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。请注意，下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下，将通过具体实施例对本发明的谐波减速器及驱动器分别作详细说明：如图1-4所示，本实施例所述的驱动器包括电机1和谐波减速器。

本实施例提供的谐波减速器包括：壳体组件，定位环4，输出轴5，波发生器组件6，定轮7，柔轮8和第一轴承10等零部件。所述壳体组件包括底壳2和壳体3，所述底壳2上设置有与电机1适配安装的定位孔，方便装配；底壳2还通过螺钉安装在电机1的输出端面上。壳体3为杯状结构，壳体3与底壳2分别通过螺钉安装在定位环4的两端，从而形成谐波减速器的内部安装空间。

在所述内部安装空间内设置有所述输出轴5，波发生器组件6，定轮7，柔轮8和第一轴承10等零部件。所述波发生器组件6包括支撑架6-1、转轴6-2和滚轮6-3；支撑架6-1的中心部位设置有电机轴孔，支撑架6-1通过所述电机轴孔与电机1的输出轴连接。优选地，所述支撑架6-1上设置有顶丝孔，支撑架6-1通过顶丝固定在电机的输出轴上。

如图5-7所示，滚轮6-3分别通过转轴6-2支撑设置在支撑架6-1的两端，并随所述支撑架6-1转动。优选地，所述滚轮为标准轴承，转轴6-2通过与支撑架6-1上的安装孔过盈配合固定。本实施例提供的波发生器组件6相比其它谐波减速器，省去了成本高和加工难的柔性轴承，大大降低了成本；更加适合桌面型机械臂的使用。

两个定轮7通过定位环4分别与底壳2和壳体3连接。柔轮8整体呈圆筒状，所述柔轮8可在外力作用下产生弹性变形。柔轮8一端的内侧通过波发生器组件6挤压发生变形形成椭圆状，并抵接在所述定轮7上。

如图8-14所示，输出轴5包括第一环部5-1，基体部5-3和轴部5-4。第一环部5-1设置在基体部5-3外侧，所述第一环部5-1和基体部5-3之间形成环腔，第一环部5-1的内侧设置有内齿5-2。轴部5-4设置在基体部5-3的另一端，轴部5-4通过第一轴承10旋转支撑在所述壳体3上，并伸出所述壳体3。所述轴部5-4的末端设置有连接块5-5和连接孔5-6，便于输出连接。

柔轮8的一端外侧设置有外齿8-1，外齿8-1与内齿5-2的齿形相同。所述外齿8-1插入输出轴5的第一环部5-1和基体部5-3之间的环腔内，并与所述内齿5-2啮合，所述外齿8-1的长度大于等于所述内齿5-2的长度。优选地所述外齿8-1的长度为所述柔轮8长度的一半。柔轮8的另一端设置有摩擦环部8-2。所述摩擦环部8-2的两侧对称设置有第一摩擦斜面8-20，两个第一摩擦斜面8-20之间形成第一摩擦啮合角，第一摩擦啮合角可根据实际工况设置为1°~89°中任一角度值。

定轮7整体呈环状，定轮7的两侧分别设置有第二摩擦斜面7-1和定位部7-2，所述第二摩擦斜面7-1与所述第一摩擦斜面8-20形状适配设置。定位环4两个端面设置有连接螺纹孔，在定位环4的内壁设置有两个定位台4-1，两个定位台4-1分别将两个定轮7进行定位。两个定轮7在谐波减速器中对称布置，两个定轮7的定位部7-2分别与底壳2和壳体3连接。两个定轮7通过定位台4-1间隔布置形成摩擦腔，两个第二摩擦斜面7-1之间形成第二摩擦啮合角。柔轮8的摩擦环部8-2设置在所述摩擦腔中，第二摩擦啮合角与第一摩擦啮合角的角度值相同。在不受外力状态下，柔轮8与定轮7同轴布置时，柔轮8与定轮7不接触，第一摩擦斜面8-20与第二摩擦斜面7-1之间存在一定间隙。当装入波发生器组件6后，柔轮8由于受波发生器组件6挤压变形为椭圆状，椭圆状的柔轮8的长轴两个端点的第一摩擦斜面8-20与第二摩擦斜面7-1之间的间隙变大；椭圆状的柔轮8的短轴两个端点第一摩擦斜面8-20与第二摩擦斜面7-1之间接触，产生摩擦；当波发生器组件6转动时，椭圆状的柔轮8的长轴两个端点及短轴两个端点跟随波发生器组件6进行相应变化，即柔轮8与定轮7之间的摩擦位置跟随波发生器组件6转动，从而实现柔轮8相对定轮7产生移动。柔轮8的第一摩擦斜面8-20处的节径为D，定轮7的第二摩擦斜面7-1处的节径为d，柔轮8每转一圈，可以在定轮7上移动的长度为，则谐波减速器的减速比为。具体地，当D为50mm，d为49.5mm时，则谐波减速器的减速比为。

本发明提供的一种谐波减速器及驱动器，其工作原理在于：当电机1的输出轴转动时，带动波发生器组件6转动，波发生器组件6两侧的滚轮6-3抵接在柔轮8一端的内壁，使柔轮8发生椭圆状变形，椭圆状的柔轮8的短轴两个端点处的第一摩擦斜面8-20与第二摩擦斜面7-1之间接触，产生摩擦啮合；随着波发生器组件6的转动，柔轮8的摩擦环部8-2与定轮7之间的接触点不断改变位置，从而使柔轮8相对定轮7产生相对运动，即柔轮8实现转动，转动的方向与波发生器组件6的方向相同。由于柔轮8的另一端通过齿与输出轴5啮合为一体，柔轮8带轮输出轴5实现同方向和同转速的转动。

柔轮相对波发生器组件6产生的减速比值为第一摩擦斜面8-20处节径D与第一摩擦斜面8-20处的节径D和第二摩擦斜面7-1处的节径为d之差的比值。本实施例中柔轮与定轮之间并不是通过传统谐波减速器通过齿啮合的方式进行传动，而是通过柔轮与定轮之间的摩擦实现减速传动，即通过无齿谐波的减速方式实现输出轴相对电机轴的减速。

本实施例提供的驱动器，电机轴直接作为谐波减速器的输入轴，相比传统谐波减速器减少了中间传动件，电机和减速器采用一体化设计，降低成本的同时减小了设备重量和体积，更适合小型机器人（如桌面型机器人）微小机电系统应用。

在本发明的另一个实施例中，在摩擦环部8-2外壁上还设置有凹槽，环箍9设置在凹槽中，其余结构不变。环箍9可为金属环或轮胎线制成的圈。环箍9可以保证柔轮不会因为传动过程中的压力和拉力引起谐波柔轮的伸长变形，且可以平衡柔轮在谐波传动过程中向外辐射的应力，从而可以保证谐波减速器的耐磨性和使用寿命。

在本发明的又一个实施例中，谐波减速器中的定轮和柔轮设置有两组，两组定轮和柔轮可增强谐波减速器的输出功率和扭矩。当然，本发明谐波减速器中的定轮和柔轮，可根据实际工况需要设置为两组以上。

本发明提供的谐波减速器，由于通过摩擦驱动原理进行无齿谐波减速，可通过调整柔轮，波发生器组件和定轮的设计尺寸来实现很高的减速比，如减速比为1000。同时摩擦驱动的无齿谐波减速，克服了传统有齿谐波减速中柔轮齿变形而导致传动效率低的缺点，大幅度提高了谐波减速器的传动效率；另由于本发明中谐波减速器的输入轴与输出轴是同方向转动，也提高了谐波传动效率。

本发明的驱动器，可采用各种电机与无齿谐波减速器直接连接，由于无齿谐波减速器可实现很大的减速比，电机可采用高速直接电机，如果转速为10000rpm的直流电机。同时由于采用无齿谐波的减速器，体积相对传统驱动器体积大幅减小，更适宜服务领域的机器人应用，如教学，科研和培训等。

总之，本发明提出了一种传动平稳可靠、效率和精度高及成本低的谐波减速器及驱动器，其在机器人领域中具有广泛的应用前景。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组件合。

Claims (10)

1.一种谐波减速器，包括波发生器组件，定轮，柔轮和输出组件，其特征在于：所述柔轮设置在所述波发生器组件和定轮之间，所述波发生器组件与动力输入源连接，所述输出组件与所述柔轮连接；所述柔轮呈圆筒状并能在外力作用下产生弹性变形，所述柔轮包括摩擦环部，所述柔轮被所述波发生器组件挤压变形为椭圆状柔轮，所述椭圆状柔轮的长轴两个端点处，所述椭圆状柔轮与所述定轮不接触；所述椭圆状柔轮的短轴两个端点处，所述椭圆状柔轮与所述定轮接触；

所述摩擦环部设置在所述柔轮的一端外侧，所述摩擦环部设置有第一摩擦斜面，所述定轮上设置有第二摩擦斜面，所述接触为第一摩擦斜面和第二摩擦斜面接触；

所述波发生器组件包括支撑架、转轴和滚轮；所述支撑架的中心部位设置有电机轴孔，所述滚轮分别通过转轴支撑设置在所述支撑架的两端；所述转轴与所述支撑架过盈配合固定。

2.根据权利要求1所述的谐波减速器，其特征在于：所述第一摩擦斜面设置有两个，并对称设置在所述摩擦环部的两端，两个所述第一摩擦斜面之间形成第一摩擦啮合角。

3.根据权利要求2所述的谐波减速器，其特征在于：所述定轮呈环状，所述第二摩擦斜面设置在所述定轮的一侧；所述定轮设置有两个，两个所述定轮对称间隔设置，所述摩擦环部设置在两个所述定轮之间；两个所述定轮之间的第二摩擦斜面形成第二摩擦啮合角。

4.根据权利要求3所述的谐波减速器，其特征在于：所述第一摩擦啮合角的角度为1°~89°；所述第二摩擦啮合角的角度与所述第一摩擦啮合角的角度相同。

5.根据权利要求4所述的谐波减速器，其特征在于：在所述摩擦环部上设置有凹槽，所述凹槽位于两个所述第一摩擦斜面之间，所述凹槽中设置有环箍。

6.根据权利要求5所述的谐波减速器，其特征在于：还包括壳体组件和定位环，所述壳体组件包括壳体与底壳；所述壳体为杯状结构，所述壳体与底壳分别通过螺钉安装在所述定位环的两端；所述定位环的内壁设置有两个定位台；两个所述定轮通过所述定位台分别与所述底壳和壳体连接。

7.根据权利要求6所述的谐波减速器，其特征在于：在所述定轮上与所述第二摩擦斜面相对的一侧设置有定位部，两个所述定轮通过所述定位部分别与所述底壳和壳体连接。

8.根据权利要求7所述的谐波减速器，其特征在于：所述输出组件包括轴承和输出轴；所述输出轴包括第一环部，基体部和轴部；所述第一环部设置在所述基体部外侧，在所述第一环部和所述基体部之间形成环腔，在所述第一环部的内侧设置有内齿；所述轴部设置在所述基体部的另一端，所述轴部通过所述轴承旋转支撑在所述壳体上，并伸出所述壳体；所述轴部的末端设置有连接块和连接孔。

9.根据权利要求8所述的谐波减速器，其特征在于：在所述柔轮上与所述摩擦环部相对的一端外侧设置有外齿；所述柔轮具有外齿的一端插入所述环腔内，所述外齿与所述内齿啮合。

10.一种驱动器，包括电机和权利要求1-9中任一项所述的谐波减速器，其特征在于：所述谐波减速器安装在所述电机的输出端，所述波发生器组件与所述电机的输出轴固连。