行星齿轮箱及其装配方法、相关的机器人关节和机器人与流程

1.本公开实施例主要涉及一种行星齿轮箱以及相关的机器人关节和机器人。


背景技术：

2.齿轮箱是使用齿轮和齿轮系来提供从旋转功率源到另一装置的速度和扭矩转换的装置。常规行星齿轮箱通常包括围绕中心齿轮(即，太阳齿轮)旋转的一个或多个外齿轮(即，行星齿轮)。通常，行星齿轮安装在可动臂或托架上，可动臂或托架本身可以相对于太阳齿轮旋转。行星齿轮箱还包括使用与行星齿轮啮合的外齿圈或环面。行星齿轮通常被划分为简单行星齿轮或复合行星齿轮。简单行星齿轮具有一个太阳齿轮、一个齿圈、一个托架和一个行星齿轮组。
3.作为一种特殊的行星齿轮箱，摆线减速器(摆线型行星齿轮箱)能够以紧凑尺寸获得较高传动比。摆线减速器具有许多优良特性，诸如工作寿命长、传动比范围大、动载荷条件稳定、设计紧凑并且效率高。然而，摆线轮轮廓的制造成本较高。此外，轮廓上的接触应力明显，所以，轮的轮廓需要使用高强度和耐磨材料。
4.基于摩擦的摆线齿轮箱是摆线减速器的变型。这使得摆线轮廓与销之间的接触简化为两个零部件之间的静摩擦接触，从而传递运动。基于摩擦的摆线齿轮箱消除了复杂的摆线齿廓，可以显著降低制造成本。然而，基于摩擦的摆线齿轮箱需要使用弹性和耐磨材料(例如橡胶、tpu、tpe)用于接触。


技术实现要素：

5.为了解决或至少部分地解决上述及其它潜在问题，本公开实施例提供了一种包括同步带的行星齿轮箱。
6.在第一方面，提供了一种行星齿轮箱。行星齿轮箱包括沿第一轴线延伸的壳体；被布置在壳体的内圆周上的第一耦接件；可操作以围绕第一轴线旋转的输入部件；至少一个中间部件，每个中间部件包括第二耦接件并且适于由输入部件驱动以在第二耦接件与第一耦接件啮合的情况下围绕偏离第一轴线的第二轴线旋转；以及输出部件，输出部件耦接至至少一个中间部件，并且可操作以随着至少一个中间部件的旋转而围绕第一轴线旋转，其中第一耦接件和第二耦接件中的至少一个包括同步带。
7.同步带是一种广泛使用的具有低成本、高强度特征的传动装置。通过使用同步带作为第一耦接件和第二耦接件中的至少一个，可以显著降低行星齿轮箱的组装成本和难度，同时克服基于摩擦的摆线齿轮的缺点。此外，在同步带磨损时可以容易地更换同步带，从而降低了维护成本和难度。此外，与传统摆线减速器相比，不再需要啮合销，从而促使摆线减速器更加轻量化。
8.在一些实施例中，每个中间部件还包括用于供同步带布置在其外圆周上的轮，并且第一耦接件包括与同步带的齿啮合的齿。利用这种布置，第一耦接件和轮可以通过注射成型或挤出而被容易地制造，并且同步带继而可以被布置在轮的外圆周上。这样，可以进一
步降低制造难度和成本。
9.在一些实施例中，第一耦接件的齿通过机加工、注射成型或挤出而被一体形成在壳体的内圆周上。这样，与传统行星齿轮箱相比，可以显著降低制造难度与成本，并且可以提高精度。
10.在一些实施例中，同步带通过过盈配合、胶或铆钉被布置在轮的外圆周上。因此，可以显著提高制造效率。
11.在一些实施例中，轮包括被布置在其外圆周上的齿，并且同步带包括双面同步带，通过将双面同步带一侧的齿布置在轮的齿之间而将双面同步带沿轮的外圆周布置。利用这种布置，能够将同步带可靠地布置在轮上。
12.在一些实施例中，第一耦接件包括同步带，并且每个中间部件包括与同步带啮合的齿轮，并且其中齿轮的齿廓匹配同步带的齿廓。这样，可以以另一种方式进一步降低组装和维护成本及难度。
13.在一些实施例中，输入部件包括沿第一轴线延伸的输入轴。将输入轴用作输入部件使得行星齿轮箱可以用于各种场合。因此，行星齿轮箱的通用性得到提高。
14.在一些实施例中，输入轴包括以第二轴线为中心的至少一个支撑段，并且每个中间部件被布置在相应的支撑段上。利用偏心支撑段和被布置在支撑段上的轮形成摆线型行星齿轮箱，可以降低组装难度。
15.在一些实施例中，每个中间部件还包括围绕第二轴线布置的多个通孔，并且其中输出部件包括多个输出销，每个输出销被布置在相应的通孔中并通过至少一个中间部件的旋转驱动，以使得输出部件旋转。这样，可以降低传输噪声。
16.在第二方面，提供了一种行星齿轮箱的组装方法。该组装方法包括提供沿第一轴线延伸的壳体；将第一耦接件布置在壳体的内圆周上；提供可操作以围绕第一轴线旋转的输入部件；将至少一个中间部件布置在输入部件与第一耦接件之间，每个中间部件包括第二耦接件并且适于由输入部件驱动以在第二耦接件与第一耦接件啮合的情况下围绕偏离第一轴线的第二轴线旋转；以及提供输出部件，输出部件耦接至至少一个中间部件，并且可操作以随着至少一个中间部件的旋转而围绕第一轴线旋转，其中第一耦接件和第二耦接件中的至少一个包括同步带。这样，可以显著降低第一耦接件和第二耦接件的组装成本和难度，同时克服基于摩擦的摆线齿轮的缺点。
17.在第三方面，提供了一种包括至少一个上述行星齿轮箱的机器人关节。
18.在第四方面，提供了一种包括至少一个上述机器人关节的机器人。
19.应当理解的是，本发明内容并非旨在标识本公开实施例的关键或必要特征，也非旨在用于限制本公开的范围。通过下面的描述，本公开的其它特征将变得易于理解。
附图说明
20.通过结合附图对本公开示例实施例的更详细描述，本公开的上述及其它目的、特征和优点将变得更加明显，其中在本公开的示例实施例中，相同附图标记通常表示相同部件。
21.图1示出根据本公开实施例的行星齿轮箱的示意图；
22.图2示出根据本公开实施例的摆线型行星齿轮箱的立体图；
23.图3示出根据本公开实施例的摆线型行星齿轮箱的中间部件的立体图；
24.图4示出根据本公开实施例的摆线型行星齿轮箱的中间部件的前视图；
25.图5示出根据本公开实施例的摆线型行星齿轮箱的壳体和第一耦接件的前视图；
26.图6示出根据本公开实施例的机器人的立体图；并且
27.图7示出根据本公开实施例的行星齿轮箱的组装方法的流程图。
28.在整个附图中，相同或相似的附图标记用于表示相同或相似元件。
具体实施方式
29.现在将结合几个示例实施例来讨论本公开。应当理解的是，讨论这些实施例的目的仅在于使本领域技术人员能够更好地理解并进而实现本公开，而非暗示对主题范围的任何限制。
30.如本文所使用的，术语“包括”及其变体应理解为开放术语，意指“包括但不限于”。术语“基于”应理解为“至少部分地基于”。术语“一个实施例”和“实施例”应理解为“至少一个实施例”。术语“另一实施例”应理解为“至少一个其它实施例”。术语“第一”、“第二”等可以指不同或相同的对象。其它显式和隐式定义可以包含在下文中。除非上下文中另外明确指出，否则术语的定义在整个说明书中是一致的。
31.在常规解决方案中，为了实现所需的减速比，机器人关节通常采用行星齿轮箱，尤其是作为减速和传动装置的摆线型行星齿轮箱(即，摆线驱动器或摆线减速器)。行星齿轮箱中使用的各种部件通常由金属材料制成，导致行星齿轮箱较重且无法满足机器人或机器人关节的轻量化要求。
32.此外，形状特别复杂的金属部件，例如齿轮、轮等，通常需要极高的加工成本。而且，以这种方式机加工的金属部件的精度通常难以满足操作要求。
33.现今，廉价机器人和小且轻型机器人的发展逐渐成为机器人领域的发展趋势。在这种趋势下，已经开发了诸如塑料机器人的非金属机器人。使用非金属材料(诸如塑料材料或复合材料等)制造机器人在机器人开发中越来越普遍。
34.塑料齿轮箱诸如摆线轮的零部件通常通过注射成型制成。但是，由于对精度等的要求，模具的精度需要非常高。因此，齿轮箱零部件的制造难度和成本仍然很大。另外，由于相互啮合的零部件之间接触应力很大，因此这些零部件需要用高强度耐磨材料制成，这进一步增加了成本。
35.基于摩擦的摆线齿轮箱是摆线减速器的变型。这种齿轮箱使得摆线轮廓与销之间的接触简化为两个零部件之间的静摩擦接触，从而传递运动。基于摩擦的摆线齿轮箱消除了复杂的摆线齿廓，这可以显著降低制造成本。然而，基于摩擦的摆线齿轮箱需要使用弹性和耐磨材料(例如橡胶、tpu、tpe)用于接触。
36.为了解决或至少部分地解决上述问题，本公开实施例提供了一种行星齿轮箱。现在将参考图1至图5描述一些示例实施例。
37.图1示出根据本公开实施例的行星齿轮箱100的示意图。如图所示，总体上，根据本公开实施例的行星齿轮箱100包括壳体104、第一耦接件1041、输入部件101、至少一个中间部件102和输出部件103。壳体104沿一轴线(为便于讨论，下文中称为第一轴线x1)延伸，并且具有柱形内表面，如图1和图2所示。
38.第一耦接件1041被布置在壳体104的内圆周上。输入部件101被同轴地布置在壳体104中，并且可以由诸如电机等的功率源驱动，以围绕第一轴线x1旋转。中间部件102被布置在壳体104中并耦接至输入部件101。中间部件102的轴线(称为第二轴线x2)偏离第一轴线x1。
39.在一些实施例中，输入部件101可以是承载中间部件102的托架，并且中间部件102可以是与第一耦接件1041和输出部件103啮合的一个或多个齿轮。也就是说，在这些实施例中，行星齿轮箱100是包括围绕中心齿轮(即，太阳齿轮)旋转的一个或多个外齿轮(即，行星齿轮)的行星齿轮箱。
40.在一些替代实施例中，输入部件101可以是输入轴，具有以第二轴线x2为中心的偏心支撑段1012，并且中间部件102可以是被布置在支撑段1012上的轮1033(例如摆线轮)。也就是说，在这些实施例中，行星齿轮箱100是摆线型行星齿轮箱，这将在下文中详细讨论。
41.当输入部件101被驱动以围绕第一轴线x1旋转时，中间部件102可以由输入部件101驱动，以与第一耦接件1041啮合的同时围绕第二轴线x2旋转。换句话说，中间部件102可以围绕第一轴线x1公转，并且可以围绕第二轴线x2自转。因此，耦接至中间部件101的输出部件103可以通过中间部件102的旋转而被致动，以围绕第一轴线x1旋转。
42.与常规行星齿轮箱相比，在根据本公开实施例的行星齿轮箱100中，第一耦接件1041和第二耦接件1021中的至少一个包括同步带。
43.众所周知，同步带是一种广泛使用的具有低成本、高强度特征的传动装置。通过引入同步带作为第一耦接件和/或第二耦接件，不再需要用于形成齿形或用于组装销的复杂过程。这样，可以显著降低行星齿轮箱的制造成本和难度。此外，可以在同步带磨损时容易地更换同步带，从而降低了维护成本和难度。
44.同步带可以用于各种类型的行星齿轮箱，诸如包括围绕中心齿轮(即，太阳齿轮)旋转的一个或多个外齿轮(即行星齿轮)的行星齿轮箱，或摆线型行星齿轮箱。对于包括太阳齿轮和行星齿轮的行星齿轮箱，可以用同步带代替太阳齿轮、行星齿轮或者甚至内齿圈上的齿。
45.例如，在一些实施例中，太阳齿轮或行星齿轮可以包括没有齿的轮和被布置在轮的外圆周上的同步带。轮可以容易地注射成型，并且同步带可以通过商业方式购得。因此，可以以成本有效的方式制造太阳齿轮或行星齿轮。此外，可以显著降低太阳齿轮或行星齿轮的组装成本和难度。在同步带磨损后，只需更换同步带，而无需更换整个太阳齿轮或行星齿轮，从而降低了维护成本和难度。
46.在一些替代实施例中，内齿圈可以包括没有齿的圈和被布置在环的内圆周上的同步带。环可以一体地形成在行星齿轮箱100的壳体上。与上述实施例类似，可以显著降低组装和制造难度以及成本。
47.同步带也可用于摆线型行星齿轮箱。例如，在一些实施例中，形成在壳体104的内圆周上的销可以由同步带105代替，如图5所示。同步带105可以通过胶或铆钉被布置在壳体104的内圆周上。相应地，每个中间部件102(即，摆线轮)可以包括齿轮106，齿轮106可以通过机加工、注射成型或挤出而被形成，并与同步带啮合。
48.这样，与传统的摆线型行星齿轮箱相比，不再需要啮合销，从而促使摆线型行星齿轮箱更加轻量化。此外，与基于摩擦的摆线齿轮箱相比，第一耦接件1041和第二耦接件1021
之间是齿轮啮合而不是摩擦，从而克服了基于摩擦的摆线齿轮箱的缺点。
49.替代地，在一些实施例中，每个中间部件可以包括没有齿的轮1022和被布置在轮1022的外圆周上的同步带105，如图3和图4所示。同步带105可以通过张紧同步带105被布置在轮1022的外圆周上。在一些实施例中，误差补偿机构可以用于调节同步带105的张力。利用这种布置，能够将同步带可靠地布置在轮上。
50.相应地，第一耦接件1041(即，传统摆线型行星齿轮箱中的销)可以用与轮1022的外圆周上的同步带105的齿啮合的齿代替，或者可以包括与轮1022的外圆周上的同步带105的齿啮合的齿。第一耦接件1041或轮1022可以通过机加工、注射成型或挤出而被一体地形成。这样，与行星齿轮箱100包括太阳齿轮和行星齿轮的实施例类似，可以进一步降低摆线型行星齿轮箱的制造难度和成本。
51.上述实施例示出太阳齿轮和行星齿轮中的一个或者销和摆线轮中的一个可以包括同步带。在一些实施例中，为了进一步延长行星齿轮箱100的寿命，使得由金属材料制成的部件与同步带的齿接触是有利的。也就是说，行星齿轮箱中的啮合部件可以替代地包括同步带。
52.例如，对于具有太阳齿轮、行星齿轮和内齿圈的普通行星齿轮箱100，在一些实施例中，同步带可以用于替换太阳齿轮和内齿圈中的至少一个上的齿。同时，行星齿轮可以由诸如钢或铝的金属材料制成。这种布置确保了在金属材料与同步带之间发生接触，从而延长了各个部件以及整个行星齿轮箱的寿命。应当理解的是，在一些替代实施例中，太阳齿轮和行星齿轮两者，或销和摆线轮两者，均可以包括同步带。
53.此外，同步带105的齿廓匹配与同步带啮合的齿轮的齿廓。也就是说，只要同步带和齿轮的齿廓相互匹配，同步带和齿轮可以具有任何适当齿廓，诸如渐开线齿、弧形齿等。还应当理解的是，除齿廓外，在设计中还需要考虑诸如齿高和齿数的问题以避免干涉。
54.对于摆线型行星齿轮箱，为了实现所需的齿轮比或减速比，第一耦接件1041的齿数可以比第二耦接件1021的齿数多1至4个。在设计中，只需要根据预定齿轮比选择合适的同步带即可。
55.在一些实施例中，同步带105也可以是双侧同步带。也就是说，齿形成在同步带105的两侧上。相应地，用于供同步带105布置在其上的轮1022包括形成在外圆周上的齿。双侧同步带一侧上的齿可以被布置在轮1022的齿之间。利用这种布置，能够将同步带更加可靠地布置在轮上。
56.在一些实施例中，如图2所示，输入部件101可以包括沿第一轴线x1延伸的输入轴。输入轴1011可由诸如钢等的金属材料制成，或者由非金属材料制成。使用金属作为输入轴1011的材料可以确保传动装置的强度。此外，金属输入轴1011可以通过车削而被更容易地制造。
57.输入轴1011可以具有任何适当结构以满足各种要求。例如，在一些实施例中，输入轴1011可以是中空的，以允许机器人的线缆穿过，从而便于线缆布线，并进而使得使用它的机器人关节更紧凑。
58.在一些实施例中，至少一个支撑段1012可以被一体地形成在输入轴1011上或与输入轴1011是分离的。每个中间部件102(即，齿轮)可以被布置在相应的支撑段1012上。当输入轴1011被驱动以围绕第一轴线x1旋转时，中间部件102可以围绕第一轴线x1与输入轴
1011一起旋转，同时与第一耦接件1041(诸如同步带)啮合，使得中间部件102围绕第二轴线x2旋转。
59.在一些实施例中，中间部件102可以经由一个或多个轴承而被布置在支撑段1012上，这确保了输入轴1011与中间部件102之间的相对旋转。
60.在一些实施例中，至少一个中间部件102可以具有两个或更多个中间部件102。在这种情况下，至少一个支撑段1012的数目可以相应地为两个或更多个。在一些实施例中，两个或更多个支撑段1012中的每个支撑段可以朝向垂直于第二轴线x2的不同方向偏心。这确保了传输的协调性。
61.在一些实施例中，如图2、图3和图4所示，中间部件102上可以形成有平行于第一轴线x1的多个通孔1023。输出部件103可以包括多个输出销106，每个输出销被布置在相应的通孔1023中。因此，响应于中间部件102围绕第二轴线x2的旋转，输出部件103可以由中间部件102驱动以与中间部件102一起旋转。此外，在一些实施例中，输出销106的直径可以略小于通孔1023，从而使中间部件102围绕第一轴线x1的径向运动不会传递至输出销106。
62.应当理解的是，关于中间部件102、输入部件101和输出部件104的上述实施例仅是示意性的，而非暗示对本公开范围的任何限制。任何其它适当布置和结构也是可能的。
63.本公开实施例还提供了一种机器人关节300，如图6所示。机器人关节300包括至少一个如上所述的行星齿轮箱100。利用如上所述的行星齿轮箱100，可以有效地设计、制造和维护机器人关节300。
64.本公开实施例还提供了一种机器人200，如图6所示。机器人200包括至少一个如上所述的机器人关节300。利用如上所述的机器人关节300，可以有效地设计、制造和维护机器人200。
65.本公开实施例还提供了一种如上所述的行星齿轮箱100的组装方法。图7示出行星齿轮箱的组装方法流程图700。如图所示，在框710，提供沿第一轴线x1延伸的壳体104。在框720，将第一耦接件1041布置在壳体104的内圆周上。第一耦接件1041可以是同步带105。在框730，在壳体104中提供输入部件101。输入部件101可以通过诸如电机等的功率源而围绕第一轴线x1旋转。
66.在框740，将至少一个中间部件102布置在输入部件101与第一耦接件1041之间。每个中间部件102包括第二耦接件1021，并且可以由输入部件101驱动以在第二耦接件1021与第一耦接件1041啮合的情况下围绕偏离第一轴线x1的第二轴线x2旋转。
67.在框750，提供输出部件103，输出部件103耦接至至少一个中间部件。输出部件103可以随着至少一个中间部件102的旋转而围绕第一轴线x1旋转。通过使用同步带105作为第一耦接件和第二耦接件中的至少一个，可以显著降低行星齿轮箱的组装成本和难度。此外，可以在同步带磨损时容易地更换同步带，从而降低了维护成本和难度。
68.应当理解的是，本公开的以上详细实施例仅用于例示或解释本公开的原理，并非旨在限制本公开。因此，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，任何修改、等同替换和改进等均应包含在本公开的保护范围之内。同时，本公开所附权利要求旨在覆盖落入权利要求的范围和边界或范围和边界的等同形式内的所有变型和修改。