行星齿轮致动器的制作方法

1.本发明涉及利用行星齿轮组来提供高减速比的致动器。


背景技术：

2.致动器是将电能等转化为机械驱动力的装置，对于需要动作的装置而言是必不可少的构件。致动器的动力源(电机、发动机等)虽产生高速旋转，但旋转力(扭矩)低，因此只通过动力源实现所要运转的装置的动作存在限制。
3.出于这种原因，通常在致动器中添加减速器。减速器配置在动力源与所要运转的装置之间，以适宜实现动作的方式减少旋转数，增加旋转力。
4.特别是在如机器人控制等那样需要非常精细的动作的情况下，需要以高减速比对动力源所输出的旋转力进行减速。此外，致动器应具有高旋转力、低摩擦力、高反向驱动能力(backdrivability)。
5.在致动器无法提供充足的减速比时，可能需要经过若干步骤而使旋转力减速的过程，这可能增加致动器的结构尺寸和复杂程度。因此需要可以提供高减速比的致动器。


技术实现要素：

6.所要解决的课题
7.本发明的第一个目的在于，提供一种通过改良行星齿轮组，从而可以得到高减速比、高旋转力、高效率、低摩擦力、高反向驱动能力的致动器。
8.本发明的第二个目的在于，提供一种实现上述性能的同时可以减少行星齿轮致动器的体积的结构。
9.本发明的第三个目的在于，提供一种可以减少行星齿轮致动器的部件数和加工费的结构。
10.课题的解决方法
11.为了实现本发明的第一个目的，本发明提供一种行星齿轮致动器，其包括：太阳齿轮；旋转内接齿轮，配置为与上述太阳齿轮同心；固定内接齿轮，配置为与上述太阳齿轮同心；多个复合行星齿轮，具备与上述太阳齿轮啮合的第一行星齿轮、配置在上述第一行星齿轮的一侧并与上述旋转内接齿轮啮合的第二行星齿轮、以及配置在上述第一行星齿轮的另一侧并与上述固定内接齿轮啮合的第三行星齿轮，并且上述第一至第三行星齿轮在同一旋转轴上结合成一体；以及行星架，与上述多个复合行星齿轮分别能够相对旋转地连接，上述多个复合行星齿轮中的任一个复合行星齿轮的上述第一行星齿轮的一部分以与上述多个复合行星齿轮中的另一个复合行星齿轮的上述第一行星齿轮在厚度方向上重叠的方式配置。
12.为了实现本发明的第二个目的，上述任一个复合行星齿轮的上述第二和第三行星齿轮之间的间距与上述另一个复合行星齿轮的上述第二和第三行星齿轮之间的间距形成为相同，上述任一个复合行星齿轮的上述第一行星齿轮和上述另一个复合行星齿轮的上述
第一行星齿轮以部分重叠的状态交错地配置在上述间距内。
13.为了实现本发明的第三个目的，上述第二行星齿轮压入固定于上述第一行星齿轮的第一延长部，上述第三行星齿轮压入固定于上述第一行星齿轮的第二延长部。此外，销轴承插入于上述第一行星齿轮的在行星齿轮的厚度方向上延长的通孔并配置在上述第一和第二延长部内，紧固单元以使上述行星架能够旋转地结合于上述销轴承的方式形成。
14.发明效果
15.通过上述的解决方法而得到的本发明的效果如下所示。
16.首先，构造成第一行星齿轮从太阳齿轮接收驱动力使复合行星齿轮自传，与固定内接齿轮啮合的第三行星齿轮使复合行星齿轮以太阳齿轮为中心公转，第二行星齿轮使啮合的旋转内接齿轮旋转。在这个过程中，由于太阳齿轮与第一行星齿轮的齿轮齿数之差、固定内接齿轮与第三行星齿轮的齿轮齿数之差、以及旋转内接齿轮与第二行星齿轮的齿轮齿数之差，可以得到高减速比。
17.其次，任一个第一行星齿轮和与其相邻的另一个第一行星齿轮在厚度方向上彼此重叠地交错地配置，从而可以减少行星齿轮致动器的体积。与常规的行星齿轮减速器以2级构成的结构相比，本发明既可以具有更少的体积，又可以具有更高的减速比和更高的旋转力。此外，与复合行星齿轮以2级构成的结构相比，本发明可以具有更低的摩擦力、更高的效率、更高的反向驱动能力。并且，本发明可以相对于谐波驱动齿轮具有高旋转力、高效率、低摩擦力。
18.再次，第二和第二行星齿轮压入固定于第一行星齿轮，销轴承压入固定于第一行星齿轮的通孔，从而可以减少用于组装和旋转复合行星齿轮的的部件，并且可以减少加工费。
附图说明
19.图1是表示根据本发明的一实施例的行星齿轮致动器的立体图。
20.图2是图1所示的行星齿轮致动器的分解立体图。
21.图3是将图2所示的行星齿轮致动器沿a-a线截取得到的图。
22.图4是将图1所示的行星齿轮致动器沿b-b截取得到的剖面图。
23.图5是表示图4所示的行星齿轮组的棍棒图。
24.图6是表示图2所示的复合行星齿轮的概念图。
25.图7是表示图2所示的相互相邻地配置的两个复合行星齿轮与太阳齿轮的配置关系的概念图。
26.图8是将图6的(a)所示的复合行星齿轮沿c-c线截取得到的剖面图。
27.图9是表示图1所示的行星齿轮组的一个设计例的概念图。
具体实施方式
28.下面，参考附图来对本说明书中公开的实施例详细地进行说明，并且无论附图符号如何，对相同或相似的构件赋予相同的附图标记，并且省略对其重复的说明。下面的说明中所使用的构件的后缀“模块”和“部”，只是出于易于说明书撰写的考虑而赋予或混用的，它们本身不具有彼此不同的意义或角色。此外，在对本说明书中公开的实施例进行说明时，
如果认为对于所关联的公知技术的具体说明可能使本说明书中公开的实施例的主旨模糊时，则省略其详细的说明。此外，附图只是为了便于理解本说明书中公开的实施例，本说明书中公开的技术思想不受限于附图，应理解成包括本发明的思想和技术范围中所包含的全部变更、等同物乃至替代物。
29.包括如第一、第二等那样的序数的用语虽然可以用于对各种构件的说明，但上述构件不受限于上述用语。上述用语只用于将一个构件从另一构件中区分开来的目的。
30.当提出某一构件与另一构件“连接”或“连结”时，可以直接地连接或者连结于其另一构件，但应理解为中间也可以存在其它的构件。相反，当提出某一构件与另一构件“直接连接”或“直接连结”时，应理解为中间不存在其它的构件。
31.除非在文理上另有明确的定义，否则单数表现形式包括复数表现形式。
32.在本技术中，“包括”或“具有”等用语旨在指定存在说明书上记载的特征、数字、步骤、操作、构件、部件或其组合，但应理解为并不排除存在或添加一个或一个以上的其它特征或数字、步骤、操作、构件、部件或其组合的可能性。
33.图1是表示根据本发明的一实施例的行星齿轮致动器100的立体图，图2是图1所示的行星齿轮致动器100的分解立体图，图3是将图2所示的行星齿轮致动器100沿a-a线截取得到的图，图4是将图1所示的行星齿轮致动器100沿b-b线截取得到的剖面图。
34.参考图1至图4，行星齿轮致动器100包括作为动力源的电机196和作为减速器的行星齿轮组。行星齿轮组配置在电机196与所要运转的装置(例如，机器人的臂、腿等)之间，构造成以适宜实现动作的方式减少旋转数，增加旋转力。
35.行星齿轮组包括：太阳齿轮110，s；旋转内接齿轮120，r1；固定内接齿轮130，r2；多个复合行星齿轮140；以及行星架150、160、180。复合行星齿轮140包括：与太阳齿轮110啮合的第一行星齿轮141，p1；与旋转内接齿轮120啮合的第二行星齿轮142，p2；以及与固定内接齿轮130啮合的第三行星齿轮143，p3。行星齿轮组的详细结构在后文中说明。
36.行星齿轮致动器100还包括环形框架191、交叉滚子轴承193、输出框架194、以及外壳195。
37.环形框架191和外壳195相互结合而形成行星齿轮致动器100的外形，构造成在内部容纳行星齿轮组和电机196。
38.输出框架194与旋转内接齿轮120结合，在旋转内接齿轮120旋转时一同旋转。即，输出框架194是行星齿轮致动器100所产生的旋转力最终传递到的部分。输出框架194连接于所要运转的装置，构造成传递上述旋转力。
39.在输出框架194与外壳195之间配置有将输出框架194支承为能够旋转的交叉滚子轴承193。
40.通过上述结构，输出框架194形成为能够相对于具有固定位置的环形框架191相对旋转。
41.在环形框架191上，可以安装有以检测输出框架194的旋转的方式形成的第一编码器192。第一编码器192可以是无论电源供给状态如何都始终能够测量绝对位置值的绝对编码器(absolute encoder)。
42.电机196具备定子196a(stator)和转子196b(rotor)，以产生驱动力的方式形成。
43.在与电机196相邻的外壳195的内侧面，可以安装有以检测电机196的旋转的方式
形成的第二编码器197。第二编码器197可以是能够从起点测量相对位置的增量编码器(incremental encoder)。
44.在下文中，对具有减速器功能的行星齿轮组更具体地进行说明。
45.图5是表示图4所示的行星齿轮组的棍棒图，图6是表示图2所示的复合行星齿轮140的概念图。
46.参考图5和图6，行星齿轮组包括：太阳齿轮110；旋转内接齿轮120；固定内接齿轮130；多个复合行星齿轮140；以及行星架150、160、180。
47.在本实施例中，行星架150、160、180的结构包括：配置在多个复合行星齿轮140的一侧的第一行星架框架150；配置在多个复合行星齿轮140的另一侧的第二行星架框架160；以及贯穿各个复合行星齿轮140并连接于第一行星架框架150和第二行星架框架160的紧固单元180。
48.太阳齿轮110与转子196b连接，以将电机196产生的驱动力传递到复合行星齿轮140的方式形成。太阳齿轮110以在行星架(本附图中，第二行星架框架160)通过并与复合行星齿轮140的第一行星齿轮141啮合的方式形成。
49.旋转内接齿轮120配置成与太阳齿轮110同心。旋转内接齿轮120的旋转中心与太阳齿轮110的旋转中心一致。旋转内接齿轮120与固定内接齿轮130相比，内径小，具备少的齿轮齿数。
50.固定内接齿轮130配置成与太阳齿轮110同心。固定内接齿轮130的中心与太阳齿轮110的旋转中心一致。在行星齿轮组的厚度方向上，固定内接齿轮130以与旋转内接齿轮120对置的方式配置。在本实施例中，在固定内接齿轮130与旋转内接齿轮120之间配置有第一行星齿轮141。通过上述配置结构和将要下述的配置结构(相邻的第一行星齿轮141、141'之间以一部分重叠的状态交错地配置的结构)，第一行星齿轮141可以在规定的空间内具有最大直径和最大齿轮齿数。
51.复合行星齿轮140包括第一行星齿轮141；第二行星齿轮142；以及第三行星齿轮143。第一至第三行星齿轮141、142、143在同一旋转轴上结合成一体，以一同旋转的方式形成。
52.在本实施例中，示出了具备6个复合行星齿轮140，并且各复合行星齿轮140的旋转轴在从太阳齿轮110的中心沿半径方向离开一定距离的位置上以上述中心为基准每隔一定角度(本附图中，60度)配置的情况。
53.第一行星齿轮141以与太阳齿轮110啮合的方式形成。第一行星齿轮141相比于第二和第三行星齿轮142、143，直径大，具备的齿轮齿数多。
54.第二行星齿轮142配置在第一行星齿轮141的一侧，以与旋转内接齿轮120啮合的方式形成。在本实施例中，第二行星齿轮142相比于第三行星齿轮143，直径小，具备的齿轮齿数少。
55.第三行星齿轮143配置在第一行星齿轮141的另一侧，以与固定内接齿轮130啮合的方式形成。
56.第一行星架框架150配置在多个复合行星齿轮140的一侧，与多个复合行星齿轮140能够相对旋转地连接。即，各复合行星齿轮140的旋转轴能够旋转地连接于第一行星架框架150。
57.第二行星架框架160配置在多个复合行星齿轮140的另一侧，与多个复合行星齿轮140能够相对旋转地连接。即，各复合行星齿轮140的旋转轴能够旋转地连接于第二行星架框架160。第二行星架框架160的中间部分形成有开口，以使太阳齿轮110乃至转子196b能够通过。
58.通过上述结构，行星齿轮组如下所述进行驱动。
59.当电机196驱动时，太阳齿轮110通过电机196所产生的驱动力而旋转。太阳齿轮110将驱动力传递到啮合的第一行星齿轮141。在下文中，将太阳齿轮110顺时针旋转的情况作为例子进行说明。
60.第一行星齿轮141接受从太阳齿轮110传递的旋转力而使复合行星齿轮140自传。在上述的例子中，复合行星齿轮140以逆时针方向自转。
61.这时，与固定内接齿轮130啮合的第三行星齿轮143使复合行星齿轮140以太阳齿轮110为中心公转。在上述的例子中，复合行星齿轮140以顺时针方向公转。
62.随着复合行星齿轮140自转和公转，第二行星齿轮142使啮合的旋转内接齿轮120旋转。在上述的例子中，旋转内接齿轮120以顺时针方向旋转。
63.在上述的过程中，由于太阳齿轮110与第一行星齿轮141的齿轮齿数之差、固定内接齿轮130与第三行星齿轮143的齿轮齿数之差、以及旋转内接齿轮120与第二行星齿轮142的齿轮齿数之差，从而得到了高减速比。
64.减速比是输出速度即旋转内接齿轮120的旋转速度相对于输入速度即太阳齿轮110的旋转速度之比，用(p1/s p3/r2)/(p3/r2-p2/r1)计算。作为参考，在上述的减速比算式中，s为太阳齿轮110的齿轮齿数，r1为旋转内接齿轮120的齿轮齿数，r2为固定内接齿轮130的齿轮齿数，p1为第一行星齿轮141的齿轮齿数，p2为第二行星齿轮142的齿轮齿数，以及p3为第三行星齿轮143的齿轮齿数。
65.作为参考，与上述内接齿轮120、130啮合的行星齿轮142、143的齿轮齿数相对于内接齿轮120、130的齿轮齿数之比(px/ry)，随着内接齿轮直径(齿轮齿数比例)的增大而增大。
66.因此，如上述的结构所示，当旋转内接齿轮120相比于固定内接齿轮130，直径小，具备的齿轮齿数少，并且第二行星齿轮142相比于第三行星齿轮143，直径小，具备的齿轮齿数少时，由于p3/r2总是比p2/r1大，因此减速比总是正数。即，旋转内接齿轮120朝向与太阳齿轮110相同的方向旋转。
67.但是，本发明并不限定于此。旋转内接齿轮120可以相比于固定内接齿轮130，直径大，具备的齿轮齿数多，并且第二行星齿轮142也可以相比于第三行星齿轮143，直径大，具备的齿轮齿数多。在这种情况下，由于p3/r2总是比p2/r1小，因此减速比总是负数。即，旋转内接齿轮120朝向与太阳齿轮110的旋转方向相反的方向旋转。
68.在下文中，对既能实现上述性能，又可以减少行星齿轮致动器100的体积的结构进行说明。
69.图7是表示图2所示的相互相邻地配置的两个复合行星齿轮140与太阳齿轮110的配置关系的概念图。作为参考，在(a)中，太阳齿轮110的大部分被两个复合行星齿轮140、140'遮挡。(b)是从(a)的相反方向观察的图，太阳齿轮110遮挡了两个复合行星齿轮140、140'的一部分。
70.将图7的(a)与上述图2和图3一同进行参考，任一个复合行星齿轮140以和与其相邻的另一个复合行星齿轮140'在厚度方向上重叠的方式配置。即，任一个复合行星齿轮140与另一个复合行星齿轮140'交错地配置，从而可以紧凑地构成行星齿轮致动器100。
71.具体而言，任一个复合行星齿轮140所具备的第一行星齿轮141和另一个复合行星齿轮140'所具备的第一行星齿轮141'以在厚度方向上重叠的方式配置。
72.这时，任一个复合行星齿轮140所具备的第二和第三行星齿轮142、143之间的间距，形成为与另一个复合行星齿轮140'所具备的第二和第三行星齿轮142'、143'之间的间距相同。
73.其中，任一个复合行星齿轮140所具备的第一行星齿轮141与另一个复合行星齿轮140'所具备的第一行星齿轮141'在上述间距内以一部分重叠的状态交错地配置。
74.为了实现上述结构，任一个复合行星齿轮140所具备的第一行星齿轮141配置成与第三行星齿轮143隔开一定间距，与第三行星齿轮143一同限定第一间隔部140a。相反，另一个复合行星齿轮140'所具备的第一行星齿轮141'配置成与第三行星齿轮143'隔开一定间距，与第三行星齿轮143'一同限定第二间隔部140b。
75.在上述的结构中，任一个复合行星齿轮140所具备的第一行星齿轮141的一部分配置在第二间隔部140b内，另一个复合行星齿轮140'所具备的第一行星齿轮141'的一部分配置在第一间隔部140a内。
76.由此，通过增加第一行星齿轮141的直径和齿轮齿数，从而可以实现既提高减速比，相互相邻的两个复合行星齿轮140、140'之间又不发生干涉的紧凑结构。
77.与行星齿轮减速器以2级堆叠的结构相比较，本结构既可以具有更少的体积，又可以具有更高的减速比和更高的旋转力。此外，与复合行星齿轮140由两个行星齿轮构成的结构相比较，本结构可以具有更低的摩擦力、更高的效率、更高的反向驱动能力。同时，本结构可以相对于谐波驱动齿轮具有高旋转力、高效率、低摩擦力。
78.另一方面，任一个复合行星齿轮140所具备的第一行星齿轮141还可以以与另一个复合行星齿轮140'所具备的第二或第三行星齿轮142'、143'中的至少一个在厚度方向上重叠的方式配置。在本实施例中，示出了任一个复合行星齿轮140所具备的第一行星齿轮141以与另一个复合行星齿轮140'所具备的第一至第三行星齿轮141'、142'，143'均在厚度方向上重叠的方式配置的情况。
79.将图7的(a)和(b)一同进行参考，太阳齿轮110以与各复合行星齿轮140的第一行星齿轮141啮合而传递驱动力的方式形成。由于具有相互相邻的两个第一行星齿轮141、141'交错地配置的结构，所以太阳齿轮110以与任一个复合行星齿轮140所具备的第一行星齿轮141和另一个复合行星齿轮140'所具备的第一行星齿轮141'在半径方向上重叠的方式配置。
80.太阳齿轮110的齿厚(tooth thickness)形成为比任一个复合行星齿轮140所具备的第一行星齿轮141的齿厚与另一个复合行星齿轮140'所具备的第一行星齿轮141'的齿厚之和大。
81.在下文中，对可以减少行星齿轮致动器100的部件数和加工费的结构进行说明。
82.图8是将图6的(a)所示的复合行星齿轮140沿c-c线截取得到的剖面图。
83.参考图8，第一至第三行星齿轮141、142、143在同一旋转轴上结合成一体。为此，第
一行星齿轮141包括第一延长部141a和第二延长部141b。
84.第一延长部141a朝向第一行星齿轮141的一侧延长，并与第二行星齿轮142结合。第二行星齿轮142可以压入固定于第一延长部141a。
85.在第一延长部141a的外周，可以形成有沿旋转轴方向延伸的引导突起，在第二行星齿轮142的内周，可以形成有供引导突起插入而引导向第一延长部141a的插入的引导槽。引导突起和引导槽的形成位置也可以彼此互换。
86.同时，在第一延长部141a上，还可以具备限定第二行星齿轮142的插入量的限位器。
87.第二延长部141b朝向第一行星齿轮141的另一侧延伸，并与第三行星齿轮143结合。第三行星齿轮143可以压入固定于第二延长部141b。
88.在第二延长部141b的外周，可以形成有沿旋转轴方向延伸的引导突起，在第三行星齿轮143的内周，可以形成有供引导突起插入而引导向第二延长部141b的插入的引导槽。引导突起和引导槽的形成位置可以彼此互换。
89.同时，在第二延长部141b上，还可以具备限定第三行星齿轮143的插入量的限位器。
90.第二和第三行星齿轮142、143以与第一行星齿轮141齿端(tooth end)一致的方式对齐。为此，上述引导突起和引导槽可以构造成形成在预定的位置以引导上述对齐。
91.另一方面，在第一行星齿轮141上，延伸形成有在厚度方向上贯通第一行星齿轮141的中心的通孔141c。通孔141c以贯通第一和第二延长部141a、141b的方式形成。
92.在上述通孔141c中插入有销轴承(pin bearing)170。销轴承170插入到通孔141c中而配置在第一和第二延长部141a、141b内。
93.第一行星架框架150和第二行星架框架160通过紧固单元180能够旋转地结合于销轴承170。在本实施例中，紧固单元180包括轴181、第一紧固销182a和第二紧固销182b。轴181插入到销轴承170，第一紧固销182a贯通第一行星架框架150并插入到轴181中，第二紧固销182b贯通第二行星架框架160并插入到轴181中。
94.通过上述的结构，第二和第三行星齿轮142、143压入固定于第一行星齿轮141，销轴承170压入固定于第一行星齿轮141的通孔141c，从而可以减少用于复合行星齿轮140的组装和旋转的部件，并且可以减少加工费。
95.在下文中，参考图9对图1所示的行星齿轮组的一设计例进行说明。
96.参考图9，太阳齿轮110具有18个齿轮齿数(s＝18)，旋转内接齿轮120具有90个齿轮齿数(r1＝90)，固定内接齿轮130具有96个齿轮齿数(r2＝96)。此外，复合行星齿轮140所具备的第一行星齿轮141具有48个齿轮齿数(p1＝48)，第二行星齿轮142具有24个齿轮齿数(p2＝24)，第三行星齿轮143具有30个齿轮齿数(p3＝30)。在这里，各齿轮的直径与齿轮齿数成正比。
97.减速比用(p1/s p3/r2)/(p3/r2-p2/r1)计算。通过计算，上述行星齿轮组的减速比为65。即，利用上述行星齿轮组时能够以65:1进行减速。
98.另一方面，上述详细的说明不应解释为在所有方面是限制性的，应理解为是例示性的。本发明的范围应通过所附上的权利要求的合理解释来确定，本发明的等同范围内的所有变更均包含在本发明的范围内。