阅读说明：本技术 行星齿轮箱以及相关的机器人关节和机器人 (Planetary gearbox and related robot joint and robot ) 是由 顾颢 杨基博 陶志强 秦健 于 2018-06-28 设计创作，主要内容包括：一种行星齿轮箱(100)包括：壳体(101),沿第一轴线(X1)延伸；内耦合机构(106),被布置在壳体(101)的内表面上；输入部件(102),被布置在壳体(101)内并且与壳体(101)同轴,并且可操作为围绕第一轴线(X1)旋转；啮合机构(103),被布置在壳体(101)中并且被耦合至输入部件(102),啮合机构(103)具有偏离第一轴线(X1)的第二轴线(X2),并且适于由输入部件(102)驱动以在与内耦合机构(106)啮合的同时围绕第二轴线(X2)旋转；以及输出部件(104),被耦合至啮合机构(103)并且适于通过啮合机构(103)的旋转而致动,以围绕第一轴线(X1)旋转；其中内耦合机构(106)的至少啮合表面和输出部件(104)的至少啮合表面由金属和非金属材料中的一种制成,并且啮合机构(103)的至少啮合表面由金属和非金属材料中的另一种制成。(An epicyclic gearbox (100) comprising: a housing (101) extending along a first axis (X1); an inner coupling mechanism (106) arranged on an inner surface of the housing (101); an input member (102) arranged within the housing (101) and coaxial with the housing (101) and operable to rotate about a first axis (X1); an engagement mechanism (103) arranged in the housing (101) and coupled to the input member (102), the engagement mechanism (103) having a second axis (X2) offset from the first axis (X1) and being adapted to be driven by the input member (102) to rotate about the second axis (X2) while engaging with the in-coupling mechanism (106); and an output member (104) coupled to the engagement mechanism (103) and adapted to be actuated by rotation of the engagement mechanism (103) to rotate about a first axis (X1); wherein at least an engagement surface of the in-coupling mechanism (106) and at least an engagement surface of the output member (104) are made of one of a metallic and non-metallic material, and at least an engagement surface of the engagement mechanism (103) is made of the other of a metallic and non-metallic material.)

行星齿轮箱以及相关的机器人关节和机器人

技术领域

本公开的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

行星齿轮箱是一种齿轮系统，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，行星齿轮被安装在可动臂或托架上，该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。行星齿轮机构通常划分为简单行星齿轮机构或复合行星齿轮机构。简单行星齿轮机构具有一个太阳齿轮、一个齿圈、一个托架和一个行星齿轮组。

作为一种特殊的行星齿轮箱，摆线减速器能够以紧凑尺寸获得相对高的传动比。摆线减速器的输入轴驱动偏心轴承，进而以偏心摆线运动驱动轮。该轮的周边被形成为固定齿圈，并且具有一系列穿过轮面设置的输出轴销或辊。这些输出轴销在轮旋转时直接驱动输出轴。轮的径向运动不会传递到输出轴。

行星齿轮箱中使用的各种部件通常均由金属材料制成，导致行星齿轮箱较重且无法满足对机器人或机器人关节的轻量化要求。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。此外，还存在一些全部由非金属部件组装而成的传统行星齿轮箱。然而，这种非金属行星齿轮箱传动效率低且扭矩能力差，例如，仅能达到5Nm。

发明内容

本公开实施例提供了一种行星齿轮箱，其包括彼此接触或啮合的金属部件和非金属部件。

在第一方面，提供了一种行星齿轮箱。行星齿轮箱包括：壳体，沿第一轴线延伸；内耦合机构，被布置在壳体的内表面上；输入部件，被布置在壳体内并且与壳体同轴，并且可操作为围绕第一轴线旋转；啮合机构，被布置在壳体中并且耦合至输入部件，啮合机构具有偏离第一轴线的第二轴线，并且适于由输入部件驱动，以在与内耦合机构啮合的同时围绕第二轴线旋转；以及输出部件，被耦合至啮合机构并且适于通过啮合机构的旋转而被致动，以围绕第一轴线旋转；其中内耦合机构的至少啮合表面和输出部件的至少啮合表面由金属材料和非金属材料中的一种材料制成，并且啮合机构的至少啮合表面由金属材料和非金属材料中的另一种材料制成。

通过使用非金属代替金属材料制成行星齿轮箱中彼此啮合的部件的至少啮合表面，降低了行星齿轮箱的总重量。此外，具有复杂形状的某些部件可以通过模制非金属材料而被一体形成，以降低加工难度。此外，与相同材料之间的磨损和应力相比，金属与非金属之间的磨损和应力可以被显著减小。另外，通过使金属部件与非金属部件啮合，可以减少金属部件的热处理。

在一些实施例中，内耦合机构包括均匀布置且平行于第一轴线的多个圆柱销，以及形成有多个凹槽的支撑结构，每个凹槽用于接纳相应的圆柱销。对于摆线型行星齿轮箱，由于齿之间没有弯折并且销和啮合机构之间仅存在滚动接触，因此，使用由非金属制成的某些部件可以进一步增加行星齿轮箱的寿命，同时保持轻量化。

在一些实施例中，内耦合机构和输出部件中的至少一个由金属材料制成，并且支撑结构和啮合机构中的至少一个由非金属材料制成。这样，与金属制成的壳体和啮合机构相比，可以显著降低制造难度与成本，并且因此可以提高精度。

在一些实施例中，支撑结构和啮合机构中的至少一个分别被一体形成。因此，可以显著提高制造效率。

在一些实施例中，非金属材料包括能够一体形成并且能够自润滑的材料。通过这种布置，增强了彼此接触的部件之间的摩擦学特性，并且降低了用于制造行星齿轮箱的成本。

在一些实施例中，非金属材料包括塑料和陶瓷中的至少一种。使用普通非金属材料可以进一步降低成本。

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。

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，并且啮合机构包括至少一个轮，每个轮被布置在相应的支撑段上。利用偏心支撑段和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。

在一些实施例中，每个轮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且通过轮的旋转而被驱动，以使输出部件与轮一起旋转。这样，可以降低传动噪声。

在一些实施例中，输出部件还包括输出凸缘和支撑环，输出凸缘和支撑环分别被固定在输出销的两个端部上，其中至少一个轮位于输出凸缘和支撑环之间。由此可以进一步降低输出部件的组装难度。

在一些实施例中，每个输出销是中空的并且包括形成在两个端部处的内螺纹，并且其中输出凸缘和支撑环经由螺栓被固定在输出销的端部上。使用中空输出销进一步降低了行星齿轮箱的总重量。

在一些实施例中，输出销由金属材料制成，以保持内螺纹的预紧力和/或连接强度。这样，增强了输出部件的连接强度。

在一些实施例中，输出部件还包括输出环，输出环被布置在壳体的内表面上并且能够围绕第一轴线旋转；多个外输出销，每个外输出销被接纳在均匀地形成于输出环内表面中的相应的凹槽中，以与输出环一起旋转。

在一些实施例中，输入部件包括以第二轴线为中心的支撑段，并且啮合机构包括彼此固定并且均被布置在支撑段上的第一轮和第二轮，其中第一轮与内耦合机构啮合，并且第二轮与多个外输出销啮合，以驱动输出环旋转。

在一些实施例中，输出环以及第一轮和第二轮由非金属材料制成并且分别被一体形成，并且多个外输出销由金属材料制成标准尺寸。

在第二方面，提供了一种机器人关节，包括上述行星齿轮箱中的至少一个。

在第三方面，提供了一种机器人，包括上述机器人关节中的至少一个。

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

通过结合附图对本公开示例性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性实施例中，相同附图标记通常表示相同部件。

图1示出根据本公开实施例的行星齿轮箱的示意图；

图2A和图2B示出根据本公开实施例的摆线型行星齿轮箱的两个实施例的截面图；

图3示出根据本公开实施例的摆线型行星齿轮箱的一个实施例的截面侧视图；并且

图4示出根据本公开实施例的摆线型行星齿轮箱的轮和输出部件的透视图；

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

现在将结合几个示例性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，而非暗示对技术方案的范围的任何限制。

如本文所使用的，术语“包括”及其变型应理解为开放术语，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。

在传统解决方案中，机器人关节通常采用行星齿轮箱，尤其是摆线型行星齿轮箱(即，摆线驱动器或摆线减速器)，作为减速和传动装置。行星齿轮箱中使用的各种部件通常均由金属材料制成，导致行星齿轮箱较重且无法满足对机器人或机器人关节的轻量化要求。

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。此外，以这种方式加工的金属部件的精度通常难以满足操作要求。

为了解决或至少部分地解决上述问题，本公开的实施例提供了一种行星齿轮箱。现在将参考图1-图4描述一些示例性实施例。

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，根据本公开实施例的行星齿轮箱100总体上包括壳体101、内耦合机构106、输入部件102、啮合机构103和输出部件104。壳体101沿轴线(为便于讨论，下文中被称为第一轴线X1)延伸，并具有圆柱形内表面。

内耦合机构106被布置在壳体101的内表面上。在一些实施例中，内耦合机构106可以是具有内齿的齿圈，其以任何适当方式(例如通过紧固件或过盈配合)而被安装在壳体101的内表面上。在一些实施例中，内耦合机构106可以包括多个圆柱销，这将在下文中详细讨论。替代地，在一些实施例中，内耦合机构106可以被一体形成在壳体101上。

输入部件102被同轴地布置在壳体101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。啮合机构103被布置在壳体101中并且被耦合至输入部件102。啮合机构103的轴线(被称为第二轴线X2)偏离第一轴线X1。

在一些实施例中，输入部件102可以是承载啮合机构103的托架，并且啮合机构103可以是与内耦合机构106和输出部件104啮合的齿轮。在一些实施例中，输入部件102可以是具有以第二轴线X2为中心的偏心支撑段1022的输入轴，并且啮合机构103可以是被布置在支撑段1022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。

当输入部件102被驱动以围绕第一轴线X1旋转时，可以驱动啮合机构103，进而使输入部件102在与内耦合机构106啮合的同时围绕第二轴线X2旋转。换句话说，啮合机构103可以绕第一轴线X1公转，并且可以绕第二轴线X2自转。因此，耦合至啮合机构103的输出部件104可以通过啮合机构103的旋转而被致动，以围绕第一轴线X1旋转。

与传统行星齿轮箱相比，在根据本公开实施例的行星齿轮箱100中，内耦合机构106的至少啮合表面和输出部件104的至少啮合表面由金属或非金属材料中的一种材料制成，并且啮合机构103的至少啮合表面由金属和非金属材料中的另一种材料制成。例如，在一些实施例中，内耦合机构106的至少啮合表面和输出部件104的至少啮合表面可以由金属材料制成，并且啮合机构103的至少啮合表面由非金属材料制成。

通过使用非金属代替金属材料来制成行星齿轮箱100中彼此啮合或接触的部件(诸如啮合机构103)的啮合表面，降低了行星齿轮箱100的总重量和行星齿轮箱100的制造成本。这样，使用行星齿轮箱100的装置(诸如机器人)也是轻量化的。此外，具有复杂形状的某些部件，或仅形成有复杂形状的部分，可以被一体形成以降低处理难度。例如，在一些实施例中，内耦合机构106和输出部件104可以通过模制非金属材料(诸如塑料等)来制造。这样，与通过车削和铣削金属材料来制造这些部件的方式相比，可以更精确且更成本有效地制造部件。此外，由于非金属材料不需要额外的热处理和表面研磨，因而可以提高制造效率。

此外，根据本公开实施例，行星齿轮箱100中彼此接触或啮合的部件由不同的材料制成，这些材料分别是金属和非金属。这样，与相同材料之间的磨损和应力相比，金属与非金属之间的磨损和应力可以显著减小，并且这样制造的行星齿轮箱100可以更耐用。此外，可以相应地减小部件之间的啮合或接触噪声。

在一些实施例中，内耦合机构106和输出部件104可以是仅其啮合表面由金属材料制成，而其它部分由其它适当材料制成，以进一步降低成本。替代地，在一些实施例中，内耦合机构106和输出部件104的整个部分可以全部由金属材料制成，并且啮合机构103由非金属材料制成。

在一些实施例中，行星齿轮箱100可以是摆线型行星齿轮箱，如图2A、图2B、图3和图4所示。例如，在一些实施例中，内耦合机构106可以包括均匀布置且平行于第一轴线X1的多个圆柱销1061、以及布置在壳体101中的支撑结构。支撑结构可以形成有多个凹槽1011，用于接纳相应的圆柱销。每个圆柱销1061可以被嵌入到形成在壳体101内表面上的多个凹槽1011中的相应凹槽中。

在一些实施例中，圆柱销1061可以是由诸如钢等的金属材料制成的标准部件。一方面，使用金属作为圆柱销1061可以确保与啮合机构103的啮合的圆柱销1061的强度。另一方面，使用标准部件消除了对圆柱销1061的专用制造过程的需求，从而相应地减少了制造成本和时间。

此外，考虑到具有多个弧形凹槽1011的支撑结构的复杂形状，在一些实施例中，支撑结构可以通过模制诸如塑料的非金属材料而被一体形成。与通过车削和铣削制造支撑结构的方式相比，加工难度和成本显著降低，并且精度相应地提高。在一些实施例中，支撑结构和壳体101一起可以被一体地形成。

应当理解的是，上述实施例中使用塑料作为非金属材料仅是示意性的，而非暗示对本公开范围的任何限制。能够一体形成且能够自润滑的任何其它适当非金属材料也是可能的。例如，非金属材料也可以是陶瓷等。

在一些实施例中，一些适当材料，诸如碳纤维、玻璃纤维、聚四氟乙烯(PTFE)等，可以被填充在诸如塑料等非金属材料中。这样，可以进一步加强塑料的性能，并且可以使行星齿轮箱更加耐用。

在一些实施例中，如图2A和图2B所示，输入部件102可以包括沿第一轴线X1延伸的输入轴。输入轴1021可以由诸如钢等的金属材料制成。使用金属作为输入轴1021的制造材料可以确保传动装置的强度。此外，金属输入轴1021可以通过车削而被更容易地制造。

应当理解的是，使用金属材料作为输入轴1021的制造材料仅是示意性的，而非暗示对本公开范围的任何限制。任何其它适当材料也是可能的。例如，在一些实施例中，输入轴1021可以通过模制诸如塑料等的非金属材料而被一体形成。此外，输入轴1021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，如图2B所示，输入轴1021可以是中空的，以允许机器人的缆线穿过，从而便于缆线布线，并进而使得使用它的机器人关节更紧凑。

在一些实施例中，至少一个支撑段1022可以被一体地或分离地形成在输入轴1021上，并且啮合机构103可以包括至少一个轮1033。至少一个轮1033中的每个轮可以被布置在相应的支撑段1022上。此外，轮1033的周向可以形成为具有摆线齿轮轮廓，也就是说，轮1033可以是摆线轮。

本文中的摆线齿轮轮廓是指当圆形轮沿直线或较大直径圆形轮的内轮缘滚动而不滑动时，圆形轮的轮缘上的点形成的曲线。这样，当输入轴1021被驱动以围绕第一轴线X1旋转时，轮1033可以与内耦合机构106(诸如销1061)啮合的同时围绕第一轴线X1与输入轴1021一起旋转，从而使轮1033围绕第二轴线X2旋转。

在这些实施例中，考虑到形成在轮1033的周向上的复杂摆线齿轮轮廓，轮1033可以通过模制诸如塑料的非金属材料而被一体形成。这样，与由金属制成的轮相比，可以显著降低制造难度与成本，并且可以提高精度。

应当理解的是，上述实施例中的包括摆线轮1033的啮合机构103和包括销1061的内耦合机构106仅是示意性的，而非暗示对本公开范围的任何限制。任何其它适当的啮合机构或结构也是可能的。例如，在一些实施例中，啮合机构103和内耦合机构106可以与齿或任何其它适当装置啮合。

在一些实施例中，摆线轮1033可以经由轴承(称为第一轴承B1)而被布置在支撑段1022上，从而确保输入轴1021和轮1033之间的相对旋转。

在一些实施例中，至少一个轮1033可以包括两个或更多个轮1033。在这种情况下，至少一个支撑段1022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1022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。这确保了传动的协调性。

在一些实施例中，如图2A、图3和图4所示，轮1033上可以形成有平行于第一轴线X1的多个通孔1032。输出部件104可以包括多个输出销1041，每个输出销被布置在相应的通孔1032中。结果，响应于轮1033围绕第二轴线X2的旋转，输出部件104可以由轮1033驱动以与轮1033一起旋转。此外，在一些实施例中，输出销1041的直径可以略小于通孔1032，从而使轮1033绕第一轴线X1的径向运动不会传递至输出销1041。

在一些实施例中，输出部件104可以使用多个单独的部件来组装。例如，在一些实施例中，输出部件104可以包括输出凸缘1042和支撑环1043，输出凸缘1042和支撑环1043分别被固定在输出销1041的两个端部上。此外，轮1033可以位于输出凸缘1042和支撑环1043之间。这样，可以更容易地组装输出部件104。

此外，在一些实施例中，输出销1041可以是中空的，并且包括形成在两个端部上的内螺纹。这样，输出凸缘1042和支撑环1043可以经由螺栓而被固定在输出销1041的两个端部上。应当理解的是，上述用螺栓固定输出凸缘1042和支撑环1043的实施方式仅是示意性的，而非暗示对本公开范围的任何限制。任何其它适当方法也是可能的。例如，输出凸缘1042和支撑环1043可以通过焊接或任何其它适当方法而被固定在输出销1041上。

在一些实施例中，输出销1041可以由金属材料制成，以保持内螺纹的预紧和/或连接强度。此外，在一些实施例中，为了确保经组装的输出部件104的强度，输出凸缘1042和支撑环1043也可以由诸如钢、铝合金等的金属制成。替代地，在一些实施例中，仅输出凸缘1042和支撑环1043的用于螺栓穿过的部分由金属制成。这样，可以进一步减小行星齿轮箱100的总重量。在一些实施例中，输出部件104还可以是一体的结构。

应当理解的是，关于啮合机构103、输入部件102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。

例如，在一些实施例中，如图2B所示，输出部件104还可以包括输出环1044、多个外输出销1041'和输出凸缘1042。输出环1044经由轴承而被布置在壳体101的内表面上，使得输出环1044能够围绕第一轴线X1旋转。输出环1044可以包括形成在其内表面上的多个凹槽，每个凹槽用于接纳相应的外输出销1041'。这样，外输出销1041'可以与输出环1044一起旋转。

输出凸缘1042可以被固定在外输出销1041'上，使得外输出销1041'围绕第一轴线X1的旋转可以驱动输出凸缘1042旋转。在一些实施例中，输入部件102可以包括以第二轴线X2为中心的支撑段1022。啮合机构103可以包括两个轮(为了便于讨论，分别被称为第一轮1033₁和第二轮1033₂)，均被布置在支撑段1022上。第一轮1033₁和第二轮1033₂可以彼此固定。例如，第一轮1033₁和第二轮1033₂可以通过紧固件而被彼此固定，或者可以被一体形成。

在一些实施例中，第一轮10331和第二轮10332的周向中的每个周向均可以形成有摆线齿轮轮廓，即，第一轮1033₁和第二轮1033₂两者都可以是摆线轮。第一轮1033₁可以与内耦合机构106啮合，例如与多个圆柱销啮合，并且第二轮1033₁可以与多个外输出销1041'啮合。这样，可以驱动输出凸缘1042以使其围绕第一轴线X1旋转。在一些实施例中，可以省略输出凸缘1042。在这种情况下，输出环1044和/或外输出销1041'可以被用作直接提供输出的部件。

在一些实施例中，考虑到输出环1044以及第一轮1033₁和第二轮1033₂的复杂形状，这些部件可以通过模制非金属材料而被一体形成。这样，可以降低行星齿轮箱100的成本和总重量，并且由于非金属的自润滑特性，行星齿轮箱100可以更加耐用。此外，与圆柱销相似，外输出销1041'也可以由金属材料制成标准尺寸，以降低成本。

在一些实施例中，行星齿轮箱100还可以包括固定在壳体101上的盖105，如图2A所示。为了保持输出凸缘1042和盖105之间的相对移动，可以在输出凸缘1042和盖105之间布置轴承(被称为第三轴承B3)。类似地，输出凸缘1042可以经由轴承(被称为第二轴承B2)而被布置在输入部件102上。

盖105可以由任意适当材料制成。例如，在一些实施例中，盖105可以由诸如塑料的非金属材料制成，从而在提高加工效率的同时降低行星齿轮箱100的总重量。替代地，在一些实施例中，盖105也可以由金属材料制成。

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。