专利名称：二级变速直动机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种机械技术领域的装置，具体地说，是一种二级变速直动机构。
背景技术：
在机械或者汽车领域，通常采用离合器和齿轮箱组成二级或者多级变速机构。为了达到大负载的要求，这些机构自身的尺寸和重量一般都比较大，对其紧凑化、小型化带来了不利的影响。为适应更加复杂的工作环境而开发的无级变速机构则比较复杂，同样尺寸和重量都不易小型化。在追求结构紧凑、功能集成的特种机器人机构学的研究之中，上述通用的变速机构往往无法应用于小型机器人的机构关节之中。
另一方面，从实际应用的角度考察，高性能机器人的工作负载并不是恒定不变的。即机器人的重要关节必须能够在多种负载变化的情况下保证高性能的工作状态。尽管使用电动机控制技术可以实现机器人关节在大负载状态下低速工作、小负载状态下高速工作，但是可以调整的范围非常有限，同时电动机和传动机构的效率无法达到最佳。也就是说，无法在动态负载的情况下满足机构与负载的匹配。
在特种机器人领域，包括机器人的手臂关节、腿部关节、各种运动模块中，直动机构具有非常广泛的应用。在直动机构这一方面，通过电动机控制技术来适应负载变化的装置已经成功的被开发为系列产品。但是采用二级或者多级变速的机构来应对负载变化的装置仍然为数不多。其主要原因在于体积和重量的限制，使得紧凑的结构不易实现。然而，由于负载变化的多样性，在大负载和小负载并存的工作环境中，必须选择针对大负载而开发产品，这很大程度牺牲了对重量和体积的要求。
经对现有技术的文献检索发现，神谷好乘等在日本《精密工学会志》(PP.464，Vol.65，No.3，1999)上发表论文《Dynamic Characteristics of DC Servo MotorDriver by Conventional Servo Driver》(直流伺服电机动态性能的考察)中指出，固定减速比的单级传动机构中，伺服电机在负载变化大的情况下无法满足与负载的动态匹配，电机控制性能无法良好发挥。荻原哲夫等在日本《机械学会论文集C》(PP.1258，Vol.66，No.644，2000)上发表论文《Development of Dual ModeX-Screw a Novel Load-Sensitive Linear Actuator with a Wide TransmissionRange》(具有大速度·负载适应性的新型负载感应型直动机构DM X-Screw的开发)中提出能够实现负载自动匹配的新型直动机构。该机构使用丝杠和特制的偏心螺帽相配合，使用弹簧调整两者轴心的偏心距离，该弹簧的调整则由机构负载的变化按比例自动进行。该机构一定程度解决了在负载变化大的情况下的电机-负载匹配问题，其不足之处在于减速比变化不定，控制性能不佳，不存在空档或者制动状态。
发明内容
本发明针对现有直动机构，特别是应用于特种机器人领域的直动机构在大负载和结构紧凑、小型化等方面存在矛盾的问题，提供一种二级变速直动机构。使其具有结构紧凑，重量轻，体积小，直动行程大，二级变速转换时间快，具有空档或者制动状态等特点，能够高效的实现大负载和小负载之间的转换，能够方便的应用到类似特种机器人等领域中。
本发明是通过以下技术方案实现的。本发明包括主电动机、主电动机轴、两套同步带轮系、两套行星轮系、丝杠、拨动装置、直线运动绝对位置检测装置。所述的同步带轮系包括主动同步带轮、同步带、从动同步带轮。所述的行星轮系包括太阳轮、行星轮架、内齿圈、摩擦环。
所述的直线运动绝对位置检测装置同轴固定在丝杠上，检测丝杠的旋转运动，利用直线电位计将丝杠的旋转运动转换为直线运动的绝对位置数据。主电动机与主电动机轴固定连接，主电动机轴与两套行星轮系的太阳轮固定连接。两套行星轮系的行星轮架分别同轴固定在主动同步带轮上，可同轴绕主电动机轴自由旋转。两套行星轮系的摩擦环与内齿圈固定连接，与内齿圈一起同轴安装在主电动机轴上，可绕主电动机轴旋转。两套同步带轮系中的两个从动同步带轮同轴固定安装在丝杠上。拨动装置独立固定在行星轮系附近，与两套行星轮系的摩擦环动态接触。
所述的拨动装置包括小电动机、小电动机轴、两个拨动杆、两个拨动凸轮、两个制动摩擦靴、两个拉紧弹簧、两个复位扭簧、支撑柱、轴拖、固定支架。各部分的连接方式为小电动机与小电动机轴固定连接，两个制动摩擦靴分别固定在两个拨动杆上，两个拨动凸轮同轴固定在小电动机轴上，拉紧弹簧一端固定在固定支架上，另一端与拨动杆连接，拉动两个拨动杆使得两个拨动凸轮与两个拨动杆保持接触。两个制动摩擦靴可分别与两套行星轮系的摩擦环动态接触。复位钮簧一端与拨动凸轮连接，另一端与轴托连接。
所述的直线运动绝对位置检测装置，可以直接购买相关标准产品，属于类似电位计、编码器一类的产品。
本发明中，主电动机带动两套行星轮系运转，小电动机控制拨动装置的动作，使得制动摩擦靴选择其中一套行星轮系以输出动力，从而相应的同步带和从动同步带轮带动丝杠旋转，由此构成大行程的直动机构。
本发明的机构在高速与低速两级之间切换的时候，具有切换简便、时间短、不需复杂控制、切换后小电动机即可断电(机构状态自保持)的特点。需要切换速度级时，仅仅对小电动机进行通电，使其带动拨动凸轮正转或反转一段时间，即可达到速度级之间的切换。拨动杆端部设计L字形凸起，利用此特殊形状获得拨动凸轮转动的极限位置并使得小电动机无需继续通电就可以实现机构状态的自保持。
本发明的另外一个主要特点是在高速与低速两级之间存在空档或者制动状态，可根据实际应用选择。在拨动装置中使两个拨动凸轮分开某一角度同轴安装在小电动机轴上。此角度在具体应用中根据所需的换档时间确定。由此使得上述空档或者制动状态位于两速度级切换的过程中。即小电动机带动拨动凸轮转动时，首先切换到上述空档或者制动状态，然后切换到另一速度级。在某些机械工程以及特种机器人领域，需要对装置进行维护调整的时候，经常需要切断传动链以方便调整机构的姿态，方便进行监测等维护处理。另一方面，在例如需要静态支撑或把持的情况下，制动以保持姿态不变非常重要。本发明提供的空档或者制动状态，完全是在断电的情况下依靠机构自身形状实现，因此无需能量消耗，无需配备额外的离合器或者制动器。
本发明的变速机构可以实现大速度差，提供大行程的直线运动，速度级间切换控制简单，易通过计算机实现自动化控制。同时，机构结构紧凑，整体体积小重量轻，适用于特种机器人领域中的相关应用。
图1为本发明结构示意2为具有空档状态的拨动装置结构示意3为另一种具有空档状态的拨动装置结构示意4为具有制动状态的拨动装置结构示意5为另一种具有制动状态的拨动装置结构示意图具体实现方式下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1、图2、图3、图4和图5所示，本实施例包括主电动机1、主电动机轴2、两套同步带轮系3和4、两套行星轮系5和6、丝杠7、拨动装置8、直线运动绝对位置检测装置9。
所述的两套同步带轮系3和4，包括主动同步带轮10和12，从动同步带轮11和13、同步带14和15。
所述的两套行星轮系5和6结构相同，分别包括太阳轮16和17、行星轮架18和19、内齿圈20和21、摩擦环22和23。
所述的拨动装置8，包括小电动机24、小电动机轴25、拨动杆26和27、拨动凸轮28和29、制动摩擦靴30和31、拉紧弹簧32和33、复位扭簧34和35、支撑柱36、轴拖37、固定支架38。
各部件相互连接关系为主电动机1与主电动机轴2固定连接。太阳轮16和17同轴固定在主电动机轴2上。两个主动同步带轮10和12分别与其上方的两个行星轮架18和19同轴固定安装，均可绕主电动机轴2自由旋转。两套行星轮系的两个摩擦环22和23分别与两个内齿圈20和21固定连接，与两个内齿圈20和21一起同轴安装在主电动机轴2上，可绕主电动机轴2旋转。同步带14连接主动同步带轮10和从动同步带轮11，同步带15连接主动同步带轮12和从动同步带轮13。两个从动同步带轮11和13均同轴固定安装在丝杠7上。丝杠7旋转实现大行程直动机构。直线运动绝对位置检测装置9同轴固定安装在丝杠7上，检测丝杠的旋转运动，利用直线电位计将其转换为直线运动的绝对位置数据。
依靠拨动装置8来限制与两个内齿圈20和21同轴固定的两个摩擦环22和23的旋转，从而将来自主电动机1的动力传递到丝杠7。两个同步带轮系3和4以及两个行星轮系5和6构成两条动力传递路线。选择不同的传动比，则实现二级变速机构。控制拨动装置8的动作，既可以实现在两速度级间进行切换动作，也可以实现机构的制动状态或者空档状态。本实施例后续阐述如何设计拨动装置内部结构实现空档状态并且避免制动状态的出现。
图2为拨动装置8的具体结构示意图。拨动装置独立固定在行星轮系附近。各部分的连接方式为小电动机24与小电动机轴25固定连接，支撑柱36、轴拖37、固定支架38为辅助支撑部件，实现相关部件的定位。两个拨动杆26、27安装在支撑柱36上，可以分别绕其自由转动。两个制动摩擦靴30、31分别固定在两个拨动杆26、27上。两个拨动凸轮28、29同轴固定在小电动机轴25上。两个拉紧弹簧32、33分别安装在固定支架38与拨动杆26、27之间，拉动拨动杆26、27使得制动摩擦靴30、31与摩擦环22、23始终保持脱离状态，即在此状态下摩擦环22、23始终能够自由旋转。
拨动装置8的通常状态为图2所示，由于两个制动摩擦靴30、31与两个摩擦环22、23都处于脱离状态，机构整体处于空档状态。两个拨动凸轮28、29彼此分开某一角度固定在小电动机轴25上。小电动机24正反方向转动，拨动凸轮28或29分别与拨动杆26或27产生接触，推动拨动杆26或27使得制动摩擦靴30或31与摩擦环22或23接触，从而实现拨动装置8的闭合。拨动杆26和27端部设计为L字形凸起，拨动凸轮28或29推动拨动杆26或27之后不久接触到L字形凸起极限位置。此后即使保持小电动机24通电，也无法继续转动。拉紧弹簧32和33保证小电动机24断电后，拨动凸轮28或29能够稳定在拨动杆26或27的L字形凸起处。因此，在更换速度级之后，无需对小电动机24保持供电。
拨动装置8中的两个制动摩擦靴30、31与两个摩擦环22、23之间的制动方法依靠静摩擦制动。也可以变更为齿轮啮合制动方式。
由于两个拨动凸轮28和29之间存在某一角度，使得小电动机24只能在该角度范围内正反转。这一范围内存在本发明的三种状态高速级，空档状态，低速级。只要使小电动机24正反方向持续通电保持某一特定时间，就能实现在两个速度级之间的切换。需要到空档状态，则适当缩短通电时间即可使小电动机24运动到中间位置。拨动装置8的内部结构保证了本实施例不存在制动状态。
图3、图4和图5提供了另外三种拨动装置8的结构示意图。其工作原理与图2所述的拨动装置8一致。图3为另外一种带有空挡状态的二级变速直动机构，与图2不同的是，两个拉紧弹簧32和33都变更为压缩弹簧，压缩弹簧与两个拨动凸轮28和29处在拨动杆的两侧。图4为带有制动状态的二级变速直动机构。图5为另外一种带有制动状态的二级变速直动机构，与图4不同的是，两个拉紧弹簧32和33都变更为压缩弹簧，压缩弹簧与两个拨动凸轮28和29处在拨动杆的两侧。
权利要求
1.一种二级变速直动机构，包括主电动机、主电动机轴、丝杠、拨动装置，其特征在于，还包括两套同步带轮系、两套行星轮系、直线运动绝对位置检测装置，所述的同步带轮系包括主动同步带轮、同步带、从动同步带轮；所述的行星轮系包括太阳轮、行星轮架、内齿圈、摩擦环；所述的直线运动绝对位置检测装置同轴固定在丝杠上，检测丝杠的旋转运动，利用直线电位计将丝杠的旋转运动转换为直线运动的绝对位置数据，主电动机与主电动机轴固定连接，主电动机轴与两套行星轮系的太阳轮固定连接，两套行星轮系的行星轮架分别同轴固定在主动同步带轮上，可同轴绕主电动机轴自由旋转，两套行星轮系的摩擦环与内齿圈固定连接，与内齿圈一起同轴安装在主电动机轴上，可绕主电动机轴旋转，两套同步带轮系中的两个从动同步带轮同轴固定安装在丝杠上，拨动装置独立固定在行星轮系附近，与两套行星轮系的摩擦环动态接触。
2.根据权利要求1所述的二级变速直动机构，其特征是，所述的拨动装置包括小电动机、小电动机轴、两个拨动杆、两个拨动凸轮、两个制动摩擦靴、两个拉紧弹簧、两个复位扭簧、支撑柱、轴拖、固定支架，各部分的连接方式为小电动机与小电动机轴固定连接，两个制动摩擦靴分别固定在两个拨动杆上，两个拨动凸轮同轴固定在小电动机轴上，两个拉紧弹簧一端固定在固定支架上，另一端与拨动杆连接，拉动两个拨动杆使得两个拨动凸轮与两个拨动杆保持接触，两个制动摩擦靴可分别与两套行星轮系的摩擦环动态接触，复位钮簧一端与拨动凸轮连接，另一端与轴托连接。
3.根据权利要求2所述的二级变速直动机构，其特征是，所述的两个拨动杆端部设有L字形凸起。
4.根据权利要求2所述的二级变速直动机构，其特征是，所述的两个拉紧弹簧，或者替换为两个压缩弹簧，两个压缩弹簧与两个拨动凸轮处在两个拨动杆的两侧。
5.根据权利要求2所述的二级变速直动机构，其特征是，通过制动摩擦靴和摩擦环的摩擦方式实现二级变速，或者通过齿轮啮合方式实现二级变速。
6.根据权利要求2所述的二级变速直动机构，其特征是，两个拨动凸轮分开90-180度安装，由此实现空档或者制动状态。
全文摘要
一种二级变速直动机构，属于机械技术领域。本发明中，直线运动绝对位置检测装置同轴固定在丝杠上，主电动机与主电动机轴固定连接，主电动机轴与两套行星轮系的太阳轮固定连接，两套行星轮系的行星轮架分别同轴固定在主动同步带轮上，两套行星轮系的摩擦环与内齿圈固定连接，与内齿圈一起同轴安装在主电动机轴上，两套同步带轮系中的两个从动同步带轮同轴固定安装在丝杠上，拨动装置独立固定在行星轮系附近，与两套行星轮系的摩擦环动态接触。本发明可以实现大速度差，提供大行程的直线运动，速度级间切换控制简单，易通过计算机实现自动化控制。同时，机构结构紧凑，整体体积小重量轻。存在空档或者制动状态，无需额外配置离合器或者制动器。
文档编号F16H37/00GK1945058SQ20061011788
公开日2007年4月11日 申请日期2006年11月2日 优先权日2006年11月2日
发明者袁建军 申请人:上海交通大学