传动比周期性变化的少齿差行星齿轮传动装置的制作方法

本发明涉及行星齿轮传动领域，特别是涉及一种传动比能够周期性变化的少齿差行星齿轮传动装置。

背景技术：

少齿差行星传动装置广泛应用于机器人关节等精密传动领域，是机器人的核心关键零部件，是影响机器人整机性能的重要因素。目前机器人关节减速机的主要形式有日本的rv传动、谐波传动、捷克的twinspin传动和美国的dojen传动等。在对机器人进行运动轨迹规划时，需要对关节的输出速度进行控制，且往往要求输出速度具有周期性变化特点。由于上述传动装置的传动比在运转过程中不能变化，目前主要通过对驱动装置的控制来实现，造成系统结构复杂、体积较大且成本较高。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种传动比周期性变化的少齿差行星齿轮传动装置，传动结构简化，传动精度易于保证，并且能够实现传动比的周期性变化。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明技术方案如下：

一种传动比周期性变化的少齿差行星齿轮传动装置，包括中心轴、内齿轮、左行星轮、右行星轮、左端盘和右端盘，所述左行星轮、右行星轮偏心地套设在中心轴上，并分别与内齿轮啮合，所述左端盘和右端盘可转动安装在中心轴上，所述左行星轮与左端盘之间以及右行星轮与右端盘之间设置有用于约束左行星轮和右行星轮运动轨迹的约束机构。

采用上述结构，设置在左行星轮与左端盘之间以及右行星轮与右端盘之间的约束机构，约束了左行星轮、右行星轮相对于中心轴的可摆动自由度，从而约束了左行星轮和右行星轮的运动，实现了传动比的改变；相对于传统的少齿差行星齿轮传动装置本发明能够通过传动装置约束机构的设计改变传动比，并且传动比可以实现周期性变化，从而在应用过程中，减少对输入速度的控制，而可以实现恒定转速的输入，周期性变化的转速输出。此外，本发明相对于传统的少齿差行星齿轮易于装配，传动效率高，传动精度高；传动比变化形式和范围易于通过约束机构实现，设计灵活；零部件少，结构简单紧凑，便于加工装配。

进一步，所述约束机构包括柱销和导向槽；所述柱销伸入导向槽内并能在外力作用下沿导向槽的轮廓曲线移动，所述柱销和导向槽中，其中一个设置在左行星轮和右行星轮上，另一个设置在左端盘和右端盘上。

即导向槽设置在左端盘和右端盘上，柱销设置在左行星轮和右行星轮上。或者导向槽设置在左行星轮和右行星轮上，柱销设置在左端盘和右端盘上。导向槽与柱销组成可相对运动的连接关系，结构简单，易于装配；导向槽与柱销的加工精度容易保证，有利于提高装置的传动精度。其中，导向槽是沿周向设置的一圈，柱销沿着导向槽的轮廓曲线移动，从而使左行星轮和右行星轮相对于中心轴产生一定的摆动，实现传动比的改变。并且可以根据不同的传动比要求，设计相应的导向槽轮廓走向，传动比变化形式和范围易于实现，设计灵活。

进一步，所述左行星轮与右行星轮相位相差180°；所述柱销固定安装在左行星轮的左端面和右行星轮的右端面上，所述导向槽开设在左端盘的右端面和右端盘的左端面上。

进一步，所述左行星轮和右行星轮上开设有销孔，所述柱销与销孔过盈配合。

进一步，所述柱销上可转动地套设有柱销套，所述柱销套伸入导向槽内与导向槽配合。在柱销沿于导向槽移动过程中，通过柱销套将柱销与导向槽槽壁的滑动摩擦改变为滚动摩擦，有利于减少摩擦损失，提高传动效率。

进一步，所述中心轴、内齿轮、左端盘、右端盘三类部件中，固定其中一类部件，另一类作为输入部件，剩余一类作为输出部件。

具体地，当左端盘、右端盘固定时，中心轴和内齿轮其中一个为输入，另一个为输出。当中心轴固定时，内齿轮为输入，左端盘、右端盘为输出；或左端盘、右端盘为输入，内齿轮为输出。当内齿轮固定时，中心轴为输入，左端盘、右端盘为输出；或左端盘、右端盘为输入，中心轴为输出。

进一步，所述左行星轮、右行星轮通过双偏心转臂轴承或双偏心套与轴承安装在中心轴上；所述左端盘和右端盘分别通过第一轴承安装在中心轴上，并与内齿轮之间通过第二轴承连接。

进一步，所述左行星轮和右行星轮之间设置有隔环，以避免相互干涉。

本发明还提供一种传动比周期性变化的少齿差行星齿轮传动装置，包括中心轴、内齿轮、行星轮、左端盘和右端盘，所述左端盘和右端盘可转动安装在中心轴上，所述行星轮位于左端盘和右端盘之间，该行星轮偏心地套设在中心轴上，并与内齿轮啮合，所述行星轮与左端盘和/或右端盘之间设置有用于约束行星轮运动轨迹的约束机构。

具体地，行星轮与左端盘和右端盘之间分别设置有约束机构，或者只与其中之一设置有约束机构。约束机构可采用柱销和导向槽的配合方式，柱销和导向槽中，其中一个设置在行星轮上，另一个设置在左端盘和/或右端盘上。其结构和原理与上述相同。

下面以左端盘和右端盘固定，中心轴作输入，内齿轮作输出的情况对其原理进行说明。中心轴通过双偏心轴承驱动左行星轮和右行星轮转动，由于安装在左行星轮和右行星轮上的柱销及柱销套分别放置在左端盘和右端盘的导向槽内，柱销及柱销套沿着导向槽齿廓滚动，从而使左行星轮和右行星轮相对于输入轴产生一定的摆动。

设z1和z2分别为行星轮(左行星轮和右行星轮相同)和内齿轮的齿数，m为齿轮的模数，rf为柱销半径，rb为导向槽基圆半径，lr为行星轮上柱销孔中心与行星轮中心之间的距离，c为行星轮和内齿轮之间的中心距，则有

根据几何关系，有如下关系成立

rb+rf-c<lr<rb+rf+c(4)

由传动原理可知，输出转速由两部分组成，一部分中心轴的转速，另一部分为行星轮相对于中心轴产生的摆动速度，其中摆动速度的形式和大小与端盘上导向槽的轮廓曲线有关。由于导向槽的轮廓曲线为中心轴转角的函数，则行星轮相对于中心轴产生的摆动角度也可以看作中心轴转角的函数。

设θ1和θ2分别为输入轴和输出轴的转角，η(θ1)为行星轮相对于输入轴产生的摆动转角，ω1和ω2分别为输入轴和输出轴的转速，ωη为行星轮相对于输入轴产生的摆动转速，t为时间，i为传动比，则有

转角之间的关系为

传动装置输出转速的计算式为：

传动装置传动比的计算式为：

其中，ω1为传动装置输入中心轴的转速；ω2为传动装置输出内齿轮的转速；i为传动比；θ1为输入中心轴的转角；η(θ1)为行星轮相对于输入中心轴产生的摆动转角；ωη为行星轮相对于输入中心轴产生的摆动转速；t为时间；z1为行星轮的齿数；z2为内齿轮的齿数。通过改变导向槽的轮廓曲线形状，即改变行星轮相对于输入中心轴的摆动转角η(θ1)，就可以改变传动比的变化形式和范围。

本发明中不同部件固定、输入和输出的情况，其原理相同，在此不再赘述。

如上所述，本发明的有益效果是：

1该传动装置的传动比可周期性变化，当输入转速固定时，输出速度范围更加广泛。

2、该传动装置实现输出转速变化的约束机构由端盘上的导向槽和行星轮上的柱销组成，结构简单易于装配。

3、该传动装置的约束机构中导向槽与柱销组成滚动摩擦副，有利于减少摩擦，提高传动效率。

4、该传动装置约束机构中导向槽与柱销的加工精度容易保证，从而有利于提高装置的传动精度。

5、该传动装置只需对导向槽轮廓曲线进行设计，就可以得到输出速度不同的变化形式和输出范围，设计灵活。

6、该传动装置零部件少，结构简单紧凑，便于加工装配。

附图说明

图1为本发明实施例1的剖视图；

图2为本发明实施例1的a-a视图；

图3为本发明实施例1的b-b视图；

图4为本发明实施例1的爆炸视图；

图5为本发明实施例1端盘上导向槽的轮廓曲线图；

图6为本发明实施例1一个周期内的输出转速的变化曲线图；

图7为本发明实施例1一个周期内传动比的变化示意图。

图8为本发明实施2的剖视图。

零件标号说明

1-左端盘；2-密封件；3-内齿轮；4-左行星轮；5-隔环；6-右行星轮；7-大端面轴承；

8-右端盘；9-双偏心轴承；10-小端面轴承；11-中心轴；12-垫片；13-柱销套；14-柱销；

15-导向槽；行星轮16。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

实施例1

如图1至图4所示，本发明提供一种传动比周期性变化的少齿差行星传动装置，包括中心轴11、左行星轮4、右行星轮6、内齿轮3、左端盘1、右端盘8、大端面轴承7、小端面轴承10，左行星轮4和右行星轮6通过双偏心轴承9安装在中心轴11上，左行星轮4和右行星轮6的外齿分别与内齿轮3啮合，其他实施方式中内齿轮3也可以为由针齿和壳体组成等。左端盘1和右端盘8位于左行星轮4和右行星轮6的外侧；左端盘1和右端盘8分别通过一个小端面轴承10同轴地安装在中心轴11上，左端盘1和内齿轮3的左端以及右端盘8与内齿轮3右端分别设置有大端面轴承7；其中左端盘1与内齿轮3之间还设置有密封件2；关键在于：在左行星轮4与左端盘1之间以及右行星轮6与右端盘8之间设置有约束机构，分别用于约束左行星轮4和右行星轮6运动轨迹的。

由于左行星轮4、右行星轮6与中心轴11存在可相对摆动的自由度，因而在这种状态下左行星轮4、右行星轮6的运动轨迹是不确定的；本发明在左行星轮4与左端盘1之间以及右行星轮6与右端盘8之间设置约束机构，一方面限定了左行星轮4、右行星轮6的运动轨迹，另一方面通过约束机构所限定的运动轨迹，可实现传动比的改变；相对于传统的少齿差行星齿轮传动装置，本发明能够通过传动装置约束机构的设计改变传动比，并且传动比呈周期性变化，从而在应用过程中，减少对输入速度的控制，而可以实现恒定转速的输入，周期性变化的转速输出。此外，本发明相对于传统的少齿差行星齿轮易于装配，传动效率高，传动精度高；传动比变化形式和范围易于通过约束机构实现，设计灵活；零部件少，结构简单紧凑，便于加工装配。左行星轮4和右行星轮6与内齿轮3的齿廓无特殊要求，可为常见的渐开线和摆线等。

本例中，约束机构包括柱销14和导向槽15；其中柱销14伸入导向槽15内并能在外力作用下沿导向槽15的轮廓曲线移动；在一个实施方式中，导向槽15设置在左端盘1和右端盘8上，柱销14设置在左行星轮4和右行星轮6上；在一个实施方式中导向槽15设置在左行星轮4和右行星轮6上，柱销14设置在左端盘1和右端盘上；导向槽15与柱销14组成可相对运动的配合关系，结构简单，易于装配；导向槽15与柱销14的加工精度容易保证，有利于提高装置的传动精度。其中，导向槽15是沿周向设置的一圈环槽，柱销14沿着导向槽15的轮廓曲线移动，从而使左行星轮4和右行星轮6相对于中心轴11产生一定的摆动，实现传动比的改变；随着导向槽15轮廓曲线的变化，传动比相应地改变，进而在输入转速恒定的情况下，改变了输出转速。

作为优选，柱销14固定安装在左行星轮4的左端面和右行星轮6的右端面上，导向槽15开设在左端盘1的右端面和右端盘8的左端面上。为了便于加工和装配，并保证安装精度；在左行星轮4和右行星轮6的端面上加工有销孔，柱销14通过与销孔过盈配合的方式安装在左行星轮4和右行星轮6上。

传统的少齿差行星传动机构，其设置的多根销轴是作为输出机构使用；本发明通过导向槽15和柱销14约束了行星轮的运动轨迹。传统的少齿差行星传动机构，其设置的多根销轴，穿过分布在左行星轮和右行星轮上的柱销孔，与偏心的转臂轴承构成平行四边形机构，将行星轮的减速运动按1:1输出到左端盘和右端盘，主要作为输出机构使用；本发明中由导向槽15和柱销14组成的机构，除起到输出机构的作用以外，更重要的作用是作约束机构使用，通过柱销14与导向槽15的接触约束了行星轮的运动轨迹，从而改变机构的传动比，通过设计不同的导向槽15的齿廓形式，即可得到不同的传动比变化形式。

在一个优选的实施方式中，柱销14上可转动地安装有柱销套13，柱销套13伸入导向槽15内与导向槽15配合。在柱销14沿于导向槽15移动过程中，通过柱销套13将柱销14与导向槽15槽壁的滑动摩擦改变为滚动摩擦，有利于减少摩擦损失，提高传动效率。

为避免干涉，隔环5设置在左行星轮4和右行星轮6之间，将两者隔离开。左行星轮4与右行星轮6相位相差180°。

本传动装置，中心轴11、内齿轮3、端盘(左端盘1、右端盘8)三类部件中，固定其中一类部件，另一类作为输入部件，剩余一类作为输出部件。具体地，当左端盘1、右端盘8固定时，中心轴11为输入，内齿轮3为输出；或者内齿轮3为输入，中心轴11为输出。当中心轴11固定时，内齿轮3为输入，左端盘1、右端盘8为输出；或左端盘1、右端盘8为输入，内齿轮3为输出。当内齿轮3固定时，中心轴11为输入，左端盘1、右端盘8为输出；或左端盘1、右端盘8为输入，中心轴11为输出。

本例中以左端盘1和右端盘8固定、中心轴11作输入、内齿轮3作输出进行说明，左行星轮4、右行星轮6和内齿轮3的齿廓曲线渐开线内啮合，导向槽15轮廓曲线随输入轴(中心轴11)转角的运动规律为摆线运动规律。

实施例的设计参数为：

z1＝29，z2＝30，m＝3，lr＝66.5，rf＝6.5，rb＝60，

导向槽15轮廓曲线随输入轴转角的摆线运动规律如下。

推程时(0≤θ1≤β)，

回程时(β≤θ1≤2β)，

式中，h为推程行程，β为推程的回转转角。本实施例中取h＝10π，β＝π，则

推程时(0≤θ1≤π)，

η(θ1)＝10θ1-5sin(2θ1)

回程时(π≤θ1≤2π)，

η(θ1)＝20π-10θ1+5sin[2(θ1-π)]

则推程时的输出角速度为

则推程时的传动比为

则回程时的输出角速度为

则回程时的传动比为

当给定输入速度，根据上述公式即可计算出输出角速度和传动比随转角的变化。图6和图7为输入转速为1500rpm时，输出角速度和传动比随转角的变化曲线图。

图6为本发明实施例的输出速度，图7为本发明实施例的传动比。由图6和图7，当输入轴以1500rpm匀速旋转时，输出轴的转速将在1315rpm～1684rpm之间有规律的周期性变化，相应的传动比将在1.14～0.89之间有规律的周期性变化，表明该装置的传动比可以在单个周期(行星轮沿内齿轮3运动一圈为一个周期)内连续变化，并且呈周期性循环，输出速度的范围更加广泛。如要得到传动比和输出速度不同的变化形式和范围，只需对左端盘1和右端盘8上的导向槽15轮廓曲线进行设计，设计灵活易于加工。本发明中由导向槽15与柱销14组成的可动连接，结构简单，易于装配；可动连接为滚动摩擦副，有利于减少摩擦损失，提高传动效率；导向槽15与柱销14的加工精度容易保证，有利于提高装置的传动精度。本发明零部件少，结构简单，便于加工装配。

实施例2

如图8所示，本例与实施例1的不同之处在于，本例中行星轮为一个，行星轮16位于左端盘1和右端盘8之间，行星轮16与左端盘1或右端盘8之间设置所述约束机构，约束机构仍采用实施例1中柱销14和导向槽15的配合结构，并设置减少摩擦的柱销套13。其传动原理与实施例1相同。

在另一个实施方式中，也可以在左端盘1和右端盘8与行星轮16之间分别设置约束机构，即，左端盘1和右端盘8上分别设置导向槽15，行星轮16左右端分别安装柱销14，以保证行星轮运动的稳定性。

在一个实施方式中，柱销14和导向槽15的位置可互换。

本发明传动比可以周期性变化；零部件少、结构简单、易于装配、传动效率高和传动精度易于保证。可应用于机器人关节，如步态行走控制等，在对传动比有变化要求的动力传动和精密传动等场合也有非常大的应用空间。

任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。