本发明涉及变速机构，尤其涉及用于机器人的同步带轮变速机构。
背景技术：
现有技术中，一个动力部件需要能同时适应多种输出工况，如高速小扭矩输出和低速高扭矩输出，通常采用变速机构使动力部件满足多种工况的要求。特别是在机器人动力输出差异较大时，往往需要进行非常大的变速比切换，使机器人的输出能适应不同的工况。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题在于避免上述现有技术的不足之处，而提出一种具有二级变速切换能力、无传动间隙、不打滑的用于机器人的同步带轮变速机构。
本发明解决问题的技术方案是一种用于机器人的同步带轮变速机构包括：支架、一级同步带轮传动机构和二级同步带轮传动机构，设置在支架上的用于外部动力输入的第一传动轴、用于变速传动的第二传动轴、动力输出轴和离合器控制装置，设置在第一传动轴上的第一离合器和设置在第二传动轴上的第二离合器；一级同步带轮传动机构包括用于同第一传动轴固定连接的一级小带轮、套接在第二传动轴上的一级大带轮，用于一级小带轮和一级大带轮之间传动的一级同步带；二级同步带轮传动机构包括用于同第二传动轴固定连接的二级小带轮、套接在第一传动轴上的二级大带轮、用于二级小带轮和二级大带轮之间传动的二级同步带；动力输出轴和二级大带轮固定连接；所述离合器控制装置用于控制第一离合器和第二离合器的择一接合；在第一离合器接合状态，外部动力依次经过第一传动轴、第一离合器、二级大带轮和动力输出轴输出；在第二离合器接合状态，外部动力依次经过第一传动轴、一级同步带轮传动机构、第二离合器、第二传动轴、二级同步带轮传动机构和动力输出轴输出。同现有技术相比较，该技术方案，在有限的空间内，在带轮直径受限的情况下，通过两级带轮串联实现大的变速比；特别适用于动力部件运行工况差异较大的场合，如一个动力部件需要能同时适应低速较高扭矩和高速低扭矩的情况。
第一离合器包括通过啮合接合的第一离合器主动部和第一离合器被动部；第一离合器主动部滑动套接在第一传动轴上；第一离合器被动部和二级大带轮固定连接；第二离合器包括通过啮合接合的第二离合器主动部和第二离合器被动部；第二离合器主动部滑动套接在第二传动轴上；第二离合器被动部和一级大带轮固定连接。
所述离合器控制装置，包括用于提供离合器切换动力的离合动力装置以及用于第一离合器和第二离合器推动的推力连接装置，离合动力装置连接驱动推力连接装置。
推力连接装置包括第一推动臂、第一推动部、第二推动臂、第二推动部和推力连接件中心部；推力连接件中心部，用于和离合动力装置连接获取动力；第一推动部通过第一推动臂和推力连接件中心部固定连接；第二推动部通过第二推动臂与推力连接件中心部固定连接；第一推动部套接在第一离合器主动部的一端，用于推动第一离合器主动部的运动；第二推动部套接在第二离合器主动部的一端，用于推动第二离合器主动部的运动。
所述离合器控制装置还包括第一弹性部件和第二弹性部件；所述第一推动部借助第一推动部轴承与第一离合器主动部连接，所述第一弹性部件套接在第一推动部轴承和第一离合器主动部之间；所述第二推动部借助第二推动部轴承与第二离合器主动部连接，所述第二弹性部件套接在第二推动部轴承和第二离合器主动部之间。
所述第一弹性部件为第一碟形弹簧；所述第二弹性部件为第二碟形弹簧。
所述离合器控制装置还包括用于将离合动力装置输出的转动变换成推力连接装置直线运动的运动方向变换装置；所述运动方向变换装置包括梯形丝杆和梯形丝杆螺母；所述离合动力装置的输出轴和梯形丝杆固定连接；中空结构的推力连接件中心部内壁上设有梯形丝杆螺母，所述推力连接装置通过梯形丝杆螺母套接在所述梯形丝杆上；或中空结构的推力连接件中心部内壁上设有和梯形丝杆配合的梯形丝杆螺纹，推力连接件中心部通过梯形丝杆螺纹和所述梯形丝杆连接；离合动力装置的输出轴转动带动所述梯形丝杆转动，所述梯形丝杆和梯形丝杆螺母配合将所述梯形丝杆的转动变换成所述推力连接装置沿所述梯形丝杆轴向的直线运动。
第一离合器被动部和第一离合器主动部采用三角形牙嵌式啮合；第二离合器主动部和第二离合器被动部采用三角形牙嵌式啮合。
所述支架包括第一支架和第二支架；第一传动轴、第二传动轴以及梯形丝杆的两端均通过轴承分别固定在第一支架和第二支架上，使该三个部件能绕各自轴心转动；在第二传动轴上还设置有用于承受轴向载荷轴向载荷的第一推力球轴承，第一推力球轴承设置在第一支架和一级大带轮之间；在第一传动轴上还设置有用于承受轴向载荷轴向载荷的第二推力球轴承，第二推力球轴承设置在第二支架和二级大带轮之间；所述梯形丝杆的两端还分别设置有用于承受轴向载荷轴向载荷的第一丝杆推力球轴承和第二丝杆推力球轴承；第一丝杆推力球轴承设置在梯形丝杆动力输入端和第一支架之间；第二丝杆推力球轴承设置在梯形丝杆非动力输入端和第二支架之间。
第一离合器主动部和第一传动轴通过传动间隙为微米级的花键实现轴向滑动连接；第二离合器主动部和第二传动轴通过梯形花键或滚珠花键实现轴向滑动连接。
一级小带轮和第一传动轴之间通过方轴或键等方式固定连接；二级小带轮和第二传动轴之间通过方轴或键等方式固定连接；二级大带轮通过两个第二深沟球轴承安装在第一传动轴上；一级大带轮通过两个第一深沟球轴承安装在第二传动轴上。
同现有技术相比较，本发明的有益效果是：在有限的空间内，在带轮直径受限的情况下，通过两级带轮串联实现大的变速比；本发明设计方案的变速比大，特别适用于动力部件运行工况差异较大的场合，如一个动力部件需要能同时适应低速较高扭矩和高速低扭矩的情况。
附图说明
图1是本发明优选实施例之一的俯视正投影示意图；
图2是本发明优选实施例之一的轴测投影示意图；
图3是图2沿第一传动轴100和第二传动轴200的轴心所在平面的横剖剖视图。
具体实施方式
以下结合各附图对本发明的实施方式做进一步详述。
如图1至图3所示，一级同步带轮传动机构510包括用于同第一传动轴100固定连接的一级小带轮511、通过轴承套接在第二传动轴200上的一级大带轮513，用于一级小带轮511和一级大带轮513之间传动的一级同步带512；一级小带轮511和第一传动轴100的动力输入端固定连接，一级小带轮511跟随第一传动轴100转动；一级小带轮511通过一级同步带512带动一级大带轮513；一级大带轮513和第二传动轴200通过轴承连接。
如图1至图3所示，二级同步带轮传动机构590包括用于同第二传动轴200固定连接的二级小带轮591、通过轴承套接在第一传动轴100上的二级大带轮593、用于二级小带轮591和二级大带轮593之间传动的二级同步带592；二级小带轮591和第二传动轴200固定连接，第二传动轴200的转动带动二级小带轮591转动；二级小带轮591通过二级同步带592带动二级大带轮593；二级大带轮593的动力输出端和动力输出轴600固定连接，用作同步带轮变速机构的动力输出端。
如图1至图3所示，第一离合器310包括第一离合器主动部311和第一离合器被动部312，第一离合器主动部311和第一离合器被动部312之间通过啮合传动；第一离合器主动部311套接在第一传动轴100上；第一离合器被动部312和二级大带轮593固定连接；离合器控制装置400控制第一离合器主动部311和第一离合器主动部311啮合时，外部动力依次经过第一传动轴100动力输入端、第一离合器主动部311、第一离合器被动部312、二级大带轮593，二级大带轮593的动力输出端和动力输出轴600固定连接，用作同步带轮变速机构的动力输出端。同步带轮变速机构处于高速低扭矩输出状态，传动比为1：1；动力传递路线如图3中的路径1所示。
如图1至图3所示，二级大带轮593通过第二深沟球轴承5931套接在第一传动轴100上；在第一离合器310接合状态时，第一传动轴100转动会带动第一离合器310转动，第一离合器310带动二级大带轮593转动。在第一离合器分离时，第一离合器主动部311可沿第一传动轴100滑动，也能跟随第一传动轴100转动；在第一离合器接合时，第一离合器主动部311跟随第一传动轴100转动，从而带动第一离合器整体跟随第一传动轴100转动。
如图1至图3所示，第二离合器390包括通过啮合传动的第二离合器主动部391和第二离合器被动部392；第二离合器主动部391滑动套接在第二传动轴200上；第二离合器被动部392和一级大带轮513固定连接；在第二离合器390分离时，第二离合器主动部391可沿第二传动轴200滑动，也能跟随第二传动轴200转动；第二离合器被动部392跟随一级大带轮513转动；在第二离合器390接合时，第二离合器主动部391跟随一级大带轮513转动，一级大带轮513带动第二离合器被动部392转动，并通过第二离合器390带动第二传动轴200转动；第二传动轴200带动二级小带轮591转动，二级小带轮591通过二级同步带592带动第二输出大带轮593转动输出。
如图1至图3所示，所述离合器控制装置400，包括用于提供离合器切换动力的离合动力装置430、用于第一离合器310和第二离合器390推动的推力连接装置410、用于将离合动力装置430的转动转换成推力连接装置410直线运动的运动方向变换装置420；运动方向变换装置420的输入端和离合动力装置430的动力输出端连接获得离合切换动力；运动方向变换装置420的输出端和推力连接装置410连接，推动推力连接装置410在轴向做直线运动。
如图1至图3所示，所述推力连接装置410，用于推动第一离合器主动部311和第二离合器主动部391沿其滑动套接的轴做轴向直线运动；推力连接装置410推动实现第一离合器主动部311和第一离合器被动部312啮合，第二离合器主动部391和第二离合器被动部392分离；或推力连接装置410推动实现第一离合器主动部311和第一离合器被动部312分离，第二离合器主动部391和第二离合器被动部392啮合。
如图1至图3所示，推力连接装置410包括第一推动臂411、第一推动部417、第二推动臂412、第二推动部418和推力连接件中心部413；推力连接件中心部413用于推力连接装置410和运动方向变换装置420连接获取动力；第一推动部417通过第一推动臂411和推力连接件中心部413固定连接；第二推动部418通过第二推动臂412推力连接件中心部413固定连接；所述推力连接装置410包括第一推动部417和第二推动部418；第一推动部417通过第一推动部轴承4171套接在第一离合器主动部311的一端，用于推动第一离合器主动部311的运动；第二推动部418通过第二推动部轴承4181套接在第二离合器主动部391的一端，用于推动第二离合器主动部391的运动。
所述离合器控制装置400还包括两个用于离合器接合到位检测的离合器检测装置，该离合器检测装置包括相对设置的传感器和传感器感应板，传感器会检测其和传感器感应板之间的距离，该距离和离合器主动部的行程距离对应，离合器检测装置用于检测离合器是否接合到位。第一离合器检测装置416的第一传感器感应板4162固定在第二推动臂412上，第一传感器4161的固定位置和第一传感器感应板4162以及第一离合器被动部的位置对应。第一传感器4161可以固定在第二支架920上，也可以固定在其他部件上。第二离合器检测装置415的第二传感器感应板4152固定在第一推动臂上，第二传感器4151的固定位置和第二传感器感应板4152以及第二离合器被动部的位置对应。第二传感器4151可以固定在第一支架910上，也可以固定在其他部件上。
如图1至图3所示，所述离合器控制装置400还包括第一弹性部件440和第二弹性部件460；第一弹性部件440套接在第一推动部轴承4171和第一离合器主动部311之间，用于进一步推动第一离合器主动部311向第一离合器被动部312运动，增加第一离合器310接合时的啮合保持力；第二弹性部件460套接在第二推动部轴承4181和第二离合器主动部391之间，用于进一步推动第二离合器主动部391向第二离合器被动部392运动，增加第二离合器390接合时的啮合保持力。所述第一弹性部件为第一碟形弹簧；所述第二弹性部件为第二碟形弹簧。
如图1至图3所示，所述运动方向变换装置420包括梯形丝杆422、梯形丝杆螺母424；所述离合动力装置430输出轴和梯形丝杆422固定连接；梯形丝杆422用于支撑固定所述推力连接装置410，推力连接件中心部413为中空结构，其内壁上设置有梯形丝杆螺母424，所述推力连接装置410通过梯形丝杆螺母424套接在梯形丝杆422上；离合动力装置430的输出轴转动带动所述梯形丝杆422转动，所述梯形丝杆422和梯形丝杆螺母424配合将所述离合动力梯形丝杆422的转动变换成所述推力连接装置410沿所述梯形丝杆422轴向的直线运动。所述离合动力装置430包括舵机431或电机。
梯形丝杆螺母424和推力连接件中心部413可以结合在一起成为一个部件，即在推力连接件中心部的中空内壁上设置和梯形丝杆配合的螺纹，使该推力连接件中心部413起到梯形螺母的作用。
由于梯形丝杆和梯形丝杆螺母之间的连接方式具有自锁功能，在离合器接合状态时，当离合动力装置的动力输出停止后，离合器还能保持锁定在啮合的位置，无需离合动力装置持续输出动力，确保了离合器接合的可靠性。
如图1至图3所示，第一离合器被动部312和第一离合器主动部311采用三角形牙嵌式啮合；第二离合器主动部391和第二离合器被动部392采用三角形牙嵌式啮合。该三角形齿牙可以是正三角形，也可以是其他类型三角形，包括直角三角形和等腰三角形。
如图1至图3所示，所述支架900包括第一支架910和第二支架920；第一传动轴100、第二传动轴200以及梯形丝杆422，该三个部件的两端均通过轴承分别固定在第一支架910和第二支架920上，使该三个部件能绕各自轴心转动。
如图3所示，第一传动轴100的一端通过两个第一传动轴轴承110安装在第一支架910上；二级大带轮593通过两个第二深沟球轴承5931安装在第一传动轴100上；动力输出轴600一端和二级大带轮593固定连接，动力输出轴600和第一传动轴100以及二级大带轮593同轴设置，动力输出轴600的另一端通过两个动力输出轴轴承610安装在第二支架920上。
如图3所示，梯形丝杆422的两端分别通过两个梯形丝杆轴承4223安装在第一支架910和第二支架920上。
如图3所示，所述梯形丝杆422的两端还设置有用于承受轴向载荷的第一丝杆推力球轴承4221和第二丝杆推力球轴承4222；第一丝杆推力球轴承4221设置在梯形丝杆422动力输入端的端部和第一支架910之间；第二丝杆推力球轴承4222设置在梯形丝杆422非动力输入端和第二支架920之间。上述各推力球轴承还可以被替换为圆柱推力轴承、圆锥滚子轴承和角接触球轴承等适用于承受轴向载荷的轴承。
如图3所示，一级小带轮511和第一传动轴100之间通过方轴固定连接；二级小带轮591和第二传动轴200之间通过方轴固定连接。一级大带轮513通过两个第一深沟球轴承5131安装在第二传动轴200上。
如图3所示，第二传动轴200的两端分别通过第二传动轴轴承210安装在第一支架910和第二支架920上。可以在第二传动轴200的两端分别设置两个第二传动轴轴承210，共四个第二传动轴轴承210；也可以在第二传动轴200的两端分别设置一个第二传动轴轴承210共两个第二传动轴轴承210；也可以在第二传动轴200的一端分设置一个第二传动轴轴承210，另一端设置两个第二传动轴轴承210，共四个第二传动轴轴承210。
如图3所示，在第二传动轴200上还设置有用于承受轴向载荷的第一推力球轴承5139，第一推力球轴承5139设置在第一支架910和一级大带轮513之间；
如图3所示，在动力输出轴600上还设置有用于承受轴向载荷的的第二推力球轴承5939，第二推力球轴承5939设置在第二支架920和二级大带轮593之间。
上述各推力球轴承还可以被替换为圆柱推力轴承、圆锥滚子轴承和角接触球轴承等适用于承受轴向载荷的轴承。
如图3所示，第一离合器主动部311和第一传动轴100通过梯形花键或滚珠花键实现滑动连接；在第一离合器分离状态时，第一离合器主动部311能在第一传动轴100上沿轴向滑动，也会跟随第一传动轴100转动；在第一离合器接合状态时第一离合器主动部311会跟随第一传动轴100转动。第一离合器主动部311和第一传动轴100之间也可以通过其他传动间隙小的花键连接，尤其是传动间隙在微米级的花键。
如图3所示，第二离合器主动部391和第二传动轴200通过梯形花键或滚珠花键实现滑动连接；在第二离合器分离状态时，第二离合器主动部391能在第二传动轴200上沿轴向滑动，也会跟随第二传动轴200转动；在第二离合器接合状态时，第二离合器主动部391会跟随第二传动轴200转动。
第二离合器主动部391和第二传动轴200之间也可以通过其他传动间隙小的花键连接，尤其是传动间隙在微米级的花键。
现有技术传动装置中涉及的变速机构，通常采用齿轮有级变速或摩擦式无级变速，但是齿轮啮合不仅会产生传动间隙影响控制精度，而且啮合间隙也会产生噪声；无级变速通常采用摩擦传动来实现，虽然能消除传动间隙，但在承受载荷突然变化时或切换变速时容易打滑，无法实现快速高可靠性的变速切换。
同现有技术相比较，本发明三角形牙嵌式离合器的设计方式避免了啮合空回，不仅消除了传动间隙，而且消除了传动打滑的隐患；本发明中设置的蝶形弹簧增加了离合器接合状态下的啮合保持力，使得传动更为可靠；多处推力球轴承的设置，使得同步带轮变速机构能承受较大的啮合保持力，避免结构损坏。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。