行星减速器及一体化关节

1.本发明涉及人形机器人设计技术领域，更为具体地，涉及一种行星减速器及一体化关节。


背景技术：

2.人形机器人的一体化驱动关节需具备良好的反向驱动能力，使机器人在遭受碰撞或跌倒时具备一定的柔性，以确保机器人安全运行。
3.然而，目前常用的谐波减速器的反向传动效率极低，采用谐波减速器的驱动关节不具备反向驱动的能力，使得机器人在受到碰撞或跌倒时极易损坏，因而不适用于人形机器人的驱动单元。
4.行星减速器可以实现较大的承载能力，具备高效的正向和反向传动能力，因而它适用于人形机器人驱动单元的传动系统；但是，由于现有的行星减速器中的齿轮传动存在侧隙，导致现有的行星减速器存在传动间隙，使机器人驱动关节在传动反向变换时容易引起冲击，并且会降低传动精度。
5.因此，亟需一种能够有效避免传动间隙的行星减速器来实现无传动间隙的正向和反向运动输出，提高减速器的传动精度和传动效率，保证机器人平稳、可靠地运行。


技术实现要素：

6.鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种行星减速器及一体化关节，以解决现有的人形机器人的一体化驱动关节中的行星减速器存在传动间隙的问题。
7.本发明提供的行星减速器包括同轴设置的第一太阳轮、第二太阳轮、第一内齿圈、第二内齿圈以及输出轴；其中，所述第一太阳轮和所述第二太阳轮相并联，所述第一内齿圈设置在所述第一太阳轮以及所述第二太阳轮的外围，在所述第一太阳轮与所述第一内齿圈之间啮合连接有第一行星轮，在所述第二太阳轮与所述第一内齿圈之间啮合有第二行星轮；并且，在所述第一行星轮的一侧设置有第三行星轮和第四行星轮，所述第三行星轮与所述第一行星轮同步固定连接，所述第四行星轮与所述第二行星轮同步固定连接，所述第三行星轮以及所述第四行星轮均与所述第二内齿圈相啮合，所述输出轴与所述第二内齿圈同步固定。
8.此外，优选的方案是，所述第一太阳轮和所述第二太阳轮通过第一轴承转动连接，形成并联式结构。
9.此外，优选的方案是，所述第一行星轮和所述第三行星轮同轴并通过平键固定连接；所述第二行星轮与第四行星轮为一体式双联齿轮结构。
10.此外，优选的方案是，所述一体式双联齿轮结构与所述第一行星轮的轴通过第二轴承转动连接，形成并联式结构。
11.此外，优选的方案是，还包括机壳，所述第一内齿圈与所述机壳固定连接，所述第
二内齿圈通过第三轴承与所述机壳转动连接。
12.此外，优选的方案是，还包括行星架，所述第一行星轮、所述第二行星轮、所述第三行星轮以及所述第四行星轮均安装于所述行星架上。
13.另一方面，本发明还提供一种一体化关节，包括第一电机、第二电机以及如前述的行星减速器；其中，所述第一电机包括第一转子和第一定子，所述第二电机包括第二转子和第二定子，所述第一定子和所述第二定子均固定于所述行星减速器的机壳上，所述第一转子与所述第一太阳轮的轴固定连接，所述第二转子与所述第二太阳轮的轴固定连接。
14.此外，优选的方案是，一体化关节还包括第一编码器和第二编码器，其中，所述第一编码器与所述第一电机电性连接，所述第二编码器与所述第二电机电性连接。
15.此外，优选的方案是，所述第一电机带动所述第一太阳轮转动，所述第二电机带动所述第二太阳轮转动；并且，所述第一电机与所述第二电机之间的相位差与所述行星减速器的传动间隙值对应。
16.此外，优选的方案是，在所述行星减速器运行过程中，所述第一太阳轮与所述第一行星轮的啮合齿轮副的一侧的齿面贴紧，所述第一行星轮与所述第一内齿圈的啮合齿轮副的另一侧的齿面贴紧；所述第二太阳轮与所述第二行星轮的啮合齿轮副的一侧的齿面贴紧，所述第二行星轮与所述第一内齿圈的啮合齿轮副的另一侧的齿面贴紧；所述第三行星轮与所述第二内齿圈的啮合齿轮副的一侧的齿面贴紧、所述第四行星轮与所述第二内齿圈的啮合齿轮副的另一侧的齿面贴紧。
17.和现有技术相比，上述根据本发明的行星减速器，有如下有益效果：本发明提供的一体化关节中的行星减速器，在正向传动时，电机（包括第一电机和第二电机）运动，由太阳轮（包括第一太阳轮和第二太阳轮）输入，第二内齿圈输出；而反向传动时，电机运动由第二内齿圈输入，太阳轮输出。相互并联的两个太阳轮分别由两个电机驱动，它们分别与两个并联式的行星轮啮合，经同一个固定内齿圈，将运动传递给另一侧的并联式行星轮，该并联式行星轮与同一个输出内齿圈啮合，将最终的运动输出。反向传动时，情况正好相反。两个电机运行时保持一定的相位差，可以使减速传动系统实现正向和反向无传动间隙的运动输出，提高减速器的传动精度，减小了振动与冲击。本发明提供的行星减速器的优良的反向驱动能力能够使机器人具备良好的柔性或具备良好的与外部环境交互能力，当机器人遭受冲击或跌倒时能够避免损毁，或与人协作时可以保证本质安全的人机交互；通过齿数及变位系数等参数配置可使减速器实现高效的正向和反向传动能力，使得一体化关节具备优良的双向驱动能力。
18.为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。
附图说明
19.通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：图1为本发明的实施例提供的一体化关节的原理图；图2为本发明的实施例提供的一体化关节的主视剖面结构图；图3为本发明的实施例提供的一体化关节的在a-a或b-b位置的侧视剖面结构图；图4为本发明的实施例提供的一体化关节的在c-c或d-d位置的侧视剖面结构图；图5为本发明的实施例提供的行星减速器的在a-a和b-b位置的齿轮啮合状态图；图6为本发明的实施例提供的行星减速器的在c-c和d-d位置的齿轮啮合状态图；附图标记：第一太阳轮s1、第二太阳轮s2、第一内齿圈r1、第二内齿圈r2、输出轴100、第一行星轮p11、第二行星轮p21、第三行星轮p12、第四行星轮p22、第一定子m11、第一转子m12、第二定子m21、第二转子m22、第一编码器200、第二编码器300、轴承400、行星架500、平键600、机壳700。
20.在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。
具体实施方式
21.在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。
22.图1示出了本发明的实施例提供的一体化关节的原理，图2示出了本发明的实施例提供的一体化关节的主视剖面结构，图3示出了本发明的实施例提供的一体化关节的在a-a或b-b位置的侧视剖面结构，图4示出了本发明的实施例提供的一体化关节的在c-c或d-d位置的侧视剖面结构图。
23.结合图1至图4可知，本发明提供一体化关节中的行星减速器包括同轴设置的第一太阳轮s1、第二太阳轮s2、第一内齿圈r1、第二内齿圈r2以及输出轴100；其中，第一太阳轮s1与第二太阳轮s2并排设置，并且，第一太阳轮s1和第二太阳轮s2相并联组成并联式结构，第一内齿圈r1设置在第一太阳轮s1以及第二太阳轮s2的外围（即第一内齿圈r1围绕第一太阳轮s1以及第二太阳轮s2设置），在第一太阳轮s1与第一内齿圈之间啮合连接有第一行星轮p11（即第一行星轮p11的一侧与第一太阳轮s1啮合，另一侧与第一内齿圈啮合），在第二太阳轮s2与第一内齿圈之间啮合有第二行星轮p21（即第二行星轮p21的一侧与第二太阳轮s2啮合，另一侧与第二内齿圈啮合）；在第一行星轮p11（或第二行星轮p21）的一侧设置有第三行星轮p12和第四行星轮p22，第三行星轮p12与第一行星轮p11同步固定（此处指同轴且同步转动，下同）连接，第四行星轮p22与第二行星轮p21同步固定连接，第二内齿圈r2设置在第三行星轮p12以及第四行星轮p22的外围，第三行星轮p12以及第四行星轮p22均与第二内齿圈r2相啮合，输出轴100与第二内齿圈r2同步固定。
24.需要说明的是，第一太阳轮s1、第二太阳轮s2、第一内齿圈r1、第二内齿圈r2以及输出轴100同轴设置是指各部件的中轴线处于同一直线上，但各部件之间的转动关系并不一定同步。
25.具体地，为实现第一太阳轮s1和第二太阳轮s2的并联，第一太阳轮s1和第二太阳
轮s2可以通过第一轴承形成可相对转动的连接，从而组成并联式结构，实现两者的并联。此外，为实现第一行星轮p11和第三行星轮p12的同步固定，第一行星轮p11和第三行星轮p12可以同轴设置并通过平键600进行固定连接。另外，由于第二行星轮p21与第四行星轮p22之间的距离较近，且结构相同，因此，为实现第四行星轮p22与第二行星轮p21的同步固定，第二行星轮p21与第四行星轮p22可以直接设置成一体结构，两者之间组成一个一体式双联齿轮结构，从而实现两者之间的同步固定。此外，为实现第二行星轮p21（或第四行星轮p22）与第一行星轮p11（或第三行星轮p12）之间的并联，由第二行星轮p21与第四行星轮p22组成的一体式双联齿轮结构可以通过第二轴承与第一行星轮p11的轴形成可相对转动的连接，组成并联式结构。
26.更为具体地，为实现本发明提供的行星减速器中的各部件之间的稳定支撑，本发明提供的行星减速器还包括机壳700和行星架500，其中，第一内齿圈r1可以直接与机壳700固定连接，输出轴100可以与第二内齿圈r2设置成一体化结构，第二内齿圈r2可以通过第三轴承与机壳700形成可相对转动的连接。第一行星轮p11、第二行星轮p21、第三行星轮p12以及第四行星轮p22均安装于行星架500上，行星架500通过第四轴承与第二太阳轮s2的轴形成可相对转动的连接，第二太阳轮s2的轴的一端通过第五轴承与输出轴100形成可相对转动连接，第二太阳轮s2的轴的另一端通过轴承安装于机壳700的预设孔中，实现两端支撑。第一行星轮p11的轴通过第六轴承安装于行星架500上，通过行星架500实现沿圆周均布分布，并均载。
27.需要说明的是，在上述的本发明提供的行星减速器中的各部件之间的连接关系中，均使用轴承400（包括第一轴承至第六轴承）实现了两个部件之间的可相对转动连接，对于轴承内端的具体结构及其工作原理，为本领域的公知常识，在诸多现有文件中都有记载，在此不再赘述。
28.为详细说明本发明提供的行星减速器在人形机器人的一体化驱动关节中的工作原理，本发明还提供一种一体化关节，该一体化关节包括如前述的行星减速器、第一电机以及第二电机；第一电机包括第一转子m12和第一定子m11，第二电机包括第二转子m22和第二定子m21；其中，第一转子m12、第一定子m11、第二转子m22以及第二定子m21同轴配置，行星齿轮减速器与第一定子m11、第二定子m21、第一转子m12、第二转子m22通过串联方式集成于机壳700内；具体地，第一定子m11和第二定子m21均安装于机壳700上并形成固联，第一转子m12安装于行星减速器中的第一太阳轮s1的轴上并固定连接，第二转子m22安装于行星减速器中的第二太阳轮s2的轴上并固定连接。
29.此外，为实现对第一电机和第二电机的驱动控制，本发明提供的一体化关节还可以包括第一编码器200和第二编码器300，其中，第一编码器200与第一电机电性连接，第二编码器300与第二电机电性连接，第一编码器200用于驱动控制第一电机，第二编码器300用于驱动控制第二电机。
30.需要说明的是，在实际使用过程中，第一电机带动第一太阳轮s1转动，第二电机带动第二太阳轮s2转动；并且，为实现行星减速器内的传动间隙的消除，第一电机与第二电机之间的转动相位差需要与行星减速器的传动间隙值相对应。
31.具体地，如图5和图6所示，在实际使用过程中，两个电机分别带动第一太阳轮s1和第二太阳轮s2以不同的方向旋转一个角度值，形成角度差，该角度差（对应第一电机与第二
电机之间的相位差）需要等于齿侧间隙值（行星减速器的传动间隙值对应）的微角度，第一太阳轮s1与第一行星轮p11的啮合齿轮副的一侧的齿面贴紧，第一行星轮p11与第一内齿圈r1的啮合齿轮副的另一侧的齿面贴紧（对应图5中的第一太阳轮s1与第一行星轮p11啮合齿轮副的右侧的齿面贴紧、第一行星轮p11与第一内齿圈r1的啮合齿轮副的左侧齿面贴紧）；第二太阳轮s2与第二行星轮p21的啮合齿轮副的一侧的齿面贴紧，第二行星轮p21与第一内齿圈r1的啮合齿轮副的另一侧的齿面贴紧（对应图5中的第二太阳轮s2与第二行星轮p21的啮合齿轮副的左侧齿面贴紧、第二行星轮p21与第一内齿圈r1的啮合齿轮副的右侧齿面贴紧）、第三行星轮p12与第二内齿圈r2的啮合齿轮副的一侧的齿面贴紧、第四行星轮p22与第二内齿圈r2的啮合齿轮副的另一侧的齿面贴紧（对应图6中的第三行星轮p12与第二内齿圈r2的啮合齿轮副右侧齿面贴紧、第四行星轮p22与第二内齿圈r2的啮合齿轮副左侧齿面贴紧）。
32.具体地，在输出正向运动时，第一电机带动第一太阳轮s1逆时针转动，第二电机带动第二太阳轮s2跟随，两个电机之间保持等于传动间隙值的相位差。在输出反向运动时，第二电机带动第二太阳轮s2顺时针转动，第一电机带动第一太阳轮s1跟随，两个电机之间保持等于传动间隙值的相位差，最终能够实现无传动间隙的正向和反向运动输出。
33.由上述本发明提供的具体实施方式可知，本发明提供的行星减速器及一体化关节至少具备以下优点：1、本发明提供的一体化关节采用两个电机通过两套并联式的太阳轮、两套并联式行星轮以及固定内齿圈（第一内齿圈）和活动内齿圈（第二内齿圈）传动，最终实现活动内齿圈无传动间隙的运动输出；2、本发明提供的一体化关节的结构设计简单合理，消隙可靠，传动效率和传动精度高，是人形机器人或协作机器人驱动单元的理想方案；3、本发明提供的一体化关节中行星减速器的优良的反向驱动能力能够使机器人具备良好的柔性或具备良好的与外部环境交互能力，当机器人遭受冲击或跌倒时能够避免损毁，或与人协作时可以保证本质安全的人机交互；通过齿数及变位系数等参数配置可使减速器实现高效的正向和反向传动能力，使得一体化关节具备优良的双向驱动能力。
34.如上参照图1至图6以示例的方式描述根据本发明的行星减速器及一体化关节。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的行星减速器及一体化关节，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

技术特征：
1.一种行星减速器，其特征在于，包括同轴设置的第一太阳轮、第二太阳轮、第一内齿圈、第二内齿圈以及输出轴；其中，所述第一太阳轮和所述第二太阳轮相并联，所述第一内齿圈设置在所述第一太阳轮以及所述第二太阳轮的外围，在所述第一太阳轮与所述第一内齿圈之间啮合连接有第一行星轮，在所述第二太阳轮与所述第一内齿圈之间啮合有第二行星轮；并且，在所述第一行星轮的一侧设置有第三行星轮和第四行星轮，所述第三行星轮与所述第一行星轮同步固定连接，所述第四行星轮与所述第二行星轮同步固定连接，所述第三行星轮以及所述第四行星轮均与所述第二内齿圈相啮合，所述输出轴与所述第二内齿圈同步固定。2.如权利要求1所述的行星减速器，其特征在于，所述第一太阳轮和所述第二太阳轮通过第一轴承转动连接，形成并联式结构。3.如权利要求2所述的行星减速器，其特征在于，所述第一行星轮和所述第三行星轮同轴并通过平键固定连接；所述第二行星轮与所述第四行星轮为一体式双联齿轮结构。4.如权利要求3所述的行星减速器，其特征在于，所述一体式双联齿轮结构与所述第一行星轮的轴通过第二轴承转动连接，形成并联式结构。5.如权利要求1所述的行星减速器，其特征在于，还包括机壳，所述第一内齿圈与所述机壳固定连接，所述第二内齿圈通过第三轴承与所述机壳转动连接。6.如权利要求5所述的行星减速器，其特征在于，还包括行星架，所述第一行星轮、所述第二行星轮、所述第三行星轮以及所述第四行星轮均安装于所述行星架上。7.一种一体化关节，其特征在于，包括第一电机、第二电机以及如权利要求1至6中任意一项所述的行星减速器；其中，所述第一电机包括第一转子和第一定子，所述第二电机包括第二转子和第二定子，所述第一定子和所述第二定子均固定于所述行星减速器的机壳上，所述第一转子与所述第一太阳轮的轴固定连接，所述第二转子与所述第二太阳轮的轴固定连接。8.如权利要求7所述的一体化关节，其特征在于，还包括第一编码器和第二编码器，其中，所述第一编码器与所述第一电机电性连接，所述第二编码器与所述第二电机电性连接。9.如权利要求8所述的一体化关节，其特征在于，所述第一电机带动所述第一太阳轮转动，所述第二电机带动所述第二太阳轮转动；并且，所述第一电机与所述第二电机之间的相位差与所述行星减速器的传动间隙值对应。10.如权利要求9所述的一体化关节，其特征在于，在所述行星减速器运行过程中，所述第一太阳轮与所述第一行星轮的啮合齿轮副的一侧的齿面贴紧，所述第一行星轮与所述第一内齿圈的啮合齿轮副的另一侧的齿面贴紧；
所述第二太阳轮与所述第二行星轮的啮合齿轮副的一侧的齿面贴紧，所述第二行星轮与所述第一内齿圈的啮合齿轮副的另一侧的齿面贴紧；所述第三行星轮与所述第二内齿圈的啮合齿轮副的一侧的齿面贴紧、所述第四行星轮与所述第二内齿圈的啮合齿轮副的另一侧的齿面贴紧。

技术总结
本发明提供一种行星减速器及一体化关节，其中的行星减速器包括第一太阳轮、第二太阳轮、第一内齿圈、第二内齿圈；第一太阳轮和第二太阳轮相并联，第一内齿圈设置在第一太阳轮以及第二太阳轮的外围，在第一太阳轮与第一内齿圈之间啮合连接有第一行星轮，在第二太阳轮与第一内齿圈之间啮合有第二行星轮；并且，在第一行星轮的一侧设置有第三行星轮和第四行星轮，第三行星轮与第一行星轮同步固定连接，第四行星轮与第二行星轮同步固定连接，第三行星轮以及第四行星轮均与第二内齿圈相啮合。本发明提供的行星减速器能够解决现有的人形机器人的一体化驱动关节中的行星减速器存在传动间隙的问题。间隙的问题。间隙的问题。


技术研发人员：王慰军 杨桂林 杜庆皓 陈庆盈 张驰
受保护的技术使用者：中国科学院宁波材料技术与工程研究所
技术研发日：2023.08.31
技术公布日：2023/10/6