諧波電機的製作方法

2023-10-18 09:42:59

專利名稱：諧波電機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種提供旋轉運動的電機。如下電機稱為諧波電機，該電機包括諧波 齒輪減速器，該減速器具有用於生成行進波的集成有源裝置。
背景技術：
普遍使用電動機作為用於許多工業應用的主要原動力。然而，它們的高速、低轉矩 特性對於其中希望高轉矩、低速特性的機器人技術的軸而言並不理想。這需要使用高減速 齒輪傳動裝置。對於機器人技術應用而言，一種典型驅動解決方案將電動機與諧波驅動齒 輪減速器結合使用。通過適當的安裝布置，有可能實現電機和齒輪減速器的部分集成。諧波驅動裝置是如下齒輪減速設備，該設備利用材料柔韌性以便實現齒隙最小的 高減速比。與減速比類似的常規多級正齒輪系相比，諧波驅動裝置賦予構造更簡單、更緊湊 和重量輕的驅動，這使其本身很好地投入於高精確度的應用，比如機器人技術。在圖6中示出了諧波驅動齒輪減速器的操作原理。典型諧波驅動中的三個主要部 件為撓性齒條、圓形齒條和波生成器。輸入、輸出和固定部件在這些部件之間可互換，但是 在圖6中所示實施例中，輸入為波生成器，輸出為撓性齒條，而圓形齒條保持靜止。撓性齒 條1包括在一端閉合而外表面為切割輪齒的軟管。波生成器為軸承3放置於其外圍的橢圓 凸輪2。波生成器位於撓性齒條以內，從而撓性齒條彈性地變形成橢圓形狀。撓性齒條位於 圓形齒條4以內，該齒條是具有內齒的硬齒輪。在撓性齒條上比在圓形齒條上少2η (其中 η為正整數)個齒。撓性齒條的齒與在橢圓長軸任一端的兩個瓣處的圓點的齒嚙合。向波 生成器凸輪施加旋轉輸入從而使撓性齒條的變形的橢圓形狀旋轉。以這一方式在撓性齒條 中建立「行進波」。由於齒數目在兩個齒輪之間不同，所以撓性齒條橢圓形狀的旋轉使撓性 齒條本身在與凸輪相反的意義上並且按減少的速度旋轉。使用這一驅動可實現的減速比由 撓性齒條上的齒數目除以2η給定。US2002/0135241A1教導使用電機和減速器兩者共有的軸承和殼並且將電機轉子 和橢圓凸輪組合成單個機制部件(圖7)。儘管共享的軸承和殼可以減少軸驅動的複雜度， 但是操作原理保持相同；藉助波生成器凸輪，將電機軸的旋轉轉換成撓性齒條中的行進波 變形。後者要求精確尺度容差，因而從固體金屬進行機加工是優選製造方法。這導致處於 齒輪減速器的輸入側上的大直徑沉重部件。可以通過使用替代材料或者通過在關鍵位置去 除材料來節省重量。然而，由於需要維持熱膨脹係數在驅動的部件內的均勻性，而增加在執 行這樣的措施時需要的關注。在組合時，波生成器凸輪和電機轉子的慣性代表了就性能和 安全性而言所不希望的明顯能量源/吸能源。US2005253675教導一種如最先在原CW Musser的原專利US2906143中提出的運用 電磁原理來驅動的諧波電機(圖9)。圓形撓性齒條1夾入於靜止圓形芯2與靜止定子3之 間。在定子的向內表面和芯的向外表面周圍布置有纏繞於徑向對準齒周圍的螺線管4。通 過驅動芯上的彼此完全相反的一對線圈和定子上的相對於這些線圈偏移90度並且彼此相 反的第二對線圈，撓性齒條在代表芯的短軸極端的兩個區域吸引到芯，而在它的長軸極端吸引到定子。通過向相鄰螺線管集依次賦能，使吸引區域旋轉，由此產生行進波。撓性齒條 配備有與位於撓性齒條內的圓形輸出齒條5嚙合的向內齒。JP19900230014教導一種包括靜電致動裝置的類似布置。按照靜電或者電磁致動 原理來操作的驅動的主要優點在於，僅有的移動部分是輸出軸本身。因此極大地減少存儲 的動能。US6664711B2教導一種使用電磁原理的諧波電機，並且還為撓性齒條配備與螺線 管芯2相反的磁體1並且運用排斥效應而不是吸引(圖10)。US7086309B2教導一種布置，其中氣動致動器從外部安裝到撓性齒條以驅動常規 橢圓形波生成器凸輪。該文獻也教導具有徑向作用的氣動膜致動器，這些致動器安裝於撓 性齒條圓柱形空隙內並且直接作用於它的表面以生成旋轉橢圓形狀。該布置如圖8中所 示，並且致動器能夠推拉撓性齒條表面，而且橢圓形狀在所有時間完全受制，但是由於粘彈 性效應而出現損耗。因此需要減少諧波電機的製造成本和重量以及簡化其控制。現有技術的電機並未
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發明內容
本發明的目的在於彌補如上述限定的諧波電機的上述弊端。根據本發明的第一方面之所以解決上述問題是在於，所述種類的設備具有如下具 體特徵它包括固定圓形的和內齒輪傳動的定子；撓性齒條，同軸地布置於定子內，其中 撓性齒條包括外齒輪和內齒輪兩者。另外，齒輪傳動輸出軸同軸地布置於撓性齒條內，並且 該電機還包括用於使撓性齒條依次變形成內部與輸出軸嚙合的橢圓形狀的裝置。另外，定 子上的齒數目等於撓性齒條上的外齒，從而撓性齒條在橢圓形狀的兩個瓣處嚙合，並且撓 性齒條上的每個齒與定子上的相同對應齒嚙合。撓性齒條靜止，並且這一布置防止撓性齒條相對於圓形定子的旋轉，而且從中心 圓形齒輪取得旋轉輸出。外部撓性齒條布置增加撓性齒條的每單位直徑變形的轉矩，這提 高了效率。根據本發明的一個特徵，用於使撓性齒條變形的裝置包括布置於定子內部的多個 致動器，該裝置適合於使撓性齒條直接變形成所需形狀。與來自撓性齒條內的致動相比，外 部致動增加可用於安裝致動器的空間並且有望增加驅動的效率。根據本發明的一個特徵，致動器為適合於從致動器傳送直接作用於撓性齒條上的 力的離散和線性致動器。在預定序列中驅動多個致動器以產生行進波。致動器共享在固定 定子內部的共有靜止安裝。這樣的驅動的優點在於無高速旋轉的高慣性部分，這減少驅動 中存儲的動能並且因此提高可控性和安全性。該布置簡化從驅動的轉矩輸出和撓性齒條的制動。無需拆卸驅動即可接近致動 器。這使致動器與內部安裝布置的情況相比相對易於更換。外部安裝提高致動器的電連接 性而同時允許本地安裝電驅動電子器件的空間。類似地增強在致動器周圍的氣流，這增加 了散熱。輸出軸可以製作成空心以允許線纜穿過驅動。根據本發明的另一特徵，致動器為線性重量輕的聚合物電致伸縮致動器。電致伸縮致動器屬於在高電壓電場的影響之下變形的電活性聚合物。該變形的特
4徵在於厚度減少而面積增加。已經利用這一效應以產生能夠高帶寬線性位置控制的、重量 輕的基於隔膜的致動器。Artificial Muscle公司已經創造該技術的一種商業實施。重量輕的聚合物電致伸縮致動器有望賦予比電磁設備的功率與重量之比高且達 到兩個數量級的功率與重量之比。這在理論上允許存儲的動能明顯低於常規電動機和減速 齒輪驅動的存儲動能，這增加了內在安全性。電致伸縮致動器可實現的位移大於利用壓電致動器可實現的位移，這無需機械行 程放大。使用電致伸縮致動器的另一優點在於模擬位置控制是可能的。這意味著在存在有 限數目的致動器之時，各致動器的位移位置在理論上無窮地可調。這實現無極地控制橢圓 形狀的旋轉位置並且因此無極地控制輸出軸的旋轉位置。對照而言，運用電磁原理來實現 的線性致動特徵往往在於限制可控性的「通_斷」性能。與形狀記憶合金致動器比較，電致伸縮致動器賦予明顯更高帶寬，而在文獻 (Kornbluh, R等人，1998年)中報告上至17kHz的致動頻率。根據本發明的另一特徵，致動器包括用於從致動器向撓性齒條傳送力的裝置。各 傳送裝置包括小型傳送單元，該單元包括滾動元件，例如球。使用例如球來從致動器向撓性 齒條傳送力允許出現力施加點的偏離而沒有由於摩擦或者粘彈性效應而引入損耗。另外， 維持驅動的扭轉硬度。在本設計中，通過使用與致動器的滾動接觸來給予撓性齒條以平移
自由度。根據本發明的另一特徵，撓性齒條包括布置成在撓性齒條的外表面的中心部分周 圍運轉的槽。撓性齒條包括配備有輪齒的、與槽的任一側相接的在撓性齒條的外表面上的 兩個部分。使用撓性齒條的兩個外部上的外部輪齒向撓性齒條的兩端施加制動轉矩。這簡化 驅動的構造和製造，因為定子的兩個半部在功能上相同。根據本發明的又一特徵，撓性齒條為管形。撓性齒條為管狀而非杯形，這允許運用 更簡單的製造工藝，比如擠壓。此外，還簡化驅動的組裝。


圖1是根據本發明的諧波電機，圖2是經過圖1中的諧波電機的徑向橫截面X-X，圖3是經過圖1中的諧波電機的軸向橫截面，圖4是經過圖1中的諧波電機的徑向橫截面Y-Y，圖5是致動器在橢圓形狀的單次旋轉內的定相的循環位移，圖6是諧波驅動齒輪減速器的操作原理，圖7是集成諧波驅動布置，其中電機轉子和繞組與齒輪減速器共享共有的殼和軸 承，圖8是包括離散線性致動器的諧波電機，這些致動器附接到用於使撓性齒條變形 的靜止軸心，圖9是使用磁吸引的電磁諧波電機，圖10是使用磁排斥的電磁諧波電機。
具體實施例方式圖1是根據本發明的諧波電機1，其中殼Ia包括緊固裝置15，例如螺栓。電機包 括固定圓形定子2、撓性齒條3和輸出齒輪4 (圖2)。撓性齒條3同軸地布置於定子2內。 輸出齒輪4同軸地布置於撓性齒條3內並且由兩個軸承13、14支撐，這些軸承相距一段距 離地布置於電機的殼Ia中和位於撓性齒條的任一側上。八個線性致動器5徑向地安裝設 置於固定定子2的內表面2a上。各致動器包括利用連接到球7的輸出軸6向撓性齒條傳 送力的裝置。球是位於小型球傳送單元內的滾動元件。球7位於ν形槽8中，該槽布置成在撓性齒條3的外表面的中心部分周圍運轉(圖 3)。與槽8的任一側相接的撓性齒條的外表面3b上的部分31和32配備有輪齒9 (圖4)。 撓性齒條的齒狀部分31和32與在定子2的內齒狀部分21和22中包括的齒輪12嚙合。圖5圖示了致動器5隨著橢圓的角位置而變化的定相的循環位移。藉助八個致 動器來生成行進波，這些致動器在徑向方向上通過小型球傳送單元向撓性齒條的外表面3b 直接施加力。定子2上的齒狀部分21、22中的齒數目等於撓性齒條3的外表面3b上的齒數目， 儘管定子齒輪的直徑略大從而等於旋轉橢圓長軸端點的軌跡。以這一方式，撓性齒條3在 橢圓形狀的兩個瓣處嚙合，而撓性齒條3上的每個齒31、32總是與定子2上的相同對應齒 21,22嚙合(圖4)。這一布置防止撓性齒條3相對於定子2的旋轉，同時又允許撓性齒條 表面上的力施加點藉助球7的傳送單元相對於致動器5平移。這只要在橢圓長軸或者短軸 未與給定致動器正交地對準時就會出現。撓性齒條的內表面3a上的輪齒10與同軸地布置於撓性齒條內的硬圓形輸出軸4 上的齒輪11嚙合。在輸出齒輪4上比在撓性齒條的內表面上少2η個齒，其中η為正整數。 隨著橢圓形狀旋轉，輸出齒輪同樣、但是按減少的速度旋轉。減速比(輸出速度/輸入速 度)由撓性齒條上的齒數目除以2η給定。
權利要求
一種諧波電機(1)，包括固定的和圓形的定子(2)、輸出軸(4)、撓性齒條(3)和波生成器，其特徵在於所述定子包括內齒輪(12)，所述撓性齒條同軸地布置於所述定子(2)內並且包括外齒輪(9)和內齒輪(10)兩者，所述輸出軸(4)包括外齒輪(11)並且同軸地布置於所述撓性齒條(3)內，所述波生成器包括用於使所述撓性齒條(3)依次變形成內部與所述輸出軸嚙合而外部與所述定子(2)嚙合的橢圓形狀的裝置，並且所述定子上的齒數目等於所述撓性齒條上的所述外齒，從而所述撓性齒條在所述橢圓形狀的兩個瓣處嚙合而在所述撓性齒條上的每個齒與所述定子上的相同對應齒嚙合。
2.根據權利要求1所述的諧波電機，其中所述變形裝置包括適合於從所述致動器向所 述撓性齒條傳送力的多個致動器(5)。
3.根據權利要求2所述的諧波電機，其中所述致動器(5)布置於所述定子(2)中。
4.根據權利要求3所述的諧波電機，其中所述致動器(5)為重量輕的聚合物電致伸縮 致動器。
5.根據權利要求2所述的諧波電機，其中所述變形裝置包括具有滾動元件(7)的小型 傳送單元。
6.根據權利要求5所述的諧波電機，其中所述滾動元件(7)為球。
7.根據任一前述權利要求所述的諧波電機，其中所述撓性齒條(3)為管形。
8.根據權利要求7所述的諧波電機，其中所述撓性齒條包括布置成在所述撓性齒條的 外表面(3b)的中心部分周圍運轉的槽(8)。
9.根據權利要求8所述的諧波電機，其中所述撓性齒條包括與所述槽(8)的任一側相 接的在所述外表面(3b)上配備有輪齒(9)的兩個部分(31)和(32)。
10.一種操作諧波電機(1)的方法，所述諧波電機(1)包括固定圓形的和內齒輪傳動 的定子(2)；撓性齒條，同軸地布置於所述定子(2)內，其中所述撓性齒條(3)包括外齒輪 (9)和內齒輪(10)兩者；以及齒輪傳動輸出軸(4)，同軸地布置於所述撓性齒條(3)內，所 述方法包括激活用於使所述撓性齒條(3)依次變形成內部與所述輸出軸(4)嚙合而外部與 所述定子嚙合的橢圓形狀的裝置，使得嚙合的區域旋轉，由此產生旋轉所述齒輪傳動輸出 軸⑷的行進波。
11.根據權利要求10所述的方法，包括在高電壓電場的影響之下致動所述致動器(5)。
12.根據權利要求10或者11所述的方法，包括在徑向方向上向外表面(3b)直接作用 的力的影響之下使所述撓性齒條(3)變形。
13.根據權利要求10-12中的任一權利要求所述的方法，包括持續控制所述致動器。
全文摘要
本發明涉及一種諧波電機(1)，該電機包括固定圓形的和內齒輪傳動的定子(2)；撓性齒條，同軸地布置於定子(2)內，其中撓性齒條(3)包括外齒輪(9)和內齒輪(1O)；以及齒輪傳動輸出軸(4)，同軸地布置於撓性齒條(3)內。該電機還包括用於使撓性齒條(3)依次變形成內部與輸出軸嚙合的橢圓形狀的裝置。定子上的齒數目等於撓性齒條上的外齒，從而撓性齒條在橢圓形狀的兩個瓣處嚙合，其中撓性齒條上的每個齒與定子上的相同對應齒嚙合。
文檔編號H01L41/09GK101889154SQ200880119319
公開日2010年11月17日 申請日期2008年12月4日 優先權日2007年12月5日
發明者D·希爾克特, I·倫德伯格, S·科克 申請人:Abb研究有限公司