技术领域
[0001] 本实用新型涉及
机器人技术领域，具体涉及一种谐波减速器及
机器人关节驱动器。
背景技术
[0002] 目前机器人关键的关节部位均是采用谐波减速器，谐波减速器相比其它减速器，在相同速比和相同负载下，其传动平稳、
精度最高，结构体积小，机构重量轻，广泛应用于机器人、数控机床、
半导体设备等精密行业。
[0003] 传统谐波减速器一般包括刚轮、柔轮及包含柔性
轴承的波发生器等零部件。
扭矩输出都是通过薄壁可
变形柔轮进行传递；柔轮通常为杯型或者礼帽型，柔轮薄壁且存在呈接近90度直
角部分。该种结构的柔轮对
钢材性能要求较高，需要保证弹性要求的同时又要保证其硬度，一般采用进口的
合金钢材，对加工精度要求比较高。由于其材料特殊，生产工艺要求高，因此其成本和价格远高于其他类型的减速器。目前，市场上也不存在小微型低成本的谐波减速器，传统谐波减速器尺寸较大和成本较高，对于一些扭矩需求较小的桌面型机器人并不适用。
[0004] 另外现有的带
输入轴的谐波减速器，其整体结构不够紧凑，不仅导致谐波减速器体积较大，增加了空间占用的同时增加了制作原料，而且还导致输出不够稳定、精确。由于谐波减速器与
电机之间需要通过其他的中间连接件进行连接(如电机固定架、连接
法兰等)，因此导致整个减速装置制造起来比较麻烦，而且由于增加了许多中间连接件，同时也导致了整个减速装置的生产成本较高、传动精度低、体积大、重量重；其在作为机器人关节驱动器时，通用性、连接精度和
密封性差，使用不方便。
[0005] 为了进一步降低成本和方便桌面型机器人使用，同时也便于日常工业生产，亟需设计一种谐波减速器及机器人关节驱动器来解决如上技术问题。实用新型内容
[0006] 为了解决上述问题，本实用新型的目的在于针对上述背景技术中的
缺陷和不足，提供一种小微型的、结构简单、传动平稳可靠、精度高和成本低的谐波减速器及机器人关节驱动器。同时该谐波减速器及机器人关节驱动器制造简单、成本较低、便于大规模生产应用。
[0007] 为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：本实用新型提供一种谐波减速器，包括壳体组件和波发生器，所述壳体组件包括
外壳和壳盖；所述外壳和壳盖固连后内部形成安装空腔，所述波发生器设置在所述安装空腔内，所述外壳内设置有内齿，还包括柔齿件和随齿件；所述柔齿件呈外圆周面具有一定齿数、可变形的圆筒状；所述外圆周面设有沿轴线方向延伸且呈圆周环状且均匀间隔分布的
外齿；所述柔齿件采用柔性材料制作，所述外壳和所述随齿件采用刚性材料制作；所述柔齿件被波发生器
挤压变形为椭圆状，所述外齿与所述内齿
啮合；所述随齿件包括随齿盘部，所述随齿盘部设置在所述安装空腔内，所述随齿盘部设置有与所述柔齿件形状适配的内齿腔，所述柔齿件插入所述内齿腔中。
[0008] 进一步地，所述柔齿件为预应
力复合材层抗扭齿环；所述复合材层通过由弹性钢环或钢丝中的任一种，结合玻璃
纤维，再结合尼龙或
橡胶或聚
氨酯中任一种，硫化复合而成。
[0009] 进一步地，所述预
应力通过在制作时，使弹性钢环或钢丝产生变形实现。
[0010] 进一步地，所述预应力复合材层抗扭齿环的齿形为梯形齿。
[0011] 进一步地，所述内齿个数大于所述外齿个数；所述外齿个数等于所述内齿腔的齿数。
[0012] 进一步地，所述外壳为杯型结构，所述外壳的杯底端面上设置有
定位孔；所述壳盖为杯型结构，所述壳盖通过第一螺钉与外壳固连；所述壳盖的外端面上设置有凸台。
[0013] 进一步地，所述随齿盘部设有轴承安装腔和电机轴避让孔，所述轴承安装腔内设置有用于
支撑电机轴的第一轴承；所述随齿件还包括
输出轴部，所述输出轴部通过第二轴承旋转支撑在所述壳盖上，并伸出所述壳盖。
[0014] 进一步地，所述波发生器为双触点垂直型，双触点垂直型波发生器包括连接架，支撑轴和滚轮，并整体设置在所述外壳的杯型空腔内；所述连接架的两侧各分别设置有两个U型口，在两个所述U型口之间设置有滚轮避让部；所述支撑轴的两端设置有与所述U型口相适配的连接平面，所述滚轮套设在所述支撑轴的中部。
[0015] 进一步地，所述连接架设置有电机轴孔，所述电机轴孔上设置有连接通槽；所述电机轴为D型轴，穿设在所述电机轴孔中；所述连接通槽中设置有连接件，所述连接件均与所述连接通槽的槽底和所述电机轴的平面
过盈配合。
[0016] 本实用新型还提供另外一种谐波减速器，包括壳体组件和波发生器，所述壳体组件包括外壳和壳盖；所述外壳和壳盖固连后内部形成安装空腔，所述波发生器设置在所述安装空腔内，所述外壳内设置有内齿，还包括柔齿件和随齿件；所述柔齿件呈外圆周面具有一定齿数、可变形的圆筒状；所述外圆周面设有沿轴线方向延伸且呈圆周环状且均匀间隔分布的外齿；所述柔齿件采用刚性材料制作，所述外壳和所述随齿件采用柔性材料制作；所述柔齿件被波发生器挤压产生局部压缩变形，所述外齿与所述内齿啮合；所述随齿件包括随齿盘部，所述随齿盘部设置在所述安装空腔内，所述随齿盘部设置有与所述柔齿件形状适配的内齿腔，所述柔齿件插入所述内齿腔中。
[0017] 进一步地，所述柔齿件采用
弹簧钢制作；所述外壳和随齿件采用橡胶、尼龙或聚氨酯制作。
[0018] 进一步地，所述内齿能随所述柔齿件的变形产生相应变形；所述内齿腔中的齿形，能变形为以局部压缩变形后的柔齿件外齿在所述内齿腔上旋转范成出的齿形。
[0019] 本实用新型还提供一种机器人关节驱动器，包括电机和上述任一种谐波减速器，所述外壳上设置有
沉头螺钉孔，第二螺钉穿过所述沉头螺钉孔后与所述电机的安装孔连接，将所述外壳和电机固连。
[0020] 进一步地，所述壳盖上设置有连接通孔，所述外壳上设置有连接
螺纹孔，所述连接通孔和所述连接
螺纹孔同轴布置；所述壳盖上还设置有用于所述机器人关节驱动器安装的安装螺纹孔，所述安装螺纹孔和所述电机的安装孔同轴布置。
[0021] 本实用新型提供的谐波减速器与
现有技术相比，有益效果在于：本实用新型谐波减速器将传统谐波减速器的柔轮分为柔齿件和随齿件；柔齿件呈圆筒状，简化了柔轮的加工制造，大大降低谐波减速器的成本和加工难度；另外柔齿件没有传统的90度薄壁结构，消除了应力集中；增强谐波减速器的负载能力和抗冲击能力，大大提高其疲劳寿命。
[0022] 本实用新型谐波减速器的柔轮件采用预应力复合材层抗扭齿环，通过预应力和复合材层结构设置，可以减小
摩擦力、增大传递扭矩和实现高精度传动；柔齿件的齿形采用梯形齿，相比传统谐波减速器的渐开线齿形，传动效率高，运行噪声小。
[0023] 本实用新型谐波减速器的波发生器采用双触点
接触标准轴承代替柔性轴承，减小成本，便于加工制作。
[0024] 本实用新型提供的机器人关节驱动器与现有技术相比，有益效果在于：电机和减速器采用一体化设计，电机轴作为输入轴，同时成为波发生器的
驱动轴，减少了中间连接件，降低成本的同时减小了设备重量和体积，更适合小型机器人（如桌面型机器人）微小
机电系统应用；端面连接等同于电机端面的连接方式，方便设备的更新、改造和遵守传统的设计习惯；具有更高的精度、通用性、灵活性及更广的应用前景。
[0025] 本实用新型机器人关节驱动器，将谐波减速器壳体固定在电机外壳，可防止灰尘进入内部，密封性好，而且设计新颖具有较高的灵活性。
[0026] 总之，本实用新型提出了一种小巧紧凑、结构简单、实用性强、安全可靠的谐波减速器及机器人关节驱动器，其在机器人领域中具有广泛的应用前景。
附图说明
[0027] 图1是本实用新型机器人关节驱动器的整体结构示意图；
[0028] 图2是本实用新型机器人关节驱动器的爆炸结构示意图；
[0029] 图3是本实用新型双触点垂直型波发生器的结构示意图；
[0030] 图4是本实用新型谐波减速器的内部结构示意图；
[0031] 图5是本实用新型机器人关节驱动器的内部结构示意图；
[0032] 图6是本实用新型刚性柔齿件的变形示意图。
[0033] 其中，附图标记说明如下：
[0034] 1电机，1-1电机轴，2外壳，2-1连接螺纹孔，2-2沉头螺钉孔，2-3第二螺钉，3壳盖，3-1第一螺钉，3-2安装螺纹孔，4波发生器，4-1连接架，4-2支撑轴，4-3滚轮，4-4连接件，4-5第一轴承，5柔齿件，6随齿件，6-1第二轴承。
具体实施方式
[0035] 为了使本领域技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合具体
实施例对本实用新型作进一步的详细说明。请注意，下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品
说明书进行。
[0036] 在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0037] 在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
[0038] 以下，将通过具体实施例对本实用新型的谐波减速器及机器人关节驱动器分别作详细说明：
[0039] 实施例一：
[0040] 如图1-5所示，本实施例所述的机器人关节驱动器包括电机1和谐波减速器。
[0041] 本实施例提供的谐波减速器的具体结构如下：
[0042] 谐波减速器包括壳体组件、波发生器4、柔齿件5和随齿件6等零部件。所述壳体组件包括外壳2和壳盖3。所述外壳2采用刚性材料制造，优选为
铝合金。外壳2为杯型结构，外壳2内圆周面上设置有内齿；外壳2的杯底端面上设置有与电机相适配的定位孔，方便装配；与杯底端面相对的另一端面上设置有连接螺纹孔2-1。壳盖3上设置有与所述连接螺纹孔2-
1相对应的连接通孔，壳盖3通过第一螺钉3-1与外壳2固连。壳盖3同样为杯型结构，在壳盖3的外端面上设置有凸台，方便谐波减速器定位安装；在外端面上还设置有安装螺纹孔3-2，用于谐波减速器的安装固定。
[0043] 外壳2和壳盖3固连后，内部形成安装空腔。在所述安装空腔内设置有上述波发生器4、柔齿件5和随齿件6等零部件。波发生器4包括连接架4-1、支撑轴4-2和滚轮4-3，并整体设置在外壳2的杯型空腔内，为双触点垂直型结构。连接架1中心部位设置有电机轴孔，电机轴孔上设置有连接通槽。电机轴1-1为D型轴，穿设在所述电机轴孔中。在连接通槽中设置有连接件4-4，所述连接件4-4均与连接通槽的槽底和电机轴平面过盈配合，实现电机轴与连接架的传动连接；当然电机轴和波发生器还可通过本领域常见的其它结构形式实现固连，如顶丝固连方式。连接架4-1的两侧各分别设置有两个U型口，在两个U型口之间设置有滚轮避让部。在支撑轴4-2的两端设置有与U型口相适配的连接平面，滚轮4-3设置在支撑轴4-2的中部。滚轮优选为标准轴承。装配时，仅需将套设有滚轮4-3的支撑轴4-2从U型口推入连接架中，方便组装。本实施例提供的波发生器4相比传动谐波减速器，省去了成本高和加工难的柔性轴承，大大降低了成本；更加适合桌面型
机械臂的使用。
[0044] 本实施例提供的柔齿件5呈外圆周面具有一定齿数、可变形的圆筒状；柔齿件5的外圆周面设有沿轴线方向延伸且呈圆周环状且均匀间隔分布的外齿。具体地，柔齿件5可为预应力复合材层抗扭齿环。所述复合材层通过由弹性钢环或钢丝中的一种结合玻璃纤维，再结合尼龙或橡胶或聚氨酯等材料中一种硫化复合而成；柔齿件5复合材层的材料从外到内依次为尼龙或橡胶或聚氨酯中一种、玻璃纤维、钢环或钢丝中一种、玻璃纤维和尼龙或橡胶或聚氨酯中一种；优选的，柔齿件5的材料从外到内依次为橡胶、玻璃纤维、钢丝、玻璃纤维和橡胶复合而成。预应力复合材层抗扭齿环的预应力通过在制作上述预应力复合材层抗扭齿环时通过模具挤压弹性钢环或钢丝产生微小变形或拉伸实现。
[0045] 柔齿件5上外齿比外壳2内齿少一定个数；柔齿件的齿形可为本领域常用齿形，优选为梯形齿。外壳2内齿的齿形与柔齿件5的齿形相同。梯形齿的齿形相比传统谐波减速器的渐开线齿形，传动效率高，运行噪声小。
[0046] 由于外壳2的内齿个数大于柔齿件5外齿的齿数，在正常状态下，两者同轴布置时，柔齿件5的外径小于外壳2的内径，两者不接触。当外壳2内装入波发生器4后，波发生器4挤压柔齿件5发生变形形成椭圆状，使椭圆状柔齿件5的长轴方向上的外齿与外壳2的内齿啮合；在椭圆状柔齿件5的短轴方向上与外壳2之间具有一定间隙；形成柔齿件5与外壳2的两点接触啮合状态，具体参照图4中柔齿件5的状态。
[0047] 随齿件6采用刚性材料制造，优选为
铝合金。随齿件6包括随齿盘部和输出轴部两部分。所述随齿盘部和输出轴部可为一体结构，也可为分体结构。所述随齿盘部中设置有与容纳柔齿件5形状适配的内齿腔，即内齿腔的齿数与柔齿件的齿数相同，所述柔齿件5与随齿盘部完全啮合连接。随齿盘部还设置有轴承安装腔及电机轴避让孔，轴承安装腔内的第一轴承4-5用于支撑电机轴，同时还为整个随齿件提供支撑和定位。电机轴避让孔可适应不用长度电机轴安装，提高了谐波减速器的适配性和通用性。输出轴部通过第二轴承6-1旋转支撑在壳盖3上，并伸出所述壳盖。整个谐波减速器仅通过两个轴承实现了电机轴、壳盖和随齿件的支撑和定位，提高了传动精度和可靠性；同时输出轴部还可以承受一定的弯矩。
[0048] 如图5所示，外壳2、柔齿件5和随齿件6同轴设置，柔齿件5一部分与随齿件6完全啮合，一部分在波发生器4的支撑下与外壳2两点接触啮合。当波发生器4 在电机轴的带动下连续转动时，柔齿件5的变形会不断改变，使柔齿件5与外壳2的啮合状态也不断改变，由于柔齿件的齿数小于外壳2的齿数，使柔齿件相对外壳2沿波发生器4相反方向的旋转，当波发生器4转动一周时，柔齿件5反向转动一定的小角度。又由于柔齿件5的齿数和随齿件6的齿数相同；因此，柔齿件5相对于随齿件6仅产生形变而不会相对旋转，亦即随齿件6随着柔齿件5同步转动，因而使随齿件6的输出轴部相对波发生器4获得减速旋转输出。
[0049] 外壳2上还设置有沉头螺钉孔2-2，通过第二螺钉2-3可将外壳2与电机连接，组成电机和谐波减速器一体化设计的机器人关节驱动器。本实施例提供的机器人关节驱动器中电机端盖与谐波减速器固连，可以起到有效密封谐波减速器的作用，可防止灰尘进入谐波减速器内部。
[0050] 谐波减速器通过壳盖上的连接通孔与连接螺纹孔2-1同轴设置，进行连接，实现了谐波减速器的安装螺纹孔3-2与电机端面安装孔同轴，即整个机器人关节驱动器的安装方式和尺寸等同于电机的安装方式和尺寸，方便设备的更新、改造和遵守传统的设计习惯；具有更高的精度、通用性和灵活性。
[0051] 本实施例提供的机器人关节驱动器，电机轴直接作为谐波减速器的输入轴，相比传统谐波减速器减少了中间传动件，电机和减速器采用一体化设计，降低成本的同时减小了设备重量和体积，更适合小型机器人（如桌面型机器人）微小机电系统应用。
[0052] 实施例二
[0053] 本实施例中柔齿件5采用刚性材料制作，优选为
弹簧钢；外壳2和随齿件6选用橡胶、尼龙或聚氨酯等柔性材料制作。本实施例其余部分均与实施例一相同，在此不在赘述。
[0054] 刚性柔齿件5同样可以产生形变，即刚性柔齿件5受到波发生器4挤压时可发生局部压缩变形，柔性外壳2的内齿可随刚性柔齿件5产生相应变形，使刚性柔齿件5与柔性外壳2的内齿进行良好啮合。柔性随齿件6内齿腔中的齿形，可变形为以变形后的刚性柔齿件5的外齿在其上旋转范成出的齿形，从而使变形后的刚性柔齿件5与柔性随齿件6可以紧密结合，实现高精度传动。当刚性柔齿件5与波发生器4接触的一端挤压变形后，嵌入在柔性随齿件6中的另一端也相应变形但方向相反，变形后的刚性柔齿件5具体如图6所示。
[0055] 本实施例的谐波减速器的柔齿件和随齿件加工制作更加简单，简化了制造方式；刚性柔齿件5的扭转
刚度更高，更能提高谐波减速器的传动精度和疲劳寿命，增加传动效率；刚性柔齿件5与柔性外壳2和柔性随齿件6的啮合接触面更大，有利于提高传动精度。
[0056] 本实用新型的谐波减速器将传统谐波减速器的柔轮分为柔齿件和随齿件；柔齿件呈圆筒状，简化了柔轮的加工制造，大大降低谐波减速器的成本和加工难度；另外柔齿件没有传统的90度薄壁结构，消除了应力集中；增强谐波减速器的负载能力和抗冲击能力，大大提高其疲劳寿命；波发生器采用两触点接触标准轴承代替柔性轴承，减小成本，便于加工制作。
[0057] 本实用新型谐波减速器的柔轮件采用预应力复合材层抗扭齿环，通过预应力和复合材层结构设置，可以减小摩擦力、增大传递扭矩和实现高精度传动；柔齿件的齿形采用梯形齿，相比传统谐波减速器的渐开线齿形，传动效率高，运行噪声小。
[0058] 本实用新型还提供另外一种谐波减速器，柔齿件采用弹簧钢等刚性材料制作；外壳和随齿件选用橡胶、尼龙或聚氨酯等柔性材料制作。此类型的谐波减速器同样加工制作简单，成本低；还具有更高的传动精度、疲劳寿命和传动效率。
[0059] 本实用新型提供的机器人关节驱动器，电机和谐波减速器采用一体化设计，电机轴作为输入轴，同时成为波发生器的驱动轴，减少了中间连接件，降低成本的同时减小了设备重量和体积，更适合小型机器人（如桌面型机器人）微小机电系统应用；端面连接等同于电机端面的连接方式，方便设备的更新、改造和遵守传统的设计习惯；具有更高的精度、通用性；将谐波减速器壳体利用螺钉方便快捷的固定在电机外壳，可防止灰尘进入内部，密封性好，而且设计新颖具有较高的灵活性。
[0060] 总之，本实用新型提出了一种小巧紧凑、结构简单、实用性强、安全可靠的谐波减速器及机器人关节驱动器，其在机器人领域中具有广泛的应用前景。
[0061] 在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征
水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面” 可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0062] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、 或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组件合。
