本项创新设计介绍了一种应用于蛇形机械臂关节的分布式K-H-V型渐开线少齿差关节模组。该模组由三组旋转驱动单元、机架、内齿轮和外齿轮构成,其中偏心轴转动驱动内齿轮实现转速输出,而外齿轮则进行平动。旋转驱动单元被安装在内齿轮与外齿轮的等分通孔中,利用小型电机与轴承、外齿轮和内齿轮的配合,提升了空间利用率。此外,通过减少传动环节,降低了功率损耗,使得该关节模组不仅保持了渐开线少齿差行星齿轮传动的高刚度和大传动比特性,还实现了尺寸小和输出效率高的优势。
背景技术
20世纪20年代,PetrMiturich最先提出了蛇形机械臂的概念,他认为机械装置可以模拟蛇的运动方式来获得更高效的运动步态,例如弹簧运动、正弦运动、侧旋运动等。虽然蛇形机械臂较早的被人设计出来,但受限于当时用于运动规划的运动模型理论薄弱,直到20世纪80年代,蛇形臂形态的协调控制仍是一个难题。随着理论的逐渐完善,20世纪90年代以后,蛇形机械臂进入高速发展期,由于其自由度高,运动灵活,长径比大的特点,适用于各种狭小、复杂、深腔、密封环境,已逐渐应用在航空航天、核电站领域的装配制造和勘测检修;医疗领域中的有源内窥镜、各种类型的微创手术,以及可控针技术。
关节模组是高度集成的一体化设计模块化关节,是机器人各个零部件之间发生相对运动的机构,能快速实现机器人功能化要求和实用化目标。关节模组常用于蛇形机械臂的绳索驱动,以及人形、四足形机器人的关节驱动。
目前关节模组大致可分为两类,一类为圆柱状,多采用中空力矩电机加谐波减速器,其外形尺寸长度较大,且谐波减速器成本高,刚性差,不耐冲击,传动效率低,四足和人形机器人腿部关节的适用性不好;另一类为圆盘状,多采用中空力矩电机加行星减速器,其外形更加适用于腿部关节,但行星减速器在电机内,其传动比较小,且行星齿轮传动因有背隙,精度不高。
蛇形机械臂驱动单元输出为旋转运动时,为提高扭矩,常采用谐波、行星等减速器。深入研究发现,渐开线少齿差齿轮传动由于其传动比大、结构紧凑、运行可靠、对过载和冲击承受性能高等特点同样适用于蛇形机械臂的驱动单元,尤其是其中的2K-H型和K-H-V型。因此,渐开线少齿差齿轮传动的研究对于蛇形机械臂驱动单元具有一定现实意义。
所谓少齿差,是由一对齿数差很少,通常指由齿数差为1至4的渐开线内啮合齿轮副组成的K-H-V型行星齿轮传动。该传动装置由中心轮(内齿轮K)、行星架(偏心轴H)和专门的输出机构V组成的,按其基本构件命名为K-H-V型:按其啮合方式命名为N型,N为内啮合之意。还有一种是2K-H型双内啮合的少齿差行星传动,其基本构件为两个中心轮K和一个行星架(偏心轴H),按其啮合方式命名为双内啮合齿轮副NN型。
实现思路