專利名稱：二級變速直動機構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種機械技術領域的裝置，具體地說，是一種二級變速直動機構。
背景技術：
在機械或者汽車領域，通常采用離合器和齒輪箱組成二級或者多級變速機構。為了達到大負載的要求，這些機構自身的尺寸和重量一般都比較大，對其緊湊化、小型化帶來了不利的影響。為適應更加復雜的工作環(huán)境而開發(fā)的無級變速機構則比較復雜，同樣尺寸和重量都不易小型化。在追求結構緊湊、功能集成的特種機器人機構學的研究之中，上述通用的變速機構往往無法應用于小型機器人的機構關節(jié)之中。
另一方面，從實際應用的角度考察，高性能機器人的工作負載并不是恒定不變的。即機器人的重要關節(jié)必須能夠在多種負載變化的情況下保證高性能的工作狀態(tài)。盡管使用電動機控制技術可以實現(xiàn)機器人關節(jié)在大負載狀態(tài)下低速工作、小負載狀態(tài)下高速工作，但是可以調整的范圍非常有限，同時電動機和傳動機構的效率無法達到最佳。也就是說，無法在動態(tài)負載的情況下滿足機構與負載的匹配。
在特種機器人領域，包括機器人的手臂關節(jié)、腿部關節(jié)、各種運動模塊中，直動機構具有非常廣泛的應用。在直動機構這一方面，通過電動機控制技術來適應負載變化的裝置已經(jīng)成功的被開發(fā)為系列產(chǎn)品。但是采用二級或者多級變速的機構來應對負載變化的裝置仍然為數(shù)不多。其主要原因在于體積和重量的限制，使得緊湊的結構不易實現(xiàn)。然而，由于負載變化的多樣性，在大負載和小負載并存的工作環(huán)境中，必須選擇針對大負載而開發(fā)產(chǎn)品，這很大程度犧牲了對重量和體積的要求。
經(jīng)對現(xiàn)有技術的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，神谷好乘等在日本《精密工學會志》(PP.464，Vol.65，No.3，1999)上發(fā)表論文《Dynamic Characteristics of DC Servo MotorDriver by Conventional Servo Driver》(直流伺服電機動態(tài)性能的考察)中指出，固定減速比的單級傳動機構中，伺服電機在負載變化大的情況下無法滿足與負載的動態(tài)匹配，電機控制性能無法良好發(fā)揮。荻原哲夫等在日本《機械學會論文集C》(PP.1258，Vol.66，No.644，2000)上發(fā)表論文《Development of Dual ModeX-Screw a Novel Load-Sensitive Linear Actuator with a Wide TransmissionRange》(具有大速度·負載適應性的新型負載感應型直動機構DM X-Screw的開發(fā))中提出能夠實現(xiàn)負載自動匹配的新型直動機構。該機構使用絲杠和特制的偏心螺帽相配合，使用彈簧調整兩者軸心的偏心距離，該彈簧的調整則由機構負載的變化按比例自動進行。該機構一定程度解決了在負載變化大的情況下的電機-負載匹配問題，其不足之處在于減速比變化不定，控制性能不佳，不存在空檔或者制動狀態(tài)。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對現(xiàn)有直動機構，特別是應用于特種機器人領域的直動機構在大負載和結構緊湊、小型化等方面存在矛盾的問題，提供一種二級變速直動機構。使其具有結構緊湊，重量輕，體積小，直動行程大，二級變速轉換時間快，具有空檔或者制動狀態(tài)等特點，能夠高效的實現(xiàn)大負載和小負載之間的轉換，能夠方便的應用到類似特種機器人等領域中。
本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的。本發(fā)明包括主電動機、主電動機軸、兩套同步帶輪系、兩套行星輪系、絲杠、撥動裝置、直線運動絕對位置檢測裝置。所述的同步帶輪系包括主動同步帶輪、同步帶、從動同步帶輪。所述的行星輪系包括太陽輪、行星輪架、內齒圈、摩擦環(huán)。
所述的直線運動絕對位置檢測裝置同軸固定在絲杠上，檢測絲杠的旋轉運動，利用直線電位計將絲杠的旋轉運動轉換為直線運動的絕對位置數(shù)據(jù)。主電動機與主電動機軸固定連接，主電動機軸與兩套行星輪系的太陽輪固定連接。兩套行星輪系的行星輪架分別同軸固定在主動同步帶輪上，可同軸繞主電動機軸自由旋轉。兩套行星輪系的摩擦環(huán)與內齒圈固定連接，與內齒圈一起同軸安裝在主電動機軸上，可繞主電動機軸旋轉。兩套同步帶輪系中的兩個從動同步帶輪同軸固定安裝在絲杠上。撥動裝置獨立固定在行星輪系附近，與兩套行星輪系的摩擦環(huán)動態(tài)接觸。
所述的撥動裝置包括小電動機、小電動機軸、兩個撥動桿、兩個撥動凸輪、兩個制動摩擦靴、兩個拉緊彈簧、兩個復位扭簧、支撐柱、軸拖、固定支架。各部分的連接方式為小電動機與小電動機軸固定連接，兩個制動摩擦靴分別固定在兩個撥動桿上，兩個撥動凸輪同軸固定在小電動機軸上，拉緊彈簧一端固定在固定支架上，另一端與撥動桿連接，拉動兩個撥動桿使得兩個撥動凸輪與兩個撥動桿保持接觸。兩個制動摩擦靴可分別與兩套行星輪系的摩擦環(huán)動態(tài)接觸。復位鈕簧一端與撥動凸輪連接，另一端與軸托連接。
所述的直線運動絕對位置檢測裝置，可以直接購買相關標準產(chǎn)品，屬于類似電位計、編碼器一類的產(chǎn)品。
本發(fā)明中，主電動機帶動兩套行星輪系運轉，小電動機控制撥動裝置的動作，使得制動摩擦靴選擇其中一套行星輪系以輸出動力，從而相應的同步帶和從動同步帶輪帶動絲杠旋轉，由此構成大行程的直動機構。
本發(fā)明的機構在高速與低速兩級之間切換的時候，具有切換簡便、時間短、不需復雜控制、切換后小電動機即可斷電(機構狀態(tài)自保持)的特點。需要切換速度級時，僅僅對小電動機進行通電，使其帶動撥動凸輪正轉或反轉一段時間，即可達到速度級之間的切換。撥動桿端部設計L字形凸起，利用此特殊形狀獲得撥動凸輪轉動的極限位置并使得小電動機無需繼續(xù)通電就可以實現(xiàn)機構狀態(tài)的自保持。
本發(fā)明的另外一個主要特點是在高速與低速兩級之間存在空檔或者制動狀態(tài)，可根據(jù)實際應用選擇。在撥動裝置中使兩個撥動凸輪分開某一角度同軸安裝在小電動機軸上。此角度在具體應用中根據(jù)所需的換檔時間確定。由此使得上述空檔或者制動狀態(tài)位于兩速度級切換的過程中。即小電動機帶動撥動凸輪轉動時，首先切換到上述空檔或者制動狀態(tài)，然后切換到另一速度級。在某些機械工程以及特種機器人領域，需要對裝置進行維護調整的時候，經(jīng)常需要切斷傳動鏈以方便調整機構的姿態(tài)，方便進行監(jiān)測等維護處理。另一方面，在例如需要靜態(tài)支撐或把持的情況下，制動以保持姿態(tài)不變非常重要。本發(fā)明提供的空檔或者制動狀態(tài)，完全是在斷電的情況下依靠機構自身形狀實現(xiàn)，因此無需能量消耗，無需配備額外的離合器或者制動器。
本發(fā)明的變速機構可以實現(xiàn)大速度差，提供大行程的直線運動，速度級間切換控制簡單，易通過計算機實現(xiàn)自動化控制。同時，機構結構緊湊，整體體積小重量輕，適用于特種機器人領域中的相關應用。


圖1為本發(fā)明結構示意2為具有空檔狀態(tài)的撥動裝置結構示意3為另一種具有空檔狀態(tài)的撥動裝置結構示意4為具有制動狀態(tài)的撥動裝置結構示意5為另一種具有制動狀態(tài)的撥動裝置結構示意圖具體實現(xiàn)方式下面結合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
如圖1、圖2、圖3、圖4和圖5所示，本實施例包括主電動機1、主電動機軸2、兩套同步帶輪系3和4、兩套行星輪系5和6、絲杠7、撥動裝置8、直線運動絕對位置檢測裝置9。
所述的兩套同步帶輪系3和4，包括主動同步帶輪10和12，從動同步帶輪11和13、同步帶14和15。
所述的兩套行星輪系5和6結構相同，分別包括太陽輪16和17、行星輪架18和19、內齒圈20和21、摩擦環(huán)22和23。
所述的撥動裝置8，包括小電動機24、小電動機軸25、撥動桿26和27、撥動凸輪28和29、制動摩擦靴30和31、拉緊彈簧32和33、復位扭簧34和35、支撐柱36、軸拖37、固定支架38。
各部件相互連接關系為主電動機1與主電動機軸2固定連接。太陽輪16和17同軸固定在主電動機軸2上。兩個主動同步帶輪10和12分別與其上方的兩個行星輪架18和19同軸固定安裝，均可繞主電動機軸2自由旋轉。兩套行星輪系的兩個摩擦環(huán)22和23分別與兩個內齒圈20和21固定連接，與兩個內齒圈20和21一起同軸安裝在主電動機軸2上，可繞主電動機軸2旋轉。同步帶14連接主動同步帶輪10和從動同步帶輪11，同步帶15連接主動同步帶輪12和從動同步帶輪13。兩個從動同步帶輪11和13均同軸固定安裝在絲杠7上。絲杠7旋轉實現(xiàn)大行程直動機構。直線運動絕對位置檢測裝置9同軸固定安裝在絲杠7上，檢測絲杠的旋轉運動，利用直線電位計將其轉換為直線運動的絕對位置數(shù)據(jù)。
依靠撥動裝置8來限制與兩個內齒圈20和21同軸固定的兩個摩擦環(huán)22和23的旋轉，從而將來自主電動機1的動力傳遞到絲杠7。兩個同步帶輪系3和4以及兩個行星輪系5和6構成兩條動力傳遞路線。選擇不同的傳動比，則實現(xiàn)二級變速機構。控制撥動裝置8的動作，既可以實現(xiàn)在兩速度級間進行切換動作，也可以實現(xiàn)機構的制動狀態(tài)或者空檔狀態(tài)。本實施例后續(xù)闡述如何設計撥動裝置內部結構實現(xiàn)空檔狀態(tài)并且避免制動狀態(tài)的出現(xiàn)。
圖2為撥動裝置8的具體結構示意圖。撥動裝置獨立固定在行星輪系附近。各部分的連接方式為小電動機24與小電動機軸25固定連接，支撐柱36、軸拖37、固定支架38為輔助支撐部件，實現(xiàn)相關部件的定位。兩個撥動桿26、27安裝在支撐柱36上，可以分別繞其自由轉動。兩個制動摩擦靴30、31分別固定在兩個撥動桿26、27上。兩個撥動凸輪28、29同軸固定在小電動機軸25上。兩個拉緊彈簧32、33分別安裝在固定支架38與撥動桿26、27之間，拉動撥動桿26、27使得制動摩擦靴30、31與摩擦環(huán)22、23始終保持脫離狀態(tài)，即在此狀態(tài)下摩擦環(huán)22、23始終能夠自由旋轉。
撥動裝置8的通常狀態(tài)為圖2所示，由于兩個制動摩擦靴30、31與兩個摩擦環(huán)22、23都處于脫離狀態(tài)，機構整體處于空檔狀態(tài)。兩個撥動凸輪28、29彼此分開某一角度固定在小電動機軸25上。小電動機24正反方向轉動，撥動凸輪28或29分別與撥動桿26或27產(chǎn)生接觸，推動撥動桿26或27使得制動摩擦靴30或31與摩擦環(huán)22或23接觸，從而實現(xiàn)撥動裝置8的閉合。撥動桿26和27端部設計為L字形凸起，撥動凸輪28或29推動撥動桿26或27之后不久接觸到L字形凸起極限位置。此后即使保持小電動機24通電，也無法繼續(xù)轉動。拉緊彈簧32和33保證小電動機24斷電后，撥動凸輪28或29能夠穩(wěn)定在撥動桿26或27的L字形凸起處。因此，在更換速度級之后，無需對小電動機24保持供電。
撥動裝置8中的兩個制動摩擦靴30、31與兩個摩擦環(huán)22、23之間的制動方法依靠靜摩擦制動。也可以變更為齒輪嚙合制動方式。
由于兩個撥動凸輪28和29之間存在某一角度，使得小電動機24只能在該角度范圍內正反轉。這一范圍內存在本發(fā)明的三種狀態(tài)高速級，空檔狀態(tài)，低速級。只要使小電動機24正反方向持續(xù)通電保持某一特定時間，就能實現(xiàn)在兩個速度級之間的切換。需要到空檔狀態(tài)，則適當縮短通電時間即可使小電動機24運動到中間位置。撥動裝置8的內部結構保證了本實施例不存在制動狀態(tài)。
圖3、圖4和圖5提供了另外三種撥動裝置8的結構示意圖。其工作原理與圖2所述的撥動裝置8一致。圖3為另外一種帶有空擋狀態(tài)的二級變速直動機構，與圖2不同的是，兩個拉緊彈簧32和33都變更為壓縮彈簧，壓縮彈簧與兩個撥動凸輪28和29處在撥動桿的兩側。圖4為帶有制動狀態(tài)的二級變速直動機構。圖5為另外一種帶有制動狀態(tài)的二級變速直動機構，與圖4不同的是，兩個拉緊彈簧32和33都變更為壓縮彈簧，壓縮彈簧與兩個撥動凸輪28和29處在撥動桿的兩側。
權利要求
1.一種二級變速直動機構，包括主電動機、主電動機軸、絲杠、撥動裝置，其特征在于，還包括兩套同步帶輪系、兩套行星輪系、直線運動絕對位置檢測裝置，所述的同步帶輪系包括主動同步帶輪、同步帶、從動同步帶輪；所述的行星輪系包括太陽輪、行星輪架、內齒圈、摩擦環(huán)；所述的直線運動絕對位置檢測裝置同軸固定在絲杠上，檢測絲杠的旋轉運動，利用直線電位計將絲杠的旋轉運動轉換為直線運動的絕對位置數(shù)據(jù)，主電動機與主電動機軸固定連接，主電動機軸與兩套行星輪系的太陽輪固定連接，兩套行星輪系的行星輪架分別同軸固定在主動同步帶輪上，可同軸繞主電動機軸自由旋轉，兩套行星輪系的摩擦環(huán)與內齒圈固定連接，與內齒圈一起同軸安裝在主電動機軸上，可繞主電動機軸旋轉，兩套同步帶輪系中的兩個從動同步帶輪同軸固定安裝在絲杠上，撥動裝置獨立固定在行星輪系附近，與兩套行星輪系的摩擦環(huán)動態(tài)接觸。
2.根據(jù)權利要求1所述的二級變速直動機構，其特征是，所述的撥動裝置包括小電動機、小電動機軸、兩個撥動桿、兩個撥動凸輪、兩個制動摩擦靴、兩個拉緊彈簧、兩個復位扭簧、支撐柱、軸拖、固定支架，各部分的連接方式為小電動機與小電動機軸固定連接，兩個制動摩擦靴分別固定在兩個撥動桿上，兩個撥動凸輪同軸固定在小電動機軸上，兩個拉緊彈簧一端固定在固定支架上，另一端與撥動桿連接，拉動兩個撥動桿使得兩個撥動凸輪與兩個撥動桿保持接觸，兩個制動摩擦靴可分別與兩套行星輪系的摩擦環(huán)動態(tài)接觸，復位鈕簧一端與撥動凸輪連接，另一端與軸托連接。
3.根據(jù)權利要求2所述的二級變速直動機構，其特征是，所述的兩個撥動桿端部設有L字形凸起。
4.根據(jù)權利要求2所述的二級變速直動機構，其特征是，所述的兩個拉緊彈簧，或者替換為兩個壓縮彈簧，兩個壓縮彈簧與兩個撥動凸輪處在兩個撥動桿的兩側。
5.根據(jù)權利要求2所述的二級變速直動機構，其特征是，通過制動摩擦靴和摩擦環(huán)的摩擦方式實現(xiàn)二級變速，或者通過齒輪嚙合方式實現(xiàn)二級變速。
6.根據(jù)權利要求2所述的二級變速直動機構，其特征是，兩個撥動凸輪分開90-180度安裝，由此實現(xiàn)空檔或者制動狀態(tài)。
全文摘要
一種二級變速直動機構，屬于機械技術領域。本發(fā)明中，直線運動絕對位置檢測裝置同軸固定在絲杠上，主電動機與主電動機軸固定連接，主電動機軸與兩套行星輪系的太陽輪固定連接，兩套行星輪系的行星輪架分別同軸固定在主動同步帶輪上，兩套行星輪系的摩擦環(huán)與內齒圈固定連接，與內齒圈一起同軸安裝在主電動機軸上，兩套同步帶輪系中的兩個從動同步帶輪同軸固定安裝在絲杠上，撥動裝置獨立固定在行星輪系附近，與兩套行星輪系的摩擦環(huán)動態(tài)接觸。本發(fā)明可以實現(xiàn)大速度差，提供大行程的直線運動，速度級間切換控制簡單，易通過計算機實現(xiàn)自動化控制。同時，機構結構緊湊，整體體積小重量輕。存在空檔或者制動狀態(tài)，無需額外配置離合器或者制動器。
文檔編號F16H37/00GK1945058SQ20061011788
公開日2007年4月11日 申請日期2006年11月2日 優(yōu)先權日2006年11月2日
發(fā)明者袁建軍 申請人:上海交通大學