谐波减速器、机器人及安全保护方法与流程

本发明涉及谐波减速器，具体而言，涉及一种谐波减速器、机器人及安全保护方法。

背景技术：

1、谐波减速器具有传动精度高、速比大、体积小、结构简单，应用广泛等诸多优点。谐波减速器主要由三个基本部件构成，刚轮、柔轮和波发生器组成。工作过程一般是波发生器转动，迫使柔轮产生弹性变形，使柔轮的外齿与刚轮的内齿进入啮合状态，从而实现传动。

2、由于谐波减速器中的柔轮是薄壁结构，齿根位置厚度只有0.1～0.8mm。因此柔轮经长期运行后，在动载荷和交变应力的长期作用下，极易出现因累积损伤而引起的齿根断裂现象，最终导致谐波减速器的损坏，进而影响自动化设备的正常运行，严重时甚至引起事故的发生，而现有的技术无法对该现象进行甄别及处理。

3、授权公告号为cn 117249220b的专利提出了一种柔轮组件、谐波减速器及机器人，其提出将检测机构设置在柔轮工作时产生形变的过渡段上，从而能够对柔轮上产生的应力进行检测，可以对柔轮的使用寿命和健康状态进行评估，避免了由于柔轮损坏等而造成安全事故及重大经济损失，保证了谐波减速器及机器人的工作可靠。但是柔轮产生形变的过渡段并不是柔轮直接承受载荷的位置，用此位置的检测数据反应柔轮的实际受力情况不够准确，并且在时间上存在滞后性。

4、另外，在一些特殊应用场合，比如海底探测设备、航天设备、搜索救援设备等，对谐波减速器和谐波减速器的输出端连接的装置缺少安全保护，减速器异常损坏可能引起设备连环故障的发生。

5、因此，需要对现有的方案进行优化，以提高对谐波减速器受力检测的准确性以及在使用时的安全性。

技术实现思路

1、本发明提供了一种谐波减速器、机器人及安全保护方法，以解决现有技术中的谐波减速器受力检测的准确性差以及在使用时输出端缺少安全性保护的问题。

2、为了解决上述问题，本发明提供了一种谐波减速器，包括刚轮、柔轮、波发生器、应力检测单元、制动器和控制单元，波发生器用于驱动柔轮的外齿和刚轮的内齿啮合，应力检测单元设置在柔轮的外齿的齿根处，制动器用于制动刚轮，应力检测单元、制动器均和控制单元电连接，控制单元根据应力检测单元的检测结果控制制动器动作。

3、进一步地，应力检测单元为多个，多个应力检测单元在柔轮的周向均匀分布。

4、进一步地，外齿的齿高为h，应力检测单元在外齿的齿高方向的尺寸为a，a≤0.05h。

5、进一步地，应力检测单元粘接于外齿的齿根处，或应力检测单元通过增材制造形成于外齿的齿根处。

6、进一步地，柔轮还包括杯筒、隔膜和安装法兰，外齿位于杯筒的外壁，隔膜为环形片状结构，隔膜的内圈和杯筒的一端连接，隔膜的外圈和安装法兰的内圈连接，安装法兰的厚度大于隔膜的厚度，安装法兰和隔膜之间具有第一安装腔，控制单元位于第一安装腔内。

7、进一步地，在柔轮的轴向，控制单元的厚度小于第一安装腔的深度；控制单元包括电路板、处理芯片、应变连接线和输出信号线，电路板为环形并位于环形的第一安装腔内，电路板的内径大于等于杯筒的内径，电路板的外径小于等于安装法兰的内径；处理芯片安装于电路板，应变连接线将应力检测单元和电路板电连接，输出信号线将电路板和制动器电连接。

8、进一步地，谐波减速器还包括刚性轴承，刚性轴承的外圈和柔轮固定连接，刚性轴承的内圈和刚轮固定连接，制动器设置在刚性轴承的内圈和外圈之间，制动器在制动的情况下，将内圈和外圈的相对位置固定。

9、进一步地，谐波减速器还包括润滑脂检测单元，润滑脂检测单元用于检测谐波减速器内的润滑脂参数，润滑脂检测单元和控制单元电连接，控制单元根据润滑脂检测单元的检测结果控制制动器动作。

10、进一步地，润滑脂检测单元包括铁磁仪，铁磁仪用于检测润滑脂中铁粉的浓度。

11、进一步地，波发生器包括柔性轴承和转动设置在柔性轴承内的凸轮，凸轮具有第二安装腔，润滑脂检测单元位于第二安装腔内。

12、进一步地，谐波减速器还包括输入轴，输入轴包括相互连接的粗轴和细轴，细轴穿入凸轮，粗轴的台阶面和凸轮的端面抵接，第二安装腔内设置有紧固件以将凸轮和粗轴固定连接。

13、或者，谐波减速器还包括输出端法兰，输出端法兰和刚轮固定连接，输出端法兰朝向柔轮的一侧具有第三安装腔，润滑脂检测单元位于第三安装腔内。

14、本发明还提供了一种机器人，机器人的活动关节处设置有上述的谐波减速器。

15、本发明还提供了一种安全保护方法，安全保护方法包括：

16、检测谐波减速器的柔轮的外齿的齿根处的应力；

17、根据外齿的齿根处的应力检测结果，计算柔轮承受的扭矩；

18、在扭矩超过设定值的情况下，制动谐波减速器的刚轮。

19、进一步地，安全保护方法还包括：

20、在扭矩未超过设定值的情况下，计算谐波减速器的跑合寿命及剩余寿命；

21、在谐波减速器的剩余寿命为0的情况下，制动谐波减速器的刚轮。

22、进一步地，安全保护方法还包括：

23、检测谐波减速器内的润滑脂的参数，在润滑脂的参数达到设定条件的情况下，制动谐波减速器的刚轮。

24、应用本发明的技术方案，提供了一种谐波减速器，包括刚轮、柔轮、波发生器、应力检测单元、制动器和控制单元，波发生器用于驱动柔轮的外齿和刚轮的内齿啮合，应力检测单元设置在柔轮的外齿的齿根处，制动器用于制动刚轮，应力检测单元、制动器均和控制单元电连接，控制单元根据应力检测单元的检测结果控制制动器动作。在本方案中，通过在柔轮的外齿的齿根处设置应力检测单元，可以直接检测齿根处的受力情况，此位置是柔轮的薄弱位置也是直接受力的位置，这样检测的结果更加准确和及时，并且，当检测出的结果出现异常时，控制单元控制制动器动作，制动器制动刚轮，使刚轮停止转动，也即对谐波减速器的输出端及其连接的装置进行制动，实现安全保护。该方案避免了由于柔轮损坏而造成安全事故及经济损失，保证了谐波减速器及相关装置的工作可靠性。

25、上述实施例提出了一种具备更精准健康评估和安全保护功能的谐波减速器，具有以下特点：

26、1、通过应变片采集柔轮齿根位置应力应变信号，进而得到当前运行状态下，减速器所承受的实时负载转矩。

27、2、通过润滑脂状态检测，如铁粉浓度、粘度等指标，判断减速器磨损情况，并根据减速器磨损状态判断减速器健康状态，实现减速器健康状态的有效评估。

28、3、在输出端增加制动器，在减速器受到异常冲击或者健康状态发生变化时，如当润滑脂铁粉浓度大于0.1％时，或者减速器受到大于允许最大转矩时，以及出现失速信号时，制动器开始工作，减速器输出端被锁死，防止设备或机器人撞机损坏、伤人等情况发生，对减速器和设备起到安全保护的作用。

技术特征：

1.一种谐波减速器，其特征在于，包括刚轮(10)、柔轮(20)、波发生器(30)、应力检测单元(40)、制动器(50)和控制单元(60)，所述波发生器(30)用于驱动所述柔轮(20)的外齿(21)和所述刚轮(10)的内齿啮合，所述应力检测单元(40)设置在所述柔轮(20)的外齿(21)的齿根处，所述制动器(50)用于制动所述刚轮(10)，所述应力检测单元(40)、所述制动器(50)均和所述控制单元(60)电连接，所述控制单元(60)根据所述应力检测单元(40)的检测结果控制所述制动器(50)动作。

2.根据权利要求1所述的谐波减速器，其特征在于，所述应力检测单元(40)为多个，多个所述应力检测单元(40)在所述柔轮(20)的周向均匀分布。

3.根据权利要求1所述的谐波减速器，其特征在于，所述外齿(21)的齿高为h，所述应力检测单元(40)在所述外齿(21)的齿高方向的尺寸为a，a≤0.05h。

4.根据权利要求1所述的谐波减速器，其特征在于，所述应力检测单元(40)粘接于所述外齿(21)的齿根处，或所述应力检测单元(40)通过增材制造形成于所述外齿(21)的齿根处。

5.根据权利要求1所述的谐波减速器，其特征在于，所述柔轮(20)还包括杯筒(22)、隔膜(23)和安装法兰(24)，所述外齿(21)位于所述杯筒(22)的外壁，所述隔膜(23)为环形片状结构，所述隔膜(23)的内圈和所述杯筒(22)的一端连接，所述隔膜(23)的外圈和所述安装法兰(24)的内圈连接，所述安装法兰(24)的厚度大于所述隔膜(23)的厚度，所述安装法兰(24)和所述隔膜(23)之间具有第一安装腔(25)，所述控制单元(60)位于所述第一安装腔(25)内。

6.根据权利要求5所述的谐波减速器，其特征在于，在所述柔轮(20)的轴向，所述控制单元(60)的厚度小于所述第一安装腔(25)的深度；所述控制单元(60)包括电路板(61)、处理芯片(62)、应变连接线(63)和输出信号线(64)，所述电路板(61)为环形并位于环形的所述第一安装腔(25)内，所述电路板(61)的内径大于等于所述杯筒(22)的内径，所述电路板(61)的外径小于等于所述安装法兰(24)的内径；所述处理芯片(62)安装于所述电路板(61)，所述应变连接线(63)将所述应力检测单元(40)和所述电路板(61)电连接，所述输出信号线(64)将所述电路板(61)和所述制动器(50)电连接。

7.根据权利要求1所述的谐波减速器，其特征在于，所述谐波减速器还包括刚性轴承(70)，所述刚性轴承(70)的外圈和所述柔轮(20)固定连接，所述刚性轴承(70)的内圈和所述刚轮(10)固定连接，所述制动器(50)设置在所述刚性轴承(70)的内圈和外圈之间，所述制动器(50)在制动的情况下，将所述内圈和所述外圈的相对位置固定。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的谐波减速器，其特征在于，所述谐波减速器还包括润滑脂检测单元(80)，所述润滑脂检测单元(80)用于检测所述谐波减速器内的润滑脂参数，所述润滑脂检测单元(80)和所述控制单元(60)电连接，所述控制单元(60)根据所述润滑脂检测单元(80)的检测结果控制所述制动器(50)动作。

9.根据权利要求8所述的谐波减速器，其特征在于，所述润滑脂检测单元(80)包括铁磁仪，所述铁磁仪用于检测润滑脂中铁粉的浓度。

10.根据权利要求8所述的谐波减速器，其特征在于，所述波发生器(30)包括柔性轴承(31)和转动设置在所述柔性轴承(31)内的凸轮(32)，所述凸轮(32)具有第二安装腔(33)，所述润滑脂检测单元(80)位于所述第二安装腔(33)内。

11.根据权利要求10所述的谐波减速器，其特征在于，所述谐波减速器还包括输入轴(91)，所述输入轴(91)包括相互连接的粗轴和细轴，所述细轴穿入所述凸轮(32)，所述粗轴的台阶面和所述凸轮(32)的端面抵接，所述第二安装腔(33)内设置有紧固件以将所述凸轮(32)和所述粗轴固定连接。

12.根据权利要求8所述的谐波减速器，其特征在于，所述谐波减速器还包括输出端法兰(92)，所述输出端法兰(92)和所述刚轮(10)固定连接，所述输出端法兰(92)朝向所述柔轮(20)的一侧具有第三安装腔，所述润滑脂检测单元(80)位于所述第三安装腔内。

13.一种机器人，其特征在于，所述机器人的活动关节处设置有权利要求1至12中任一项所述的谐波减速器。

14.一种安全保护方法，其特征在于，所述安全保护方法包括：

15.根据权利要求14所述的安全保护方法，其特征在于，所述安全保护方法还包括：

16.根据权利要求14所述的安全保护方法，其特征在于，所述安全保护方法还包括：

技术总结
本发明提供了一种谐波减速器、机器人及安全保护方法，谐波减速器包括刚轮、柔轮、波发生器、应力检测单元、制动器和控制单元，波发生器用于驱动柔轮的外齿和刚轮的内齿啮合，应力检测单元设置在柔轮的外齿的齿根处，制动器用于制动刚轮，应力检测单元、制动器均和控制单元电连接，控制单元根据应力检测单元的检测结果控制制动器动作。在本方案中，通过在柔轮的外齿的齿根处设置应力检测单元，可以直接检测齿根处的受力情况，这样检测的结果更加准确和及时，并且，当检测出的结果出现异常时，制动器制动刚轮，使刚轮停止转动，也即对谐波减速器的输出端及其连接的装置进行制动，实现安全保护。

技术研发人员：谷甲甲,崔中,李文汉,张皓,蔡达成,刘云飞
受保护的技术使用者：珠海格力电器股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/10/10