專利名稱：齒輪軸承驅動裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種齒輪軸承驅動裝置，以及它在各種裝置中的應用，包括假肢和機械臂。
背景技術：
齒輪軸承是一種機械結構，包括齒輪和滾子支承表面，從而機械動力結構和軸承 運動控制功能在不需要專用軸承的情況下可以進行。齒輪軸承采取部件和裝置形式。齒輪 軸承部件可以構造成許多形式，齒輪軸承部件可以作為模塊直接彼此連接以形成齒輪軸承 裝置。齒輪軸承裝置始終使用滾動摩擦，從而不需要外部軸承。行星齒輪軸承減速器利用齒 輪軸承技術非常容易構造，并且它們在緊湊的封裝中提供了良好的減速?！皉ock lock”(基 于力平衡)特性在齒輪軸承行星減速器中是固有的，通過防止接頭反向驅動(joint back drive)(當齒輪軸承減速比高于一定值時，在90-120 1周圍)，這些確保了特殊的安全 性。齒輪軸承使用齒尖，該齒尖靠著滾子軸承配合，從而軸向鎖定系統(tǒng)。除了將系統(tǒng)鎖定在 一起之外，這個配合可以進行推力軸承功能，給機構增加了額外的功能性。齒輪軸承裝置可 以制造成以緊湊的封裝提供特殊的軸承強度，并具有獨特的運動控制特性，這使得它們能 夠執(zhí)行有競爭力的邊緣功能。齒輪軸承系統(tǒng)在美國專利No. 6，626，792中描述。這個系統(tǒng)使用了行星齒輪裝置， 通過將接觸面設置在每個齒輪的節(jié)徑處，消除了普通的軸承。系統(tǒng)使用了輸入和輸出小齒 輪之間一個齒的差異。接觸表面保持正確嚙合，并且允許齒輪組以最小的振動操作。由于 部件數量減少以及整體復雜性降低，可靠性也提高。同樣利用相同機構實現大范圍齒輪比 是該齒輪軸承設計的內在特性，例如從1 1到1 2000，僅通過改變每個齒輪的齒數。該 專利中的齒輪軸承系統(tǒng)包括每個齒輪的單個滾子，其利用輪齒端部來將系統(tǒng)鎖定在一起。其它已知的驅動系統(tǒng)使用行星齒輪系統(tǒng)，具有螺旋行星齒輪和球軸承，并且驅動 載體的輸出。Harmonic驅動裝置，利用波發(fā)生器操作，同樣是已知的。簡要描述可參見美國 專利公開 No. 2006/0073922。關于假體裝置的領域，人體驅動的部件已經用在假體中幾個世紀，并且今天仍然 廣泛應用。這些系統(tǒng)的控制包括總體主體運動的協(xié)調，遠離切斷截肢場所，并且通常包括直 接連接到假體的某種類型的身體束縛。雖然這而假體通常重量輕并且成本低，它們具有顯 著的缺點。身體的束縛通常限制了工作的范圍，截肢者必須能夠以同步方式協(xié)調身體運動 從而正確地操作終端裝置。更高水平的截肢者通常不能產生充分的運動從而正確的啟動假 體。實現滿意的夾持強度同樣很困難，這是由于目前銷售的終端裝置和夾持模式的機械限 制。自從1970年代后期開始，外部驅動的部件已經使用，并且相對于身體驅動部件提 供了一些不同的優(yōu)點。電子肘可以產生大約151bs/ft的提升力，電子終端裝置可以產生大 約221bs的最大夾持力。雖然相對于許多人體驅動的部件供了改進的性能，但是這些裝置 仍然對于很多任務不適合。

發(fā)明內容
根據本發(fā)明的齒輪軸承驅動裝置是一種緊湊的機構，能夠作為致動器操作，提供 扭矩，并作為關節(jié)操作，提供支撐。由于外部轉子無刷DC電機技術以及齒輪軸承技術，這是 可行的。它可以用單個機構代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電機齒輪系組件，節(jié)省重量和空間。另外，高度的絕 對或者增大的位置精度對于這種設計是固有的，另外給驅動電機增加了編碼器。它的緊湊 尺寸、高精度和關節(jié)性能允許它在航空、空間、制造、運輸和其它工業(yè)中具有應用。一種齒輪軸承驅動裝置提供一種無軸承的關節(jié)(joint)和高功率緊湊致動器，具 有大的功率密度。齒輪軸承驅動裝置使用行星齒輪裝置，其中外部轉子電動機集成在輸入 太陽齒輪子組件中。電動機的線圈接地到輸入環(huán)形齒輪。齒輪軸承驅動裝置使用滾子支承 表面以向機構提供軸向和徑向支撐。滾子支承表面設計可以使用單個滾動表面，其中其端 面配合到輪齒齒尖，或者它可以使用兩級滾子軸承，其利用滾子支承表面來分開徑向和軸 向支撐，用于徑向支撐，以及延伸的轉子，從而將系統(tǒng)軸向鎖定。齒輪軸承驅動裝置，包括兩 級滾子子組件，也可受益于輪齒末端的倒角，從而從齒輪齒尖去除所有負荷。這個特征將大 部分軸向負荷移動到齒輪的齒根圓下面，從而極大增加了驅動裝置的連接強度。通過去除外部支撐結構，齒輪軸承驅動裝置簡化了機器的關節(jié)組件。并且通過將 所述關節(jié)結構、電動機以及齒輪裝置結合到單個緊湊機構中，使用齒輪軸承的裝置可以實 現高功率密度。這使得齒輪軸承驅動裝置可用于各種應用中，包括機械臂，假肢，電動絞盤 以及仿生學。


結合附圖，通過下面詳細描述，將充分理解本發(fā)明，附圖中圖1是根據本發(fā)明從輸出側的齒輪軸承驅動裝置第一實施例的等角圖；圖2是從輸入側的圖1齒輪軸承驅動裝置的等角圖；圖3是圖2的齒輪軸承驅動裝置的部分剖開圖；圖4A是齒輪軸承驅動裝置第一實施例的輸出側平面圖；圖4B是齒輪軸承驅動裝置第一實施例的輸入側平面圖；圖5是從輸出側的齒輪軸承驅動裝置第一實施例的部分視圖，其中鎖定環(huán)被去 除；圖6是從輸入側的齒輪軸承驅動裝置第一實施例的部分視圖，其中鎖定環(huán)被去 除；圖7是齒輪軸承驅動裝置第一實施例的內部部件的等角圖；圖8是圖7的內部部件的側視圖；圖9是齒輪軸承驅動裝置第一實施例的等角剖視圖；圖10A是齒輪軸承驅動裝置第一實施例的小齒輪子組件的側視圖；圖10B是圖10A的小齒輪子組件的剖視圖；圖11A是齒輪軸承驅動裝置第一實施例的太陽齒輪子組件的等角圖；圖11B是圖11A的太陽齒輪子組件的端視圖；圖11C是圖11A的太陽齒輪子組件的另外等角圖12是齒輪軸承驅動裝置第一實施例的剖視圖；圖13是齒輪軸承驅動裝置第一實施例的太陽齒輪子組件和小齒輪子組件的平面 圖；圖14是齒輪軸承驅動裝置第一實施例裝配中第一步驟的等角15是齒輪軸承驅動裝置第一實施例裝配中第二步驟的等角16是齒輪軸承驅動裝置第一實施例裝配中第三步驟的等角17是齒輪軸承驅動裝置第一實施例裝配中第四步驟的等角18是齒輪軸承驅動裝置第一實施例裝配中第五步驟的等角19是齒輪軸承驅動裝置第一實施例裝配中第六步驟的等角20是齒輪軸承驅動裝置第一實施例裝配中第七步驟的等角21是齒輪軸承驅動裝置第一實施例裝配中第八步驟的等角22是齒輪軸承驅動裝置第一實施例裝配中第九步驟的等角23是齒輪軸承驅動裝置第一實施例裝配中第十步驟的等角24是齒輪軸承驅動裝置第一實施例裝配中第十一步驟的等角25是齒輪軸承驅動裝置第一實施例裝配中第十二步驟的等角26是齒輪軸承驅動裝置第一實施例裝配中第十三步驟的等角27是齒輪軸承驅動裝置第一實施例裝配中第十四步驟的等角27是齒輪軸承驅動裝置第一實施例裝配中第十四步驟的等角28A是完全裝配的齒輪軸承驅動裝置的第一實施例的等角圖；圖28B是完全裝配的齒輪軸承驅動裝置的第一實施例的另外等角29是齒輪軸承驅動裝置的第二實施例的等角圖；圖30是齒輪軸承驅動裝置第二實施例的剖視圖；圖31是齒輪軸承驅動裝置第二實施例的部分剖視圖；圖32A是結合了根據本發(fā)明齒輪軸承驅動裝置的機械臂的等角圖；圖32B是圖32A機械臂的另外等角圖；圖32C是圖32A的機械臂的另外等角圖；圖33A是結合了根據本發(fā)明齒輪軸承驅動裝置的假肢的等角圖；圖33B是圖33A的假肢的另外等角圖；圖34A是圖33A的假肢的肘關節(jié)的等角圖；圖34B是圖34A的肘和前臂驅動裝置的另外等角圖；圖35A是圖33A的假肢的前臂驅動裝置的等角圖；圖35B是圖35B的假肢的前臂驅動裝置的另外視圖；圖36是結合了根據本發(fā)明齒輪軸承驅動裝置的絞盤組件的示意圖；圖37是根據本發(fā)明齒輪軸承驅動裝置另外實施例的示意圖；圖38是根據本發(fā)明齒輪軸承驅動裝置另外實施例的示意圖。
具體實施例方式
圖1-13示出了本發(fā)明的齒輪軸承(gear bearing)驅動裝置10的第一實施例。齒 輪軸承驅動裝置包括外部轉子電動機12，其集成到齒輪軸承組件14中。齒輪軸承組件是無軸承的齒輪系統(tǒng)，其將滾動表面放置在每個齒輪的節(jié)徑處，從而保持齒輪組的對正并且支 撐推力、徑向和彎曲載荷。具體的，齒輪系統(tǒng)包括輸入側太陽齒輪子組件16，其被輸入側和 輸出側環(huán)形齒輪18、20同心圍繞。多個相同尺寸的小齒輪子組件22接合(interface)在 輸入太陽齒輪子組件16和環(huán)形齒輪18、20之間。小齒輪子組件圍繞著太陽齒輪子組件并 繞其旋轉，從而將輸入級連接到驅動裝置的輸出級。電動機12集成在輸入側上太陽齒輪子 組件內。電動機的線圈24接地到組件的輸入側。輸入和輸出鎖定環(huán)26、28設置在輸入和輸出側上，從而將環(huán)形齒輪18、20配合到 小齒輪子組件22，并且將整個組件14鎖定在一起。當裝配時，驅動裝置是剛性的，具有支撐 推力、徑向和彎曲載荷的能力，如下面所述。鎖定環(huán)和環(huán)形齒輪根據需要構造從而連接到適 當的應用。太陽齒輪子組件16中心地設置在驅動裝置的內部，包括外部轉子電動機的磁體 32以及它們的安裝結構34，輸入太陽齒輪36，可選的編碼器驅動軸38，太陽齒輪滾子支承 (bearing，軸承)面42，以及太陽齒輪鎖定表面43、44。太陽齒輪滾子支承面42徑向朝外， 太陽鎖定表面44朝向軸向從而與小齒輪子組件的延伸的滾子46配合。所示實施例中，太陽齒輪鎖定環(huán)48共軸設置在太陽齒輪36的位于輸入側的端部 上。太陽齒輪鎖定環(huán)48包括徑向朝外的太陽齒輪滾子支承面42，其在小齒輪子組件22的 相對應滾子支承面52上滾動而沒有滑移。太陽齒輪鎖定環(huán)48還包括太陽齒輪鎖定表面 44，其軸向朝著太陽齒輪36。太陽齒輪齒56從太陽齒輪36在確定的節(jié)圓半徑徑向延伸，其與太陽齒輪滾子支 承面42的半徑相同。因此，節(jié)圓半徑處的太陽齒輪齒以及太陽齒輪滾動支承面以相同速度 旋轉。太陽齒輪齒從末端向根部被倒角(圖11B，12)從而從太陽齒輪鎖定表面43處的齒 輪末端去除負荷。負荷被轉移到小齒輪子組件22上的鎖定表面58，其配合在輪齒56的根 部處和鎖定環(huán)48的太陽齒輪鎖定表面44處。有利的，不需要軸承來同心設置太陽齒輪，因為太陽齒輪子組件通過小齒輪子組 件的鎖定表面被徑向和軸向地固定。同樣所示實施例中，輸出太陽滾子子組件66共軸設置在太陽齒輪位于輸出側的 另一端處。輸出太陽滾子組件穩(wěn)定了驅動裝置，保持小齒輪子組件正確對齊。輸出太陽滾 子子組件包括太陽滾子支承面68，其徑向朝外，其在小齒輪子組件22的相對應滾子支承面 72上滾動而沒有滑移。太陽滾子子組件包括太陽滾子鎖定環(huán)74和太陽滾子軸承76，環(huán)74共軸設置在太 陽滾子子組件位于輸出側上的端部處。太陽滾子子組件包括太陽滾子鎖定表面78，其軸向 朝著太陽齒輪。太陽滾子子組件包括另一個鎖定表面78，其軸向朝外。太陽滾子鎖定環(huán)將 太陽滾子子組件鎖定到小齒輪子組件。鎖定表面與小齒輪子組件的延伸滾子82配合，進一 步將齒輪軸承驅動裝置的輸出側穩(wěn)定。每個小齒輪子組件包括輸入級小齒輪84和與輸入級小齒輪共軸的輸出級小齒輪 86。輸入級小齒輪的齒與太陽齒輪的齒和輸入側環(huán)形齒輪的齒嚙合。輸出小齒輪的齒與輸 出側環(huán)形齒輪的齒嚙合。在輸入級小齒輪的齒數和輸出級小齒輪齒數之間具有單個齒的差 異。三個小齒輪子組件被示出，但是如果需要的話可使用四個或多個，從而將負荷分布在行 星齒輪小齒輪間隔方程(spacing equation)的極限內。
輸入級小齒輪和輸出級小齒輪共軸安裝在小齒輪支撐構件或者支柱 (backbone)88上，其為小齒輪子組件提供了主要支撐。小齒輪滾子罩(roller cap) 102在 支柱的一端處軸向安裝在螺紋桿108上，并且將小齒輪子組件鎖定在一起。小齒輪子組件 可以以另一種方式裝配，如本領域技術人員可以確定的。在輸入側，支柱包括位于一端上的滾子支撐面27，其徑向朝外。滾動支承面在太陽 滾子支承面42和輸入環(huán)形齒輪滾子支承面92上滾動而沒有滑移。這固定了太陽齒輪子組 件的徑向位置。鎖定表面58，位于靠近滾子支承面的延伸滾子46上，軸向向內和向外。它 們與太陽齒輪子組件和輸入環(huán)形齒輪的鎖定槽配合，將齒輪軸承驅動裝置機構的輸入側鎖 定到小齒輪子組件。輪齒端部的末端被倒角，從而將負荷轉移到齒輪的齒根圓的下面。這 增大了關節(jié)的力處理能力，降低了齒輪末端加速磨損的可能性。在輸出側，支柱包括徑向朝向的小齒輪滾子支承面72。滾子支承面在太陽滾子支 承面68上滾動而沒有滑移，還固定了太陽滾子子組件的徑向位置。鎖定表面104，位于靠近 滾子支承面的延伸滾子106上，軸向朝內和朝外。它們與太陽滾子子組件和輸出環(huán)形齒輪 的鎖定槽配合，將齒輪軸承驅動裝置機構的輸出側鎖定到小齒輪子組件，并且軸向設置所 述太陽滾子組件。輪齒端的末端被倒角從而將負荷轉移到齒輪齒根圓的下面。這增強了關 節(jié)的力處理能力，并且降低了齒輪末端的加速磨損的可能性。輸入側環(huán)形齒輪18包括這樣的齒，其與輸入小齒輪84的齒嚙合。鎖定槽通過輸 入環(huán)形齒輪的齒的端面和輸入側鎖定環(huán)26的軸向向內表面形成。這個槽限定了鎖定表面 118 (圖9)，該表面與小齒輪子組件的輸入側的鎖定表面58配合。與小齒輪子組件齒輪齒 和太陽齒輪齒一樣，輸入側環(huán)形齒輪末端被倒角。輸出側環(huán)形齒輪20包括齒，其與輸出側小齒輪86的齒嚙合。鎖定槽由輸出環(huán)形齒 輪的齒的端面以及輸出側鎖定環(huán)28的軸向向內表面形成。這個槽限定了鎖定表面120 (圖 9)，其與小齒輪子組件的輸出側的鎖定表面104配合。與小齒輪子組件齒輪齒和太陽齒輪 齒一樣，輸出側環(huán)形齒輪末端被倒角。輸出和輸入側鎖定環(huán)將環(huán)形齒輪配合到小齒輪子組件，將組件鎖定在一起。鎖定 環(huán)包括滾子支承面122、124，它們在小齒輪滾子罩和小齒輪支柱的滾子支承面上滾動而沒
有滑移。電動機是緊湊的外部轉子DC電動機。這個電動機中，線圈固定到端承口(end bell)(接地定子)，磁體設置在轉子上。這個轉子設計比普通的DC電動機設計具有較高的 扭矩輸出，較大的散熱能力，以及低的部件數量。參考圖11A-C，示出了將電動機集成到太陽齒輪中的一個實施例。翼片132例如通 過機加工形成到太陽齒輪的內表面中。磁體32例如利用膠附接在翼片之間。外部轉子共 軸布置在太陽齒輪內的腔內。定子固定在轉子內。小的錐形孔134可以包括在一些翼片中 從而有助于將太陽齒輪鎖定環(huán)48保持就位。還可包括編碼器軸38，用于如果對于應用需要的話連接到太陽齒輪。連接到該 軸的編碼器使得它的分辨率乘以與齒輪軸承裝置相同的比率，使得裝置良好適用于精度控 制。例如，12位(每次旋轉4096聲(click))編碼器，連接到電動機，其中齒輪減速比為 300 1，產生了小于0.0003度的可能的旋轉精度。圖14-28A和B示出了裝置的裝配。裝置優(yōu)選借助于裝配夾具(jig) 140來裝配，其設置小齒輪。圖15中，螺紋桿108插入到夾具中的套環(huán)142中的安裝孔144中。螺紋桿 將小齒輪設置在正確的位置并將它們正確定向。如圖16，小齒輪支柱88在螺紋桿上方滑 動。接下來，輸出級小齒輪86在支柱上滑動就位(圖17)。輸出側太陽滾子鎖定環(huán)74在夾具的中間中保持就位，與夾具中的開口對齊(圖 18)。輸出太陽滾子76然后被螺栓連接到輸出太陽滾子鎖定環(huán)(圖19)。輸入側小齒輪84 然后在小齒輪組件支柱上滑動(圖20)。輸出側環(huán)形齒輪20在小齒輪上滑動就位(圖21)。 接下來，太陽齒輪36滑動就位，組件夾具被去除(圖22)。然后，輸入側環(huán)形齒輪18滑動就位(圖23)。小齒輪滾子罩102利用螺紋桿被螺 合(圖24)。具有表面42的太陽齒輪滾子滑動就位并被向下螺合(圖25)。輸出鎖定環(huán) 28利用對齊銷152安裝到輸出環(huán)形齒輪，從而確保齒輪軸承滾子表面被正確對齊(圖26)。 電動機線圈結構安裝到輸入側鎖定環(huán)26，然后輸入側鎖定環(huán)安裝到輸入側環(huán)形齒輪18 (圖 27)。圖28A和B示出了完全裝配的齒輪軸承驅動裝置的兩個視圖。其它結構的齒輪軸承驅動裝置也是可行的。例如如圖29-31，齒輪軸承驅動裝置 可僅利用齒輪端齒尖和平坦齒輪軸承滾子提供，從而將機構鎖定在一起。這種結構中，滾子 環(huán)是一個直徑，具有徑向表面，用作齒輪軸承滾子，并具有內部軸向面，作為鎖定表面。輸入 和輸出鎖定環(huán)被省略。齒輪軸承驅動裝置的減速比通過已知的等式確定(例如見美國專利 No. 6，626，792)。外部轉子電動機集成在太陽齒輪內，如上所述。隨著齒輪減速比增大，反 向可驅動性(backdrivability)降低，直到發(fā)生“Rock lock”的點。這個點之后，機構不能 反向驅動。齒輪軸承驅動裝置150的另一個實施例中，外部轉子電動機152結合在一個或多 個小齒輪154中，而不是在太陽齒輪156中。見圖37。這個組件因此是單級齒輪減速器，具 有集成的電動機。另外的電動機增加了功率密度而沒有增大組件的尺寸。被動的(passive) 中心設置的太陽齒輪56和被動小齒輪158可以僅是滾子/鎖定環(huán)，或者它們也可包括齒 輪。環(huán)形齒輪可以直接驅動機器，或者可以包括另外的特征從而允許它在齒條和小齒輪組 件中用作小齒輪部件。電動機定子(多個)根據應用需要而接地。另外的實施例中，齒輪軸承驅動裝置160是齒輪軸承傳動裝置，共軸地集成在內 部轉子無刷DC電動機162中。見圖38。磁體164安裝到齒輪軸承環(huán)形齒輪166的外部。 電動機線圈168，位于定子169內，連同小齒輪170的位置被接地。小齒輪利用標準球軸承 旋轉就位。環(huán)形齒輪被驅動，動力通過小齒輪傳遞到太陽齒輪172。太陽齒輪具有輸出軸 174。環(huán)形齒輪，小齒輪，和太陽齒輪都包括滾子支承面。這些滾子支承面保持太陽和環(huán)形 齒輪相對于線圈的同心。小齒輪支撐內部結構。齒輪軸承驅動裝置的這種結構相對于被驅 動的環(huán)形齒輪使得輸出軸的轉速成倍。磁體/線圈的大半徑給電動機以高扭矩能力。輸出 軸具有支撐負荷、連同扭矩的能力，負荷包括推力和徑向負荷。這個外部驅動齒輪軸承驅動裝置的另外實施例使用兩級系統(tǒng)，其中行星齒輪具有 單齒差異，輸出側環(huán)形齒輪和太陽滾子。輸出側環(huán)形齒輪是致動器的輸出。它與上述太陽 齒輪驅動實施例具有相同的齒輪軸承部件，除了輸入側環(huán)形齒輪現在以與圖38的實施例 類似的方式被內部轉子電動機和外部線圈驅動。這個情況中，小齒輪自由循環(huán)，并且太陽齒 輪鎖定就位(接地)。它可以結合與上述相同類型的鎖定槽系統(tǒng)。這個驅動裝置可以支撐 推力和徑向負荷，連同輸出側環(huán)形齒輪上的力矩。
齒輪軸承驅動裝置可以實現為關節(jié)，能夠支撐力矩、推力和徑向載荷，同時以高水 平扭矩驅動關節(jié)。例如，齒輪軸承驅動裝置適于作為機械臂或者假肢中的關節(jié)。結合了齒輪軸承驅動裝置的機械臂200的一個實施例在圖32中示出。所示的機 械臂具有六自由度，在輕型緊湊封裝中具有高強度和特別高的精度。臂是模塊化的，結合了 一系列關節(jié)模塊和終端執(zhí)行模塊。這個模塊化允許在終端執(zhí)行器處以任何尺寸和任意數目 的所需的自由度來快速設計這些臂和原型機制造。每個關節(jié)(所示實施例中肩膀202，肘部204，腕部206)利用它自己的齒輪軸承驅 動裝置被驅動，其將致動器、關節(jié)負荷支撐裝置、以及位置檢測結合到一空間中，該空間體 積上小于目前類似能力的任何機械臂。齒輪軸承驅動裝置的全面功能有助于機械臂的模塊 化設計結構，使得臂更加可重構并且高度適于各種任務。機器人每個自由度使用一個齒輪 軸承驅動裝置。所示實施例中，肩膀和肘部關節(jié)使用相同齒輪軸承驅動裝置，腕部關節(jié)使用 較小的齒輪軸承驅動裝置。每個齒輪軸承驅動裝置關節(jié)組件包括它自己的控制器和編碼器。齒輪軸承驅動裝 置構造成具有同步的編碼器和關節(jié)位置，從而它們可以安裝或者替換，不需重新參照機械 臂的零位。當插入到預先分度的關節(jié)安裝件中時，使用者僅需將臂類型編碼輸入到主控制 器中并且系統(tǒng)將會使用。機械臂的結構可以改變，通過簡單地從機械臂替換、增加或者去除 部件。根據對于將執(zhí)行的任務所需要的，機械臂的負荷能力可以通過臂的尺寸和強度來 確定。一個實施例中，所示機械臂的大致重量大約151bs，具有鋁制的臂。齒輪軸承驅動裝置在圖33A-35B中示為在3_4自由度假肢300中。臂包括齒輪軸 承驅動裝置，位于肘部302處，用于彎曲和伸展。在前臂殼體304內，靠近肘部，齒輪軸承驅 動裝置306被設置用于前臂旋轉，也就是旋前和旋后。同樣在前臂殼體內，齒輪軸承驅動裝 置308被設置用于腕部彎曲和伸展?？蛇x的肩部旋轉驅動裝置310可以設置。用于上部的 容座(socket) 312和用于手的連接系統(tǒng)314同樣設置。關節(jié)能夠具有120度/秒的轉速。一個實施例中，對于所示的部件，不包括容座， 臂的估計的質量/重量大約1. 2kg/2. 751bs。肘關節(jié)處的齒輪軸承驅動裝置具有2. 3”的外 徑和2. 5”的長度。這個緊湊的尺寸允許關節(jié)完全容納在常規(guī)肘部占用的空間內。臂中使用的外部轉子電動機共用相同的形狀因數，具有55-210W的功率容量，從 而系統(tǒng)可以對于具體應用被優(yōu)化，例如重型提升或者超低功率消耗。為了安全，應變片可以結合在關節(jié)中從而當檢測到過載狀況時，使得控制器能監(jiān) 測施加的關節(jié)扭矩以及向后驅動。另一個可替換方案中，齒輪軸承驅動裝置的齒輪比可以 構造成使得驅動裝置不能被反向驅動。因此，當肘關節(jié)例如在靜態(tài)載荷的作用下時，電動機 沒有能量消耗。前臂(旋前-旋后)旋轉通過齒輪軸承驅動裝置306驅動，該裝置還提供連接系 統(tǒng)，該連接系統(tǒng)將肘部連接到前臂。輸入級環(huán)形齒輪安裝和構建(grounded，接地)到肘部， 前臂直接安裝到輸出環(huán)形齒輪。前臂可以由輕型復合材料構造，其提供了所需的強度和剛度。對于腕部彎曲-伸展運動，齒輪軸承驅動裝置308安裝在上前臂中。如圖35A和 B。動力利用非滑移帶驅動裝置316或者傳動軸從這個系統(tǒng)傳遞到腕部。用于腕部的連接器是基于手的要求被詳細設計的，并且也可包括滑動離合器318，從而保護用戶防止過度沖 擊負荷。另一個實施例中，適于用在絞盤(winching)裝置中，齒輪軸承驅動裝置的輸入級 接地，輸出級連接到絞盤鼓。具體的，在帆船絞盤402的情況中(圖36)，輸入級404接地 到船甲板406，輸出級408連接到絞盤鼓410，其共軸安裝。單向離合器或者軸承412可以 實現在輸出級和絞盤鼓之間，從而允許利用用于手動操作的適當機構414來手動操作。齒 輪軸承驅動裝置位于絞盤鼓內；它驅動絞盤的旋轉，并且從線416支撐負載。絞盤可以自收 帆(self-tailing)或者非自收帆。類似的，齒輪軸承驅動裝置可以與其它絞盤集成，例如 車輛絞盤，建筑絞盤等，或者可替換的，可用作扁平類型齒輪電動機，外部或者遠程地驅動 絞盤或者其它機器。齒輪軸承驅動裝置可用在各種其它應用中。例如，在制造中，它可用作致動器和/ 或關節(jié)以驅動機器。在CNC機器中，它可以代替伺服電動機和/或精密定位工作臺。在仿 生學中，它可用作關節(jié)和/或致動器，用于機電人體部件。它可致動各種物體，例如窗戶和 觸覺接口。它可代替標準DC電刷和無刷齒輪電動機。在航空上，齒輪軸承驅動裝置可用于 控制或者致動起落裝置，翼控制表面，艙口等。本發(fā)明不限于上面詳細描述和示出的，除了權利要求所述的。
權利要求
一種齒輪軸承驅動裝置，包括具有輸入級和輸出級的組件，所述組件包括太陽齒輪子組件，包括太陽齒輪，和電動機，具有外部轉子，外部轉子設置在太陽齒輪的內部區(qū)域內，太陽齒輪可隨著外部轉子旋轉；多個小齒輪子組件，設置成與太陽齒輪子組件接合并圍繞其旋轉，每個小齒輪子組件包括與太陽齒輪嚙合的輸入小齒輪以及輸出小齒輪，和輸出環(huán)形齒輪，設置成與每個小齒輪子組件的輸出小齒輪嚙合。
2.如權利要求1所述的齒輪軸承驅動裝置，其特征在于，電動機的外部轉子包括多個 磁體，所述多個磁體間隔開固定在太陽齒輪的內表面周圍。
3.如權利要求1所述的齒輪軸承驅動裝置，其特征在于，還包括編碼器驅動軸，該編碼 器驅動軸安裝到太陽齒輪子組件，用于與其旋轉。
4.如權利要求1所述的齒輪軸承驅動裝置，其特征在于，電動機包括DC電動機。
5.如權利要求1所述的齒輪軸承驅動裝置，其特征在于，還包括小齒輪子組件上的軸 向朝向的配合鎖定表面，以及太陽齒輪子組件設置成在其間傳遞軸向力。
6.如權利要求1所述的齒輪軸承驅動裝置，其特征在于，還包括小齒輪子組件上的軸 向朝向的配合鎖定表面，以及輸出環(huán)形齒輪設置成在其間傳遞軸向力。
7.如權利要求1所述的齒輪軸承驅動裝置，其特征在于，還包括太陽滾子子組件，設 置在組件的輸出級處；以及朝向軸向的配合鎖定表面，位于小齒輪子組件上，并且太陽滾子 子組件設置成在其間傳遞軸向力。
8.如權利要求1所述的齒輪軸承驅動裝置，其特征在于，還包括輸入環(huán)形齒輪，設置 成與每個小齒輪子組件的輸入小齒輪嚙合；以及軸向朝向的配合鎖定表面，位于小齒輪子 組件上，以及輸入環(huán)形齒輪設置成在其間傳遞軸向力。
9.如權利要求1所述的齒輪軸承驅動裝置，其特征在于，還包括位于小齒輪子組件上 的朝向徑向的支承面，以及太陽齒輪子組件設置成滾動支承接觸。
10.如權利要求1所述的齒輪軸承驅動裝置，其特征在于，還包括輸出鎖定環(huán)，設置在 組件的輸出級處，從而將組件鎖定在一起；以及朝向徑向的支承面，位于小齒輪子組件上， 并且輸出鎖定環(huán)設置成滾動支承接觸。
11.如權利要求1所述的齒輪軸承驅動裝置，其特征在于，還包括太陽滾子子組件，設 置在組件的輸出級處；以及朝向徑向的支承面，位于小齒輪子組件上，以及太陽滾子子組件 設置成滾動支承接觸。
12.如權利要求1所述的齒輪軸承驅動裝置，其特征在于，還包括輸入環(huán)形齒輪，設置成與每個小齒輪子組件的輸入小齒輪嚙合；輸入鎖定環(huán)，設置在組件的輸入級處，從而將組件鎖定在一起；和徑向朝向的支承面，位于小齒輪子組件上，并且輸入鎖定環(huán)設置成滾動支承接觸。
13.如權利要求1所述的齒輪軸承驅動裝置，其特征在于，太陽齒輪子組件還包括太陽 齒輪滾子支承面，位于徑向朝外的齒輪軸承驅動裝置的輸入級上，小齒輪子組件還包括小 齒輪滾子表面，徑向朝內，并且緊靠所述徑向向外的太陽齒輪滾子支承面支承接合，從而傳 遞徑向力。
14.如權利要求1所述的齒輪軸承驅動裝置，其特征在于，太陽齒輪子組件還包括鎖定 槽，該槽限定軸向朝向的太陽齒輪鎖定表面，小齒輪子組件都另外包括延伸的滾子，該延伸 的滾子限定配合的軸向鎖定表面，該軸向鎖定表面與所述太陽齒輪鎖定表面接合，從而傳 遞軸向力。
15.如權利要求1所述的齒輪軸承驅動裝置，其特征在于，太陽齒輪子組件還包括太陽 齒輪滾子支承表面，位于齒輪軸承驅動裝置的輸入級上，其徑向朝外，并且太陽齒輪包括多 個太陽齒輪齒，從太陽齒輪徑向地以確定的節(jié)圓半徑延伸，該節(jié)圓半徑等于太陽齒輪滾子 支承面的半徑。
16.如權利要求1所述的齒輪軸承驅動裝置，其特征在于，太陽齒輪包括多個太陽齒輪 齒，從太陽齒輪徑向延伸，太陽齒輪齒的端部從末端到根部被倒角從而從末端去除負荷。
17.如權利要求1所述的齒輪軸承驅動裝置，其特征在于，輸入小齒輪和輸出小齒輪包 括多個徑向延伸的輪齒，輪齒的端部從末端到根部被倒角從而從末端去除負荷。
18.如權利要求1所述的齒輪軸承驅動裝置，其特征在于，還包括太陽滾子子組件，設 置在組件的輸出級處，太陽滾子子組件包括徑向朝外的太陽滾子支承面，小齒輪子組件還 包括小齒輪滾子表面，徑向朝內，并且緊靠所述徑向朝外的太陽滾子支承面支承接合，從而 傳遞徑向力。
19.如權利要求18所述的齒輪軸承驅動裝置，其特征在于，太陽滾子子組件還包括從 太陽齒輪軸向朝向的太陽滾子鎖定表面以及太陽滾子鎖定環(huán)，該太陽滾子鎖定環(huán)包括軸向 朝向所述太陽齒輪的太陽滾子鎖定表面；和小齒輪子組件都另外包括延伸的滾子，該滾子限定配合的軸向鎖定表面，該軸向鎖定 表面與太陽滾子鎖定表面接合，從而傳遞軸向力。
20.如權利要求1所述的齒輪軸承驅動裝置，其特征在于，還包括太陽滾子子組件，設 置在組件的輸出級上，太陽滾子子組件包括太陽滾子鎖定環(huán)，太陽滾子鎖定環(huán)包括軸向朝 向太陽齒輪的太陽滾子鎖定表面，小齒輪子組件都另外包括延伸的滾子，該滾子限定配合 的軸向鎖定表面，該軸向鎖定表面與太陽滾子鎖定表面接合，從而傳遞軸向力。
21.如權利要求1所述的齒輪軸承驅動裝置，其特征在于，每個小齒輪子組件還包括支 撐構件，輸入小齒輪和輸出小齒輪由支撐構件支撐，支撐構件包括位于輸出級處的滾子支 承面，與輸出環(huán)形齒輪上的滾子支承面支承接合。
22.如權利要求21所述的齒輪軸承驅動裝置，其特征在于，還包括太陽滾子子組件，設 置在組件的輸出級處，太陽滾子子組件包括徑向朝外的太陽滾子支承面，小齒輪子組件的 小齒輪滾子支承面還設置成與太陽滾子支承面支承接合。
23.如權利要求1所述的齒輪軸承驅動裝置，其特征在于，還包括輸出鎖定環(huán)，設置成 將小齒輪子組件配合到輸出環(huán)形齒輪。
24.如權利要求1所述的齒輪軸承驅動裝置，其特征在于，還包括輸入環(huán)形齒輪，設置 成與每個小齒輪子組件的輸入小齒輪嚙合。
25.如權利要求24所述的齒輪軸承驅動裝置，其特征在于，還包括輸入鎖定環(huán)，設置成 將小齒輪子組件配合到輸入環(huán)形齒輪。
26.如權利要求24所述的齒輪軸承驅動裝置，其特征在于，還包括輸出鎖定環(huán)和輸入 鎖定環(huán)，它們設置成將小齒輪子組件配合到輸出環(huán)形齒輪和輸入環(huán)形齒輪。
27.一種假臂，結合有權利要求1所述的齒輪軸承驅動裝置，包括肢體，包括前臂和上臂，位于上臂端部處的肩部，位于前臂和上臂之間的肘部，以及位 于前臂端部處的腕部；和齒輪軸承驅動裝置，至少設置在肩部、肘部和腕部中的一個處。
28.如權利要求27所述的假臂，其特征在于，還包括另外的齒輪軸承驅動裝置，至少設 置在肩部、肘部和腕部中的第二個處。
29.如權利要求27所述的假臂，其特征在于，還包括設置在肩部、肘部和腕部中的每一 個處的齒輪軸承驅動裝置，
30.一種機械臂，結合有權利要求1所述的齒輪軸承驅動裝置，包括肢體，具有至少一個關節(jié)，齒輪軸承驅動裝置至少設置在所述一個關節(jié)處。
31.如權利要求30所述的機械臂，其特征在于，還包括第二關節(jié)，第二齒輪軸承驅動裝 置設置在所述第二關節(jié)處。
32.—種絞盤組件，結合有權利要求1所述的齒輪軸承驅動裝置，包括絞盤鼓，齒輪軸承驅動裝置設置在絞盤鼓內，齒輪軸承驅動裝置輸出級連接到絞盤鼓， 齒輪軸承驅動裝置輸入級可接地。
33.如權利要求32所述的絞盤組件，其特征在于，還包括單向離合器，設置在齒輪軸承 驅動裝置輸出級和絞盤鼓之間。
34.一種電動關節(jié)，包括齒輪傳遞裝置，具有輸入級，包括輸入齒輪；和輸出級，包括輸出齒輪和輸出配合接 口，輸出齒輪與所述輸入齒輪嚙合，輸出配合接口構造成向裝置提供扭矩輸出；和電動機，包括外部轉子和內部定子，外部轉子設置在齒輪傳遞裝置的輸入齒輪內部內， 用于驅動輸入齒輪。
35.如權利要求34所述的電動關節(jié)，其特征在于，輸出配合接口構造成與假臂配合。
36.如權利要求34所述的電動關節(jié)，其特征在于，輸出配合接口構造成與機械臂配合。
37.如權利要求36所述的電動關節(jié)，其特征在于，齒輪傳遞裝置還包括太陽齒輪子組件，包括太陽齒輪，和電動機，具有外部轉子，設置在太陽齒輪的內部區(qū)域內，太陽齒輪可隨著外部轉子旋轉；多個小齒輪子組件，設置成與太陽齒輪子組件接合并圍繞其旋轉，每個小齒輪子組件 包括與太陽齒輪嚙合的輸入小齒輪和輸出小齒輪，和輸出環(huán)形齒輪，設置成與每個小齒輪子組件的輸出小齒輪嚙合。
38.如權利要求34所述的電動關節(jié)，其特征在于，電動機的外部轉子包括多個磁體，間 隔開固定在太陽齒輪的內表面周圍。
39.如權利要求34所述的電動關節(jié)，其特征在于，還包括編碼器驅動軸，安裝到太陽齒 輪子組件，用于與其旋轉。
40.如權利要求34所述的電動關節(jié)，其特征在于，電動機包括DC電動機。
41.如權利要求34所述的電動關節(jié)，其特征在于，還包括朝向軸向的配合鎖定表面，位 于小齒輪子組件上，以及太陽齒輪子組件設置成在其間傳遞軸向力。
42.如權利要求34所述的電動關節(jié)，其特征在于，還包括朝向軸向的配合鎖定表面，位 于小齒輪子組件上，以及輸出環(huán)形齒輪設置成在其間傳遞軸向力。
43.如權利要求34所述的電動關節(jié)，其特征在于，還包括太陽滾子子組件，設置在組 件的輸出級處；和軸向朝向的配合鎖定表面，位于小齒輪子組件上，以及太陽滾子子組件設 置成在其間傳遞軸向力。
44.如權利要求34所述的電動關節(jié)，其特征在于，還包括輸入環(huán)形齒輪，設置成與每 個小齒輪子組件的輸入小齒輪嚙合；和軸向朝向的配合鎖定表面，在小齒輪子組件上，以及 輸入環(huán)形齒輪設置成在其間傳遞軸向力。
45.如權利要求34所述的電動關節(jié)，其特征在于，還包括朝向徑向的支承面，位于小齒 輪子組件上，太陽齒輪子組件設置成滾動支承接觸。
46.如權利要求34所述的電動關節(jié)，其特征在于，還包括輸出鎖定環(huán)，設置在組件的 輸出級處，從而將組件鎖定在一起；和徑向朝向的支承面，位于小齒輪子組件上，輸出鎖定 環(huán)設置成滾動支承接觸。
47.如權利要求34所述的電動關節(jié)，其特征在于，還包括太陽滾子子組件，設置在組 件的輸出級處；和徑向朝向的支承面，位于小齒輪子組件上，太陽滾子子組件設置成滾動支 承接觸。
48.如權利要求34所述的電動關節(jié)，其特征在于，還包括輸入環(huán)形齒輪，設置成與每個小齒輪子組件的輸入小齒輪嚙合；輸入鎖定環(huán)，設置在組件的輸入級處以將組件鎖定在一起；和徑向朝向的支承面，在小齒輪子組件上，輸入環(huán)形齒輪設置成滾動支承接觸。
49.如權利要求34所述的電動關節(jié)，其特征在于，太陽齒輪子組件還包括太陽齒輪滾 子支承面，在齒輪軸承驅動裝置的輸入級上，徑向朝外，小齒輪子組件還包括徑向朝內的小 齒輪滾子表面，并且緊靠著所述徑向朝外的太陽齒輪滾子支承面支承接合，從而傳遞徑向 力。
50.如權利要求34所述的電動關節(jié)，其特征在于，齒輪傳遞裝置還包括太陽齒輪多個小齒輪，設置成與太陽齒輪嚙合并繞其旋轉；電動機，具有外部轉子，外部轉子設置在其中一個小齒輪的內部區(qū)域內，小齒輪可隨外 部轉子旋轉；輸出環(huán)形齒輪，設置成與小齒輪嚙合。
51.如權利要求50所述的電動關節(jié)，其特征在于，還包括另外的電動機，該另外的電動 機具有外部轉子，外部轉子設置在另一個小齒輪的內部區(qū)域內，小齒輪可以隨著外部轉子 旋轉。
全文摘要
一種齒輪軸承驅動裝置，提供緊湊的機構，其作為致動器操作，提供扭矩，并且作為關節(jié)操作，提供支撐。驅動裝置包括齒輪裝置，在太陽齒輪內結合了外部轉子DC電動機。鎖定表面保持驅動裝置的部件對齊，并且為軸向負荷和力矩提供支撐。齒輪軸承驅動裝置具有多種應用，包括機械臂和假肢中的關節(jié)。
文檔編號F16H48/06GK101849119SQ200780100463
公開日2010年9月29日 申請日期2007年7月19日 優(yōu)先權日2007年7月19日
發(fā)明者B·溫伯格, C·馬夫羅伊迪斯, J·M.·弗拉尼什 申請人:東北大學;美國宇航局戈達德太空飛行中心