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专利名称：一种配备行星谐波减速器的新型核磁兼容气动马达

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202211237897.0

专利申请（专利权）人：中山大学
权利人地址：广东省广州市海珠区新港西路135号

专利发明（设计）人：李孟棠,叶泳茵,张晶,王习羽,袁洁婷,吴曦韵

专利摘要：本发明公开了一种配备行星谐波减速器的新型核磁兼容气动马达，包括依次连接的气动机、行星减速机构、谐波减速机构、固定架和输出轴；气动机上安装有光电编码器，光电编码器用于检测气动机的转速；行星减速机构包括相互啮合传动的内齿轮盘和行星齿轮单元；内齿轮盘与气动机连接固定，气动机的输出端与行星齿轮单元传动连接；谐波减速机构包括轮框和内齿柔轮，内齿柔轮转动连接于轮框之内；行星齿轮单元安装于内齿柔轮之内，行星齿轮单元与内齿柔轮啮合传动连接；输出轴转动连接于固定架之内，输出轴与内齿柔轮传动连接；通过巧妙的设计使得行星减速机构和谐波减速机构两种常用的减速机构合理配合，实现气动马达结构较小而减速比大的效果。

主权利要求：
1.一种配备行星谐波减速器的新型核磁兼容气动马达，其特征在于，包括依次连接的气动机、行星减速机构、谐波减速机构、固定架和输出轴；
所述气动机上安装有光电编码器，所述光电编码器用于检测所述气动机的转速；
所述行星减速机构包括相互啮合传动的内齿轮盘和行星齿轮单元；
所述内齿轮盘与所述气动机连接固定，所述气动机的输出端与所述行星齿轮单元传动连接；
所述谐波减速机构包括轮框和内齿柔轮，所述内齿柔轮转动连接于所述轮框之内；
所述行星齿轮单元安装于所述内齿柔轮之内，所述行星齿轮单元与所述内齿柔轮啮合传动连接；
所述输出轴转动连接于所述固定架之内，所述输出轴与所述内齿柔轮传动连接；
所述气动机包括气室板、涡轮和盖板；
所述气室板上设有气腔凹槽和多个动力气孔，所述动力气孔与所述气腔凹槽连通，所述动力气孔分布于所述气室板的外周壁；
所述涡轮安装于所述气腔凹槽内，所述盖板与所述气室板连接，所述盖板用于封堵所述气腔凹槽；
所述涡轮的轴尾、以及所述输出端分别伸出所述气室板和所述盖板外；
所述光电编码器包括射线件和感应件；
在所述气室板上设有两个固定耳，所述固定耳设于所述轴尾伸出的一侧；以所述轴尾为中心，两所述固定耳对称布置；
所述射线件和所述感应件分别安装于两所述固定耳上；
所述轴尾上设有穿透所述轴尾周壁的检测槽；
所述检测槽用于供所述射线件的射线穿过到达所述感应件；
所述行星齿轮单元包括太阳轮、轮架和多个行星轮；
所述太阳轮的轮轴与所述输出端传动连接；
所述轮架安装于所述内齿轮盘之内；
多个所述行星轮转动安装于所述轮架上，所述太阳轮包围于多个所述行星轮之内，所述太阳轮与多个所述行星轮啮合传动连接；
多个所述行星轮与所述内齿轮盘的内齿啮合传动连接；
所述内齿柔轮的内齿与外圈之间设有多个异形槽；
所述异形槽包括在圆周上由内至外依次排列的第一弧段和第二弧段，所述第一弧段邻近所述内齿柔轮的内齿布置；
所述第一弧段与所述第二弧段错位布置，且所述第一弧段与所述第二弧段首尾相接；
多个所述异形槽交替层叠布置；
多个所述行星轮与所述内齿柔轮的内齿啮合传动连接。
2.根据权利要求1所述的新型核磁兼容气动马达，其特征在于，所述气室板在与所述盖板连接的面上设有多个第一定位块；所述盖板在与所述气室板连接的面上设有多个第一定位槽；所述第一定位块插入所述第一定位槽内；
所述盖板在与所述内齿轮盘连接的面上设有多个第二定位块；所述内齿轮盘在与所述盖板连接的面上设有多个第二定位槽；所述第二定位块插入所述第二定位槽内；
所述内齿轮盘在与所述轮框连接的面上设有多个第三定位块；所述轮框在与所述内齿轮盘连接的面上均设有多个第三定位槽；所述第三定位块插入所述第三定位槽内。
3.根据权利要求2所述的新型核磁兼容气动马达，其特征在于，所述固定架包括固定板和底盘，所述固定板与所述底盘垂直连接固定；
所述固定板上设有输出通孔，所述输出轴与所述输出通孔转动连接；
所述气室板、所述盖板、所述内齿轮盘、所述轮框、以及所述固定板依次连接。
4.根据权利要求3所述的新型核磁兼容气动马达，其特征在于，所述输出轴还连接有转动盘，所述转动盘与所述输出轴同心连接固定；
所述转动盘转动安装于所述输出通孔内；
所述内齿柔轮上设有多个传动柱，所述转动盘上设有多个传动孔，所述传动柱插入所述传动孔内。
5.根据权利要求4所述的新型核磁兼容气动马达，其特征在于，所述轮架包括环形板和多个转动杆，多个所述转动杆绕所述环形板的圆周布置，且所述转动杆与所述环形板连接固定；
所述行星轮转动安装于所述转动杆上；
所述太阳轮穿过所述环形板的内圆与多个所述行星轮啮合传动连接；
所述环形板上还设有多个连接杆，多个所述连接杆与多个所述转动杆交替布置；
所述轮架上还安装有齿轮盖，所述齿轮盖与多个所述连接杆以可拆卸的方式连接固定。
6.根据权利要求5所述的新型核磁兼容气动马达，其特征在于，所述内齿轮盘上设有轮盘通孔，所述轮盘通孔内依次设有孔肩和轮盘内齿；
所述孔肩设于邻近所述气动机的一侧，所述轮盘内齿与所述行星轮啮合传动连接。 说明书 : 一种配备行星谐波减速器的新型核磁兼容气动马达技术领域[0001] 本发明涉及气动马达技术领域，特别涉及一种配备行星谐波减速器的新型核磁兼容气动马达。背景技术[0002] 气动马达的工作原理为：将压缩气体的压力能转换为旋转的机械能，一般作为更复杂装置或机器的旋转动力源。[0003] 目前气动马达按结构分类主要为：叶片式气动马达、活塞式气动马达、紧凑叶片式气动马达和紧凑活塞式气动马达。[0004] 减速器是一种由封闭在刚性壳体内的齿轮传动、蜗杆传动或齿轮?蜗杆传动等所组成的独立部件，常用作原动件与工作机之间的减速传动装置；在原动机和工作机或执行机构之间起匹配转速和传递转矩的作用，在现代机械中应用极为广泛。[0005] 将气动马达与相应的减速器整合设计就得到减速式气动马达，而现有减速式气动马达存在轴向体积大、模块化程度低等问题。[0006] 核磁兼容气动马达主要在核磁环境下使用；已有的可以在核磁环境下使用叶片式气动马达采用了多级行星齿轮减速并提高输出力矩，其轴向体积大，模块化程度低，尚有进一步改进空间。[0007] 为此急需一种能够解决现有的减速式气动马达轴向体积大的技术方案。发明内容[0008] 本发明的目的在于提供一种配备行星谐波减速器的新型核磁兼容气动马达，以解决现有的减速式气动马达轴向体积大的问题。[0009] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种配备行星谐波减速器的新型核磁兼容气动马达，包括依次连接的气动机、行星减速机构、谐波减速机构、固定架和输出轴；所述气动机上安装有光电编码器，所述光电编码器用于检测所述气动机的转速；所述行星减速机构包括相互啮合传动的内齿轮盘和行星齿轮单元；所述内齿轮盘与所述气动机连接固定，所述气动机的输出端与所述行星齿轮单元传动连接；所述谐波减速机构包括轮框和内齿柔轮，所述内齿柔轮转动连接于所述轮框之内；所述行星齿轮单元安装于所述内齿柔轮之内，所述行星齿轮单元与所述内齿柔轮啮合传动连接；所述输出轴转动连接于所述固定架之内，所述输出轴与所述内齿柔轮传动连接。[0010] 在其中一个实施例中，所述气动机包括气室板、涡轮和盖板；所述气室板上设有气腔凹槽和多个动力气孔，所述动力气孔与所述气腔凹槽连通，所述动力气孔分布于所述气室板的外周壁；所述涡轮安装于所述气腔凹槽内，所述盖板与所述气室板连接，所述盖板用于封堵所述气腔凹槽；所述涡轮的轴尾、以及所述输出端分别伸出所述气室板和所述盖板外。[0011] 在其中一个实施例中，所述光电编码器包括射线件和感应件；在所述气室板上设有两个固定耳，所述固定耳设于所述轴尾伸出的一侧；以所述轴尾为中心，两所述固定耳对称布置；所述射线件和所述感应件分别安装于两所述固定耳上；所述轴尾上设有穿透所述轴尾周壁的检测槽；所述检测槽用于供所述射线件的射线穿过到达所述感应件。[0012] 在其中一个实施例中，所述气室板在与所述盖板连接的面上设有多个第一定位块；所述盖板在与所述气室板连接的面上设有多个第一定位槽；所述第一定位块插入所述第一定位槽内；所述盖板在与所述内齿轮盘连接的面上设有多个第二定位块；所述内齿轮盘在与所述盖板连接的面上设有多个第二定位槽；所述第二定位块插入所述第二定位槽内；所述内齿轮盘在与所述轮框连接的面上设有多个第三定位块；所述轮框在与所述内齿轮盘连接的面上均设有多个第三定位槽；所述第三定位块插入所述第三定位槽内。[0013] 在其中一个实施例中，所述固定架包括固定板和底盘，所述固定板与所述底盘垂直连接固定；所述固定板上设有输出通孔，所述输出轴与所述输出通孔转动连接；所述气室板、所述盖板、所述内齿轮盘、所述轮框、以及所述固定板依次连接。[0014] 在其中一个实施例中，所述输出轴还连接有转动盘，所述转动盘与所述输出轴同心连接固定；所述转动盘转动安装于所述输出通孔内；所述内齿柔轮上设有多个传动柱，所述转动盘上设有多个传动孔，所述传动柱插入所述传动孔内。[0015] 在其中一个实施例中，所述行星齿轮单元包括太阳轮、轮架和多个行星轮；所述太阳轮的轮轴与所述输出端传动连接；所述轮架安装于所述内齿轮盘之内；多个所述行星轮转动安装于所述轮架上，所述太阳轮包围于多个所述行星轮之内，所述太阳轮与多个所述行星轮啮合传动连接；多个所述行星轮与所述内齿轮盘的内齿啮合传动连接。[0016] 在其中一个实施例中，所述轮架包括环形板和多个转动杆，多个所述转动杆绕所述环形板的圆周布置，且所述转动杆与所述环形板连接固定；所述行星轮转动安装于所述转动杆上；所述太阳轮穿过所述环形板的内圆与多个所述行星轮啮合传动连接；所述环形板上还设有多个连接杆，多个所述连接杆与多个所述转动杆交替布置；所述轮架上还安装有齿轮盖，所述齿轮盖与多个所述连接杆以可拆卸的方式连接固定。[0017] 在其中一个实施例中，所述内齿轮盘上设有轮盘通孔，所述轮盘通孔内依次设有孔肩和轮盘内齿；所述孔肩设于邻近所述气动机的一侧，所述轮盘内齿与所述行星轮啮合传动连接。[0018] 在其中一个实施例中，所述内齿柔轮的内齿与外圈之间设有多个异形槽；所述异形槽包括在圆周上由内至外依次排列的第一弧段和第二弧段，所述第一弧段邻近所述内齿柔轮的内齿布置；所述第一弧段与所述第二弧段错位布置，且所述第一弧段与所述第二弧段首尾相接；多个所述异形槽交替层叠布置；多个所述行星轮与所述内齿柔轮的内齿啮合传动连接。[0019] 本发明的有益效果如下：[0020] 1、通过将所述气动机、所述行星减速机构和所述谐波减速机构串联，实现气动机的一次减速和二次减速，且因所述行星减速机构和所述谐波减速机构的结构使其减速比均较大，所以将所述行星减速机构和所述谐波减速机构串联组合，便实现了减速比大和输出扭矩大的效果。[0021] 2、所述涡轮的转动直接传递至所述行星减速机构和所述谐波减速机构，实现了较少的机械能损耗，提高传动效率。[0022] 3、通过第一定位块、第二定位块和第三定位块，第一定位槽、第二定位槽和第三定位槽的连接，简化气动马达的连接结构，使气动马达的外形体积有所较少；通过集成所述行星减速机构和所述谐波减速机构，在实现大减速比的同时，进一步缩小气动马达的体积；涡轮轴直接与太阳轮连接，使得其传动不需要联轴器，从而更进一步地减少零部件，较少气动马达的轴向长度，缩小气动马达的体积。附图说明[0023] 为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。[0024] 图1是本发明的整体结构示意图；[0025] 图2是本发明的爆炸图；[0026] 图3是本发明的剖面图；[0027] 图4是本发明的整体轴测图；[0028] 图5是本发明的内齿柔轮的结构示意图；[0029] 图6是本发明的输出轴的透视结构示意图。[0030] 附图标记如下：[0031] 1、气动机；11、气室板；111、气腔凹槽；112、动力气孔；113、第一定位块；12、涡轮；121、轴尾；122、检测槽；123、输出端；13、盖板；131、第一定位槽；132、第二定位块；14、固定耳；15、光电编码器；151、射线件；152、感应件；[0032] 2、行星减速机构；[0033] 3、内齿轮盘；31、第二定位槽；32、第三定位块；33、轮盘通孔；331、孔肩；332、轮盘内齿；[0034] 4、行星齿轮单元；41、太阳轮；42、轮架；421、环形板；422、转动杆；423、连接杆；43、行星轮；44、齿轮盖；[0035] 5、谐波减速机构；[0036] 6、轮框；61、第三定位槽；[0037] 7、内齿柔轮；71、传动柱；72、异形槽；721、第一弧段；722、第二弧段；[0038] 8、固定架；81、固定板；811、输出通孔；82、底盘；[0039] 9、输出轴；91、转动盘；92、传动孔。具体实施方式[0040] 下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。[0041] 新型核磁兼容气动马达的一个实施例如图1至图6所示，包括依次连接的气动机1、行星减速机构2、谐波减速机构5、固定架8和输出轴9；气动机1上安装有光电编码器15，光电编码器15用于检测气动机1的转速；行星减速机构2包括相互啮合传动的内齿轮盘3和行星齿轮单元4；内齿轮盘3与气动机1连接固定，气动机1的输出端123与行星齿轮单元4传动连接；谐波减速机构5包括轮框6和内齿柔轮7，内齿柔轮7转动连接于轮框6之内；行星齿轮单元4安装于内齿柔轮7之内，行星齿轮单元4与内齿柔轮7啮合传动连接；输出轴9转动连接于固定架8之内，输出轴9与内齿柔轮7传动连接。[0042] 有关上述气动机1的具体构造，此实施例如图2至图4所示，气动机1包括气室板11、涡轮12和盖板13；气室板11上设有气腔凹槽111和多个动力气孔112，动力气孔112与气腔凹槽111连通，动力气孔112分布于气室板11的外周壁；涡轮12安装于气腔凹槽111内，盖板13与气室板11连接，盖板13用于封堵气腔凹槽111；涡轮12的轴尾121、以及输出端123分别伸出气室板11和盖板13外。所以此实施例应用的气动机1为叶片式气动机1，能够通过动力气孔112与气管相连然后与气源相接，将气动力通过涡轮12直接转换为机械转动，涡轮12的输出端123直接将机械转动传递给行星齿轮单元4，即下文中直接与涡轮12的输出端123相连的太阳轮41。[0043] 特别的，如图2和图3所示，涡轮12扇叶两侧的轴上安装有滚珠轴承，为了进一步降低摩擦阻力，减少摩擦损耗，滚珠轴承由树脂材料组成。[0044] 进一步的，此实施例如图2和图3所示，行星齿轮单元4包括太阳轮41、轮架42和多个行星轮43；太阳轮41的轮轴与输出端123传动连接；轮架42安装于内齿轮盘3之内；多个行星轮43转动安装于轮架42上，太阳轮41包围于多个行星轮43之内，太阳轮41与多个行星轮43啮合传动连接；多个行星轮43与内齿轮盘3的内齿啮合传动连接。[0045] 具体的，涡轮12的输出端123如图2和图3所示为半轴，太阳轮41内设置有与半轴对应的轴孔，涡轮12的输出端123与太阳轮41的传动连接通过销孔连接实现。[0046] 其中，轮架42的具体结构如图2所示，轮架42包括环形板421和多个转动杆422，多个转动杆422绕环形板421的圆周布置，且转动杆422与环形板421连接固定；行星轮43转动安装于转动杆422上；太阳轮41穿过环形板421的内圆与多个行星轮43啮合传动连接；环形板421上还设有多个连接杆423，多个连接杆423与多个转动杆422交替布置；轮架42上还安装有齿轮盖44，齿轮盖44与多个连接杆423以可拆卸的方式连接固定。[0047] 有关上述内齿轮盘3的具体结构，此实施例如图2和图3所示，内齿轮盘3上设有轮盘通孔33，轮盘通孔33内依次设有孔肩331和轮盘内齿332；孔肩331设于邻近气动机1的一侧，轮盘内齿332与行星轮43啮合传动连接。上述轮架42如图2和图3所示，环形板421的一侧面设有环形凸块，此环形凸块可与轮盘通孔33上的孔肩331直接转动连接，或通过轴承进行转动连接，以此提升行星齿轮单元4与涡轮12的同轴度，减少高速转动带来的振动，同时也提高行星齿轮单元4的径向支撑力，提高行星齿轮单元4整体转动的稳定性。[0048] 特别的，有关上述的孔肩331，如图2和图3所示，即为轮盘通孔33邻近盖板13一侧加了圆环使孔径缩小。[0049] 有关上述内齿柔轮7的具体结构，此实施例如图2和图5所示，内齿柔轮7的内齿与外圈之间设有多个异形槽72；异形槽72包括在圆周上由内至外依次排列的第一弧段721和第二弧段722，第一弧段721邻近内齿柔轮7的内齿布置；第一弧段721与第二弧段722错位布置，且第一弧段721与第二弧段722首尾相接；多个异形槽72交替层叠布置；多个行星轮43与内齿柔轮7的内齿啮合传动连接。特别的，内齿柔轮7由TPU(热塑性聚氨酯弹性体橡胶，ThermoplasticUrethane)材料构成，使内齿柔轮7具备良好的柔性特点。[0050] 通过上述行星齿轮单元4依次与内齿轮盘3和内齿柔轮7啮合，可知，涡轮12将动力传递至行星齿轮单元4，行星齿轮单元4与内齿轮盘3啮合完成第一次减速增扭，然后行星齿轮单元4与内齿柔轮7啮合完成第二次减速增扭；涡轮12的动力通过两次减速增扭，再通过输出轴9输出动力，就达到增大扭矩的作用，与现有技术相比该气动马达的优势为减速比大，输出扭矩高。[0051] 为了提高气动马达的控制精度，此实施例如图4所示，光电编码器15包括射线件151和感应件152；在气室板11上设有两个固定耳14，固定耳14设于轴尾121伸出的一侧；以轴尾121为中心，两固定耳14对称布置；射线件151和感应件152分别安装于两固定耳14上；轴尾121上设有穿透轴尾121周壁的检测槽122；检测槽122用于供射线件151的射线穿过到达感应件152。上述光电编码器15的组成即为对射型编码器。[0052] 其工作原理是，在轴尾121的检测槽122转动到合适位置时，从射线件151射出的光线能够被感应件152接收，相邻两次接收光的时间差记为半个周期，从而测量通入的动力气体使涡轮12产生的转速大小。[0053] 为了实现气动马达的体积小型化，此实施例如图2所示，气室板11在与盖板13连接的面上设有多个第一定位块113；盖板13在与气室板11连接的面上设有多个第一定位槽131；第一定位块113插入第一定位槽131内；盖板13在与内齿轮盘3连接的面上设有多个第二定位块132；内齿轮盘3在与盖板13连接的面上设有多个第二定位槽31；第二定位块132插入第二定位槽31内；内齿轮盘3在与轮框6连接的面上设有多个第三定位块32；轮框6在与内齿轮盘3连接的面上均设有多个第三定位槽61；第三定位块32插入第三定位槽61内。气室板11、盖板13、内齿轮盘3、以及轮框6，通过相对于的定位块和定位槽，进行装配的精确限位，减少螺钉的使用，从而达到从气动马达的外形上缩小其体积的目的。[0054] 有关上述固定架8的具体结构，此实施例如图2所示，固定架8包括固定板81和底盘82，固定板81与底盘82垂直连接固定；固定板81上设有输出通孔811，输出轴9与输出通孔811转动连接；气室板11、盖板13、内齿轮盘3、轮框6、以及固定板81依次连接。[0055] 具体的，有关气室板11、盖板13、内齿轮盘3、轮框6、以及固定板81之间的连接方式，盖板13、内齿轮盘3、轮框6、以及固定板81上均设有多个连接通孔，气室板11上设有多个连接孔，如图1和图2所示；连接通孔和连接孔螺栓连接固定。[0056] 有关上述输出轴9的具体传动结构，此实施例如图2和图6所示，输出轴9还连接有转动盘91，转动盘91与输出轴9同心连接固定；转动盘91转动安装于输出通孔811内；内齿柔轮7上设有多个传动柱71，转动盘91上设有多个传动孔92，传动柱71插入传动孔92内。通过输出轴9转动盘91上的传动孔92和内齿柔轮7上的传动柱71，实现销孔传动连接，拆卸方便便于维护，且多个传动柱71和多个传动孔92的设计，能够使受力更均衡，提高输出轴9的输出力矩稳定性。[0057] 此外，除了上述的内齿柔轮7和滚珠轴承外，气动马达的气体部件所用材料均是PLA(聚乳酸，polylacticacid)材料，采用3D打印可实现快速制造，降低工艺复杂性，提高生产效率；即气动马达的所有部件均采用非金属高分子材料且为核磁兼容材料，使气动马达在MRI(核磁共振，Nuclearmagneticresonance)手术中近距离使用，外接来自外界较远距离传输的气体作为动力，适用于手术机器人动力部件的减速输出，其大减速比便于手术机器人控制输出扭矩。[0058] 设计原理：行星减速机构2，太阳轮41有a个齿，行星轮43有b个齿，内齿盘轮有c个齿，具体选取12齿的太阳轮41，18齿的行星轮43，48齿的内齿盘轮。根据行星减速器原理计算，得到行星减速机构2的减速比为1+c/a，因此行星减速机构2部分的减速比为1+48/12＝5。[0059] 行星轮43与内齿柔轮7共有d个接触点，具体选取3个接触点。内齿柔轮7齿数为e，内齿柔轮7齿数具体选取48。根据谐波减速器的减速原理计算，内齿柔轮7齿数实际上为e?d，具体为48?3＝45；谐波减速机构5的减速比为e?d/(e?d?c)，具体为45/(45?48)＝?15。[0060] 行星减速机构2和谐波减速机构5两个机构串联，总的减速比为(1+c/a)*[(e?d)/(e?d?c)]，具体为5*(?15)＝?75，也就是涡轮12的速度是内齿柔轮7的?75倍，负数指的是他们转向相反。[0061] 综上所述，本气动马达的局域体积小、结构紧凑、制造快速、减速比大、输出扭矩大、制造成本低、以及适用于MRI手术的特点，巧妙集合了行星减速器和谐波减速器两种常用的减速器装置，实现减速比的增大，此组合并非显而易见。[0062] 以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

专利地区：广东

专利申请日期：2022-10-11

专利公开日期：2024-11-29

专利公告号：CN115929418B