本發明涉及行星齒輪傳動領域，特別是涉及一種傳動比能夠周期性變化的少齒差行星齒輪傳動裝置。
背景技術：
少齒差行星傳動裝置廣泛應用于機器人關節等精密傳動領域，是機器人的核心關鍵零部件，是影響機器人整機性能的重要因素。目前機器人關節減速機的主要形式有日本的rv傳動、諧波傳動、捷克的twinspin傳動和美國的dojen傳動等。在對機器人進行運動軌跡規劃時，需要對關節的輸出速度進行控制，且往往要求輸出速度具有周期性變化特點。由于上述傳動裝置的傳動比在運轉過程中不能變化，目前主要通過對驅動裝置的控制來實現，造成系統結構復雜、體積較大且成本較高。
技術實現要素：
鑒于以上所述現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種傳動比周期性變化的少齒差行星齒輪傳動裝置，傳動結構簡化，傳動精度易于保證，并且能夠實現傳動比的周期性變化。
為實現上述目的及其他相關目的，本發明技術方案如下：
一種傳動比周期性變化的少齒差行星齒輪傳動裝置，包括中心軸、內齒輪、左行星輪、右行星輪、左端盤和右端盤，所述左行星輪、右行星輪偏心地套設在中心軸上，并分別與內齒輪嚙合，所述左端盤和右端盤可轉動安裝在中心軸上，所述左行星輪與左端盤之間以及右行星輪與右端盤之間設置有用于約束左行星輪和右行星輪運動軌跡的約束機構。
采用上述結構，設置在左行星輪與左端盤之間以及右行星輪與右端盤之間的約束機構，約束了左行星輪、右行星輪相對于中心軸的可擺動自由度，從而約束了左行星輪和右行星輪的運動，實現了傳動比的改變；相對于傳統的少齒差行星齒輪傳動裝置本發明能夠通過傳動裝置約束機構的設計改變傳動比，并且傳動比可以實現周期性變化，從而在應用過程中，減少對輸入速度的控制，而可以實現恒定轉速的輸入，周期性變化的轉速輸出。此外，本發明相對于傳統的少齒差行星齒輪易于裝配，傳動效率高，傳動精度高；傳動比變化形式和范圍易于通過約束機構實現，設計靈活；零部件少，結構簡單緊湊，便于加工裝配。
進一步，所述約束機構包括柱銷和導向槽；所述柱銷伸入導向槽內并能在外力作用下沿導向槽的輪廓曲線移動，所述柱銷和導向槽中，其中一個設置在左行星輪和右行星輪上，另一個設置在左端盤和右端盤上。
即導向槽設置在左端盤和右端盤上，柱銷設置在左行星輪和右行星輪上。或者導向槽設置在左行星輪和右行星輪上，柱銷設置在左端盤和右端盤上。導向槽與柱銷組成可相對運動的連接關系，結構簡單，易于裝配；導向槽與柱銷的加工精度容易保證，有利于提高裝置的傳動精度。其中，導向槽是沿周向設置的一圈，柱銷沿著導向槽的輪廓曲線移動，從而使左行星輪和右行星輪相對于中心軸產生一定的擺動，實現傳動比的改變。并且可以根據不同的傳動比要求，設計相應的導向槽輪廓走向，傳動比變化形式和范圍易于實現，設計靈活。
進一步，所述左行星輪與右行星輪相位相差180°；所述柱銷固定安裝在左行星輪的左端面和右行星輪的右端面上，所述導向槽開設在左端盤的右端面和右端盤的左端面上。
進一步，所述左行星輪和右行星輪上開設有銷孔，所述柱銷與銷孔過盈配合。
進一步，所述柱銷上可轉動地套設有柱銷套，所述柱銷套伸入導向槽內與導向槽配合。在柱銷沿于導向槽移動過程中，通過柱銷套將柱銷與導向槽槽壁的滑動摩擦改變為滾動摩擦，有利于減少摩擦損失，提高傳動效率。
進一步，所述中心軸、內齒輪、左端盤、右端盤三類部件中，固定其中一類部件，另一類作為輸入部件，剩余一類作為輸出部件。
具體地，當左端盤、右端盤固定時，中心軸和內齒輪其中一個為輸入，另一個為輸出。當中心軸固定時，內齒輪為輸入，左端盤、右端盤為輸出；或左端盤、右端盤為輸入，內齒輪為輸出。當內齒輪固定時，中心軸為輸入，左端盤、右端盤為輸出；或左端盤、右端盤為輸入，中心軸為輸出。
進一步，所述左行星輪、右行星輪通過雙偏心轉臂軸承或雙偏心套與軸承安裝在中心軸上；所述左端盤和右端盤分別通過第一軸承安裝在中心軸上，并與內齒輪之間通過第二軸承連接。
進一步，所述左行星輪和右行星輪之間設置有隔環，以避免相互干涉。
本發明還提供一種傳動比周期性變化的少齒差行星齒輪傳動裝置，包括中心軸、內齒輪、行星輪、左端盤和右端盤，所述左端盤和右端盤可轉動安裝在中心軸上，所述行星輪位于左端盤和右端盤之間，該行星輪偏心地套設在中心軸上，并與內齒輪嚙合，所述行星輪與左端盤和/或右端盤之間設置有用于約束行星輪運動軌跡的約束機構。
具體地，行星輪與左端盤和右端盤之間分別設置有約束機構，或者只與其中之一設置有約束機構。約束機構可采用柱銷和導向槽的配合方式，柱銷和導向槽中，其中一個設置在行星輪上，另一個設置在左端盤和/或右端盤上。其結構和原理與上述相同。
下面以左端盤和右端盤固定，中心軸作輸入，內齒輪作輸出的情況對其原理進行說明。中心軸通過雙偏心軸承驅動左行星輪和右行星輪轉動，由于安裝在左行星輪和右行星輪上的柱銷及柱銷套分別放置在左端盤和右端盤的導向槽內，柱銷及柱銷套沿著導向槽齒廓滾動，從而使左行星輪和右行星輪相對于輸入軸產生一定的擺動。
設z1和z2分別為行星輪(左行星輪和右行星輪相同)和內齒輪的齒數，m為齒輪的模數，rf為柱銷半徑，rb為導向槽基圓半徑，lr為行星輪上柱銷孔中心與行星輪中心之間的距離，c為行星輪和內齒輪之間的中心距，則有
根據幾何關系，有如下關系成立
rb+rf-c<lr<rb+rf+c(4)
由傳動原理可知，輸出轉速由兩部分組成，一部分中心軸的轉速，另一部分為行星輪相對于中心軸產生的擺動速度，其中擺動速度的形式和大小與端盤上導向槽的輪廓曲線有關。由于導向槽的輪廓曲線為中心軸轉角的函數，則行星輪相對于中心軸產生的擺動角度也可以看作中心軸轉角的函數。
設θ1和θ2分別為輸入軸和輸出軸的轉角，η(θ1)為行星輪相對于輸入軸產生的擺動轉角，ω1和ω2分別為輸入軸和輸出軸的轉速，ωη為行星輪相對于輸入軸產生的擺動轉速，t為時間，i為傳動比，則有
轉角之間的關系為
傳動裝置輸出轉速的計算式為：
傳動裝置傳動比的計算式為：
其中，ω1為傳動裝置輸入中心軸的轉速；ω2為傳動裝置輸出內齒輪的轉速；i為傳動比；θ1為輸入中心軸的轉角；η(θ1)為行星輪相對于輸入中心軸產生的擺動轉角；ωη為行星輪相對于輸入中心軸產生的擺動轉速；t為時間；z1為行星輪的齒數；z2為內齒輪的齒數。通過改變導向槽的輪廓曲線形狀，即改變行星輪相對于輸入中心軸的擺動轉角η(θ1)，就可以改變傳動比的變化形式和范圍。
本發明中不同部件固定、輸入和輸出的情況，其原理相同，在此不再贅述。
如上所述，本發明的有益效果是：
1該傳動裝置的傳動比可周期性變化，當輸入轉速固定時，輸出速度范圍更加廣泛。
2、該傳動裝置實現輸出轉速變化的約束機構由端盤上的導向槽和行星輪上的柱銷組成，結構簡單易于裝配。
3、該傳動裝置的約束機構中導向槽與柱銷組成滾動摩擦副，有利于減少摩擦，提高傳動效率。
4、該傳動裝置約束機構中導向槽與柱銷的加工精度容易保證，從而有利于提高裝置的傳動精度。
5、該傳動裝置只需對導向槽輪廓曲線進行設計，就可以得到輸出速度不同的變化形式和輸出范圍，設計靈活。
6、該傳動裝置零部件少，結構簡單緊湊，便于加工裝配。
附圖說明
圖1為本發明實施例1的剖視圖；
圖2為本發明實施例1的a-a視圖；
圖3為本發明實施例1的b-b視圖；
圖4為本發明實施例1的爆炸視圖；
圖5為本發明實施例1端盤上導向槽的輪廓曲線圖；
圖6為本發明實施例1一個周期內的輸出轉速的變化曲線圖；
圖7為本發明實施例1一個周期內傳動比的變化示意圖。
圖8為本發明實施2的剖視圖。
零件標號說明
1-左端盤；2-密封件；3-內齒輪；4-左行星輪；5-隔環；6-右行星輪；7-大端面軸承；
8-右端盤；9-雙偏心軸承；10-小端面軸承；11-中心軸；12-墊片；13-柱銷套；14-柱銷；
15-導向槽；行星輪16。
具體實施方式
以下由特定的具體實施例說明本發明的實施方式，熟悉此技術的人士可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點及功效。
實施例1
如圖1至圖4所示，本發明提供一種傳動比周期性變化的少齒差行星傳動裝置，包括中心軸11、左行星輪4、右行星輪6、內齒輪3、左端盤1、右端盤8、大端面軸承7、小端面軸承10，左行星輪4和右行星輪6通過雙偏心軸承9安裝在中心軸11上，左行星輪4和右行星輪6的外齒分別與內齒輪3嚙合，其他實施方式中內齒輪3也可以為由針齒和殼體組成等。左端盤1和右端盤8位于左行星輪4和右行星輪6的外側；左端盤1和右端盤8分別通過一個小端面軸承10同軸地安裝在中心軸11上，左端盤1和內齒輪3的左端以及右端盤8與內齒輪3右端分別設置有大端面軸承7；其中左端盤1與內齒輪3之間還設置有密封件2；關鍵在于：在左行星輪4與左端盤1之間以及右行星輪6與右端盤8之間設置有約束機構，分別用于約束左行星輪4和右行星輪6運動軌跡的。
由于左行星輪4、右行星輪6與中心軸11存在可相對擺動的自由度，因而在這種狀態下左行星輪4、右行星輪6的運動軌跡是不確定的；本發明在左行星輪4與左端盤1之間以及右行星輪6與右端盤8之間設置約束機構，一方面限定了左行星輪4、右行星輪6的運動軌跡，另一方面通過約束機構所限定的運動軌跡，可實現傳動比的改變；相對于傳統的少齒差行星齒輪傳動裝置，本發明能夠通過傳動裝置約束機構的設計改變傳動比，并且傳動比呈周期性變化，從而在應用過程中，減少對輸入速度的控制，而可以實現恒定轉速的輸入，周期性變化的轉速輸出。此外，本發明相對于傳統的少齒差行星齒輪易于裝配，傳動效率高，傳動精度高；傳動比變化形式和范圍易于通過約束機構實現，設計靈活；零部件少，結構簡單緊湊，便于加工裝配。左行星輪4和右行星輪6與內齒輪3的齒廓無特殊要求，可為常見的漸開線和擺線等。
本例中，約束機構包括柱銷14和導向槽15；其中柱銷14伸入導向槽15內并能在外力作用下沿導向槽15的輪廓曲線移動；在一個實施方式中，導向槽15設置在左端盤1和右端盤8上，柱銷14設置在左行星輪4和右行星輪6上；在一個實施方式中導向槽15設置在左行星輪4和右行星輪6上，柱銷14設置在左端盤1和右端盤上；導向槽15與柱銷14組成可相對運動的配合關系，結構簡單，易于裝配；導向槽15與柱銷14的加工精度容易保證，有利于提高裝置的傳動精度。其中，導向槽15是沿周向設置的一圈環槽，柱銷14沿著導向槽15的輪廓曲線移動，從而使左行星輪4和右行星輪6相對于中心軸11產生一定的擺動，實現傳動比的改變；隨著導向槽15輪廓曲線的變化，傳動比相應地改變，進而在輸入轉速恒定的情況下，改變了輸出轉速。
作為優選，柱銷14固定安裝在左行星輪4的左端面和右行星輪6的右端面上，導向槽15開設在左端盤1的右端面和右端盤8的左端面上。為了便于加工和裝配，并保證安裝精度；在左行星輪4和右行星輪6的端面上加工有銷孔，柱銷14通過與銷孔過盈配合的方式安裝在左行星輪4和右行星輪6上。
傳統的少齒差行星傳動機構，其設置的多根銷軸是作為輸出機構使用；本發明通過導向槽15和柱銷14約束了行星輪的運動軌跡。傳統的少齒差行星傳動機構，其設置的多根銷軸，穿過分布在左行星輪和右行星輪上的柱銷孔，與偏心的轉臂軸承構成平行四邊形機構，將行星輪的減速運動按1:1輸出到左端盤和右端盤，主要作為輸出機構使用；本發明中由導向槽15和柱銷14組成的機構，除起到輸出機構的作用以外，更重要的作用是作約束機構使用，通過柱銷14與導向槽15的接觸約束了行星輪的運動軌跡，從而改變機構的傳動比，通過設計不同的導向槽15的齒廓形式，即可得到不同的傳動比變化形式。
在一個優選的實施方式中，柱銷14上可轉動地安裝有柱銷套13，柱銷套13伸入導向槽15內與導向槽15配合。在柱銷14沿于導向槽15移動過程中，通過柱銷套13將柱銷14與導向槽15槽壁的滑動摩擦改變為滾動摩擦，有利于減少摩擦損失，提高傳動效率。
為避免干涉，隔環5設置在左行星輪4和右行星輪6之間，將兩者隔離開。左行星輪4與右行星輪6相位相差180°。
本傳動裝置，中心軸11、內齒輪3、端盤(左端盤1、右端盤8)三類部件中，固定其中一類部件，另一類作為輸入部件，剩余一類作為輸出部件。具體地，當左端盤1、右端盤8固定時，中心軸11為輸入，內齒輪3為輸出；或者內齒輪3為輸入，中心軸11為輸出。當中心軸11固定時，內齒輪3為輸入，左端盤1、右端盤8為輸出；或左端盤1、右端盤8為輸入，內齒輪3為輸出。當內齒輪3固定時，中心軸11為輸入，左端盤1、右端盤8為輸出；或左端盤1、右端盤8為輸入，中心軸11為輸出。
本例中以左端盤1和右端盤8固定、中心軸11作輸入、內齒輪3作輸出進行說明，左行星輪4、右行星輪6和內齒輪3的齒廓曲線漸開線內嚙合，導向槽15輪廓曲線隨輸入軸(中心軸11)轉角的運動規律為擺線運動規律。
實施例的設計參數為：
z1＝29，z2＝30，m＝3，lr＝66.5，rf＝6.5，rb＝60，
導向槽15輪廓曲線隨輸入軸轉角的擺線運動規律如下。
推程時(0≤θ1≤β)，
回程時(β≤θ1≤2β)，
式中，h為推程行程，β為推程的回轉轉角。本實施例中取h＝10π，β＝π，則
推程時(0≤θ1≤π)，
η(θ1)＝10θ1-5sin(2θ1)
回程時(π≤θ1≤2π)，
η(θ1)＝20π-10θ1+5sin[2(θ1-π)]
則推程時的輸出角速度為
則推程時的傳動比為
則回程時的輸出角速度為
則回程時的傳動比為
當給定輸入速度，根據上述公式即可計算出輸出角速度和傳動比隨轉角的變化。圖6和圖7為輸入轉速為1500rpm時，輸出角速度和傳動比隨轉角的變化曲線圖。
圖6為本發明實施例的輸出速度，圖7為本發明實施例的傳動比。由圖6和圖7，當輸入軸以1500rpm勻速旋轉時，輸出軸的轉速將在1315rpm～1684rpm之間有規律的周期性變化，相應的傳動比將在1.14～0.89之間有規律的周期性變化，表明該裝置的傳動比可以在單個周期(行星輪沿內齒輪3運動一圈為一個周期)內連續變化，并且呈周期性循環，輸出速度的范圍更加廣泛。如要得到傳動比和輸出速度不同的變化形式和范圍，只需對左端盤1和右端盤8上的導向槽15輪廓曲線進行設計，設計靈活易于加工。本發明中由導向槽15與柱銷14組成的可動連接，結構簡單，易于裝配；可動連接為滾動摩擦副，有利于減少摩擦損失，提高傳動效率；導向槽15與柱銷14的加工精度容易保證，有利于提高裝置的傳動精度。本發明零部件少，結構簡單，便于加工裝配。
實施例2
如圖8所示，本例與實施例1的不同之處在于，本例中行星輪為一個，行星輪16位于左端盤1和右端盤8之間，行星輪16與左端盤1或右端盤8之間設置所述約束機構，約束機構仍采用實施例1中柱銷14和導向槽15的配合結構，并設置減少摩擦的柱銷套13。其傳動原理與實施例1相同。
在另一個實施方式中，也可以在左端盤1和右端盤8與行星輪16之間分別設置約束機構，即，左端盤1和右端盤8上分別設置導向槽15，行星輪16左右端分別安裝柱銷14，以保證行星輪運動的穩定性。
在一個實施方式中，柱銷14和導向槽15的位置可互換。
本發明傳動比可以周期性變化；零部件少、結構簡單、易于裝配、傳動效率高和傳動精度易于保證。可應用于機器人關節，如步態行走控制等，在對傳動比有變化要求的動力傳動和精密傳動等場合也有非常大的應用空間。
任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。