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CN101849119A - 齿轮轴承驱动装置 - Google Patents

齿轮轴承驱动装置 Download PDF

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CN101849119A
CN101849119A CN200780100463A CN200780100463A CN101849119A CN 101849119 A CN101849119 A CN 101849119A CN 200780100463 A CN200780100463 A CN 200780100463A CN 200780100463 A CN200780100463 A CN 200780100463A CN 101849119 A CN101849119 A CN 101849119A
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CN
China
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gear
pinion
subassembly
sun
bearing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN200780100463A
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English (en)
Inventor
B·温伯格
C·马夫罗伊迪斯
J·M.·弗拉尼什
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Northeastern University China
Goddard Space Flight Center
Original Assignee
Northeastern University China
Goddard Space Flight Center
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Northeastern University China, Goddard Space Flight Center filed Critical Northeastern University China
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Abstract

一种齿轮轴承驱动装置，提供紧凑的机构，其作为致动器操作，提供扭矩，并且作为关节操作，提供支撑。驱动装置包括齿轮装置，在太阳齿轮内结合了外部转子DC电动机。锁定表面保持驱动装置的部件对齐，并且为轴向负荷和力矩提供支撑。齿轮轴承驱动装置具有多种应用，包括机械臂和假肢中的关节。

Description

齿轮轴承驱动装置
技术领域
本发明涉及一种齿轮轴承驱动装置，以及它在各种装置中的应用，包括假肢和机械臂。
背景技术
齿轮轴承是一种机械结构，包括齿轮和滚子支承表面，从而机械动力结构和轴承运动控制功能在不需要专用轴承的情况下可以进行。齿轮轴承采取部件和装置形式。齿轮轴承部件可以构造成许多形式，齿轮轴承部件可以作为模块直接彼此连接以形成齿轮轴承装置。齿轮轴承装置始终使用滚动摩擦，从而不需要外部轴承。行星齿轮轴承减速器利用齿轮轴承技术非常容易构造，并且它们在紧凑的封装中提供了良好的减速。“rock lock”(基于力平衡)特性在齿轮轴承行星减速器中是固有的，通过防止接头反向驱动(joint back drive)(当齿轮轴承减速比高于一定值时，在90-120∶1周围)，这些确保了特殊的安全性。齿轮轴承使用齿尖，该齿尖靠着滚子轴承配合，从而轴向锁定系统。除了将系统锁定在一起之外，这个配合可以进行推力轴承功能，给机构增加了额外的功能性。齿轮轴承装置可以制造成以紧凑的封装提供特殊的轴承强度，并具有独特的运动控制特性，这使得它们能够执行有竞争力的边缘功能。
齿轮轴承系统在美国专利No.6,626,792中描述。这个系统使用了行星齿轮装置，通过将接触面设置在每个齿轮的节径处，消除了普通的轴承。系统使用了输入和输出小齿轮之间一个齿的差异。接触表面保持正确啮合，并且允许齿轮组以最小的振动操作。由于部件数量减少以及整体复杂性降低，可靠性也提高。同样利用相同机构实现大范围齿轮比是该齿轮轴承设计的内在特性，例如从1∶1到1∶2000，仅通过改变每个齿轮的齿数。该专利中的齿轮轴承系统包括每个齿轮的单个滚子，其利用轮齿端部来将系统锁定在一起。
其它已知的驱动系统使用行星齿轮系统，具有螺旋行星齿轮和球轴承，并且驱动载体的输出。Harmonic驱动装置，利用波发生器操作，同样是已知的。简要描述可参见美国专利公开No.2006/0073922。
关于假体装置的领域，人体驱动的部件已经用在假体中几个世纪，并且今天仍然广泛应用。这些系统的控制包括总体主体运动的协调，远离切断截肢场所，并且通常包括直接连接到假体的某种类型的身体束缚。虽然这而假体通常重量轻并且成本低，它们具有显著的缺点。身体的束缚通常限制了工作的范围，截肢者必须能够以同步方式协调身体运动从而正确地操作终端装置。更高水平的截肢者通常不能产生充分的运动从而正确的启动假体。实现满意的夹持强度同样很困难，这是由于目前销售的终端装置和夹持模式的机械限制。
自从1970年代后期开始，外部驱动的部件已经使用，并且相对于身体驱动部件提供了一些不同的优点。电子肘可以产生大约15lbs/ft的提升力，电子终端装置可以产生大约22lbs的最大夹持力。虽然相对于许多人体驱动的部件供了改进的性能，但是这些装置仍然对于很多任务不适合。
发明内容
根据本发明的齿轮轴承驱动装置是一种紧凑的机构，能够作为致动器操作，提供扭矩，并作为关节操作，提供支撑。由于外部转子无刷DC电机技术以及齿轮轴承技术，这是可行的。它可以用单个机构代替传统的电机齿轮系组件，节省重量和空间。另外，高度的绝对或者增大的位置精度对于这种设计是固有的，另外给驱动电机增加了编码器。它的紧凑尺寸、高精度和关节性能允许它在航空、空间、制造、运输和其它工业中具有应用。
一种齿轮轴承驱动装置提供一种无轴承的关节(joint)和高功率紧凑致动器，具有大的功率密度。齿轮轴承驱动装置使用行星齿轮装置，其中外部转子电动机集成在输入太阳齿轮子组件中。电动机的线圈接地到输入环形齿轮。齿轮轴承驱动装置使用滚子支承表面以向机构提供轴向和径向支撑。滚子支承表面设计可以使用单个滚动表面，其中其端面配合到轮齿齿尖，或者它可以使用两级滚子轴承，其利用滚子支承表面来分开径向和轴向支撑，用于径向支撑，以及延伸的转子，从而将系统轴向锁定。齿轮轴承驱动装置，包括两级滚子子组件，也可受益于轮齿末端的倒角，从而从齿轮齿尖去除所有负荷。这个特征将大部分轴向负荷移动到齿轮的齿根圆下面，从而极大增加了驱动装置的连接强度。
通过去除外部支撑结构，齿轮轴承驱动装置简化了机器的关节组件。并且通过将所述关节结构、电动机以及齿轮装置结合到单个紧凑机构中，使用齿轮轴承的装置可以实现高功率密度。这使得齿轮轴承驱动装置可用于各种应用中，包括机械臂，假肢，电动绞盘以及仿生学。
附图说明
结合附图，通过下面详细描述，将充分理解本发明，附图中：
图1是根据本发明从输出侧的齿轮轴承驱动装置第一实施例的等角图；
图2是从输入侧的图1齿轮轴承驱动装置的等角图；
图3是图2的齿轮轴承驱动装置的部分剖开图；
图4A是齿轮轴承驱动装置第一实施例的输出侧平面图；
图4B是齿轮轴承驱动装置第一实施例的输入侧平面图；
图5是从输出侧的齿轮轴承驱动装置第一实施例的部分视图，其中锁定环被去除；
图6是从输入侧的齿轮轴承驱动装置第一实施例的部分视图，其中锁定环被去除；
图7是齿轮轴承驱动装置第一实施例的内部部件的等角图；
图8是图7的内部部件的侧视图；
图9是齿轮轴承驱动装置第一实施例的等角剖视图；
图10A是齿轮轴承驱动装置第一实施例的小齿轮子组件的侧视图；
图10B是图10A的小齿轮子组件的剖视图；
图11A是齿轮轴承驱动装置第一实施例的太阳齿轮子组件的等角图；
图11B是图11A的太阳齿轮子组件的端视图；
图11C是图11A的太阳齿轮子组件的另外等角图；
图12是齿轮轴承驱动装置第一实施例的剖视图；
图13是齿轮轴承驱动装置第一实施例的太阳齿轮子组件和小齿轮子组件的平面图；
图14是齿轮轴承驱动装置第一实施例装配中第一步骤的等角图；
图15是齿轮轴承驱动装置第一实施例装配中第二步骤的等角图；
图16是齿轮轴承驱动装置第一实施例装配中第三步骤的等角图；
图17是齿轮轴承驱动装置第一实施例装配中第四步骤的等角图；
图18是齿轮轴承驱动装置第一实施例装配中第五步骤的等角图；
图19是齿轮轴承驱动装置第一实施例装配中第六步骤的等角图；
图20是齿轮轴承驱动装置第一实施例装配中第七步骤的等角图；
图21是齿轮轴承驱动装置第一实施例装配中第八步骤的等角图；
图22是齿轮轴承驱动装置第一实施例装配中第九步骤的等角图；
图23是齿轮轴承驱动装置第一实施例装配中第十步骤的等角图；
图24是齿轮轴承驱动装置第一实施例装配中第十一步骤的等角图；
图25是齿轮轴承驱动装置第一实施例装配中第十二步骤的等角图；
图26是齿轮轴承驱动装置第一实施例装配中第十三步骤的等角图；
图27是齿轮轴承驱动装置第一实施例装配中第十四步骤的等角图；
图27是齿轮轴承驱动装置第一实施例装配中第十四步骤的等角图；
图28A是完全装配的齿轮轴承驱动装置的第一实施例的等角图；
图28B是完全装配的齿轮轴承驱动装置的第一实施例的另外等角图；
图29是齿轮轴承驱动装置的第二实施例的等角图；
图30是齿轮轴承驱动装置第二实施例的剖视图；
图31是齿轮轴承驱动装置第二实施例的部分剖视图；
图32A是结合了根据本发明齿轮轴承驱动装置的机械臂的等角图；
图32B是图32A机械臂的另外等角图；
图32C是图32A的机械臂的另外等角图；
图33A是结合了根据本发明齿轮轴承驱动装置的假肢的等角图；
图33B是图33A的假肢的另外等角图；
图34A是图33A的假肢的肘关节的等角图；
图34B是图34A的肘和前臂驱动装置的另外等角图；
图35A是图33A的假肢的前臂驱动装置的等角图；
图35B是图35B的假肢的前臂驱动装置的另外视图；
图36是结合了根据本发明齿轮轴承驱动装置的绞盘组件的示意图；
图37是根据本发明齿轮轴承驱动装置另外实施例的示意图；
图38是根据本发明齿轮轴承驱动装置另外实施例的示意图。
具体实施方式
图1-13示出了本发明的齿轮轴承(gear bearing)驱动装置10的第一实施例。齿轮轴承驱动装置包括外部转子电动机12，其集成到齿轮轴承组件14中。齿轮轴承组件是无轴承的齿轮系统，其将滚动表面放置在每个齿轮的节径处，从而保持齿轮组的对正并且支撑推力、径向和弯曲载荷。具体的，齿轮系统包括输入侧太阳齿轮子组件16，其被输入侧和输出侧环形齿轮18、20同心围绕。多个相同尺寸的小齿轮子组件22接合(interface)在输入太阳齿轮子组件16和环形齿轮18、20之间。小齿轮子组件围绕着太阳齿轮子组件并绕其旋转，从而将输入级连接到驱动装置的输出级。电动机12集成在输入侧上太阳齿轮子组件内。电动机的线圈24接地到组件的输入侧。
输入和输出锁定环26、28设置在输入和输出侧上，从而将环形齿轮18、20配合到小齿轮子组件22，并且将整个组件14锁定在一起。当装配时，驱动装置是刚性的，具有支撑推力、径向和弯曲载荷的能力，如下面所述。锁定环和环形齿轮根据需要构造从而连接到适当的应用。
太阳齿轮子组件16中心地设置在驱动装置的内部，包括外部转子电动机的磁体32以及它们的安装结构34，输入太阳齿轮36，可选的编码器驱动轴38，太阳齿轮滚子支承(bearing，轴承)面42，以及太阳齿轮锁定表面43、44。太阳齿轮滚子支承面42径向朝外，太阳锁定表面44朝向轴向从而与小齿轮子组件的延伸的滚子46配合。
所示实施例中，太阳齿轮锁定环48共轴设置在太阳齿轮36的位于输入侧的端部上。太阳齿轮锁定环48包括径向朝外的太阳齿轮滚子支承面42，其在小齿轮子组件22的相对应滚子支承面52上滚动而没有滑移。太阳齿轮锁定环48还包括太阳齿轮锁定表面44，其轴向朝着太阳齿轮36。
太阳齿轮齿56从太阳齿轮36在确定的节圆半径径向延伸，其与太阳齿轮滚子支承面42的半径相同。因此，节圆半径处的太阳齿轮齿以及太阳齿轮滚动支承面以相同速度旋转。太阳齿轮齿从末端向根部被倒角(图11B，12)从而从太阳齿轮锁定表面43处的齿轮末端去除负荷。负荷被转移到小齿轮子组件22上的锁定表面58，其配合在轮齿56的根部处和锁定环48的太阳齿轮锁定表面44处。
有利的，不需要轴承来同心设置太阳齿轮，因为太阳齿轮子组件通过小齿轮子组件的锁定表面被径向和轴向地固定。
同样所示实施例中，输出太阳滚子子组件66共轴设置在太阳齿轮位于输出侧的另一端处。输出太阳滚子组件稳定了驱动装置，保持小齿轮子组件正确对齐。输出太阳滚子子组件包括太阳滚子支承面68，其径向朝外，其在小齿轮子组件22的相对应滚子支承面72上滚动而没有滑移。
太阳滚子子组件包括太阳滚子锁定环74和太阳滚子轴承76，环74共轴设置在太阳滚子子组件位于输出侧上的端部处。太阳滚子子组件包括太阳滚子锁定表面78，其轴向朝着太阳齿轮。太阳滚子子组件包括另一个锁定表面78，其轴向朝外。太阳滚子锁定环将太阳滚子子组件锁定到小齿轮子组件。锁定表面与小齿轮子组件的延伸滚子82配合，进一步将齿轮轴承驱动装置的输出侧稳定。
每个小齿轮子组件包括输入级小齿轮84和与输入级小齿轮共轴的输出级小齿轮86。输入级小齿轮的齿与太阳齿轮的齿和输入侧环形齿轮的齿啮合。输出小齿轮的齿与输出侧环形齿轮的齿啮合。在输入级小齿轮的齿数和输出级小齿轮齿数之间具有单个齿的差异。三个小齿轮子组件被示出，但是如果需要的话可使用四个或多个，从而将负荷分布在行星齿轮小齿轮间隔方程(spacing equation)的极限内。
输入级小齿轮和输出级小齿轮共轴安装在小齿轮支撑构件或者支柱(backbone)88上，其为小齿轮子组件提供了主要支撑。小齿轮滚子罩(roller cap)102在支柱的一端处轴向安装在螺纹杆108上，并且将小齿轮子组件锁定在一起。小齿轮子组件可以以另一种方式装配，如本领域技术人员可以确定的。
在输入侧，支柱包括位于一端上的滚子支撑面27，其径向朝外。滚动支承面在太阳滚子支承面42和输入环形齿轮滚子支承面92上滚动而没有滑移。这固定了太阳齿轮子组件的径向位置。锁定表面58，位于靠近滚子支承面的延伸滚子46上，轴向向内和向外。它们与太阳齿轮子组件和输入环形齿轮的锁定槽配合，将齿轮轴承驱动装置机构的输入侧锁定到小齿轮子组件。轮齿端部的末端被倒角，从而将负荷转移到齿轮的齿根圆的下面。这增大了关节的力处理能力，降低了齿轮末端加速磨损的可能性。
在输出侧，支柱包括径向朝向的小齿轮滚子支承面72。滚子支承面在太阳滚子支承面68上滚动而没有滑移，还固定了太阳滚子子组件的径向位置。锁定表面104，位于靠近滚子支承面的延伸滚子106上，轴向朝内和朝外。它们与太阳滚子子组件和输出环形齿轮的锁定槽配合，将齿轮轴承驱动装置机构的输出侧锁定到小齿轮子组件，并且轴向设置所述太阳滚子组件。轮齿端的末端被倒角从而将负荷转移到齿轮齿根圆的下面。这增强了关节的力处理能力，并且降低了齿轮末端的加速磨损的可能性。
输入侧环形齿轮18包括这样的齿，其与输入小齿轮84的齿啮合。锁定槽通过输入环形齿轮的齿的端面和输入侧锁定环26的轴向向内表面形成。这个槽限定了锁定表面118(图9)，该表面与小齿轮子组件的输入侧的锁定表面58配合。与小齿轮子组件齿轮齿和太阳齿轮齿一样，输入侧环形齿轮末端被倒角。
输出侧环形齿轮20包括齿，其与输出侧小齿轮86的齿啮合。锁定槽由输出环形齿轮的齿的端面以及输出侧锁定环28的轴向向内表面形成。这个槽限定了锁定表面120(图9)，其与小齿轮子组件的输出侧的锁定表面104配合。与小齿轮子组件齿轮齿和太阳齿轮齿一样，输出侧环形齿轮末端被倒角。
输出和输入侧锁定环将环形齿轮配合到小齿轮子组件，将组件锁定在一起。锁定环包括滚子支承面122、124，它们在小齿轮滚子罩和小齿轮支柱的滚子支承面上滚动而没有滑移。
电动机是紧凑的外部转子DC电动机。这个电动机中，线圈固定到端承口(end bell)(接地定子)，磁体设置在转子上。这个转子设计比普通的DC电动机设计具有较高的扭矩输出，较大的散热能力，以及低的部件数量。
参考图11A-C，示出了将电动机集成到太阳齿轮中的一个实施例。翼片132例如通过机加工形成到太阳齿轮的内表面中。磁体32例如利用胶附接在翼片之间。外部转子共轴布置在太阳齿轮内的腔内。定子固定在转子内。小的锥形孔134可以包括在一些翼片中从而有助于将太阳齿轮锁定环48保持就位。
还可包括编码器轴38，用于如果对于应用需要的话连接到太阳齿轮。连接到该轴的编码器使得它的分辨率乘以与齿轮轴承装置相同的比率，使得装置良好适用于精度控制。例如，12位(每次旋转4096声(click))编码器，连接到电动机，其中齿轮减速比为300∶1，产生了小于0.0003度的可能的旋转精度。
图14-28A和B示出了装置的装配。装置优选借助于装配夹具(jig)140来装配，其设置小齿轮。图15中，螺纹杆108插入到夹具中的套环142中的安装孔144中。螺纹杆将小齿轮设置在正确的位置并将它们正确定向。如图16，小齿轮支柱88在螺纹杆上方滑动。接下来，输出级小齿轮86在支柱上滑动就位(图17)。
输出侧太阳滚子锁定环74在夹具的中间中保持就位，与夹具中的开口对齐(图18)。输出太阳滚子76然后被螺栓连接到输出太阳滚子锁定环(图19)。输入侧小齿轮84然后在小齿轮组件支柱上滑动(图20)。输出侧环形齿轮20在小齿轮上滑动就位(图21)。接下来，太阳齿轮36滑动就位，组件夹具被去除(图22)。
然后，输入侧环形齿轮18滑动就位(图23)。小齿轮滚子罩102利用螺纹杆被螺合(图24)。具有表面42的太阳齿轮滚子滑动就位并被向下螺合(图25)。输出锁定环28利用对齐销152安装到输出环形齿轮，从而确保齿轮轴承滚子表面被正确对齐(图26)。电动机线圈结构安装到输入侧锁定环26，然后输入侧锁定环安装到输入侧环形齿轮18(图27)。图28A和B示出了完全装配的齿轮轴承驱动装置的两个视图。
其它结构的齿轮轴承驱动装置也是可行的。例如如图29-31，齿轮轴承驱动装置可仅利用齿轮端齿尖和平坦齿轮轴承滚子提供，从而将机构锁定在一起。这种结构中，滚子环是一个直径，具有径向表面，用作齿轮轴承滚子，并具有内部轴向面，作为锁定表面。输入和输出锁定环被省略。齿轮轴承驱动装置的减速比通过已知的等式确定(例如见美国专利No.6,626,792)。外部转子电动机集成在太阳齿轮内，如上所述。随着齿轮减速比增大，反向可驱动性(backdrivability)降低，直到发生“Rock lock”的点。这个点之后，机构不能反向驱动。
齿轮轴承驱动装置150的另一个实施例中，外部转子电动机152结合在一个或多个小齿轮154中，而不是在太阳齿轮156中。见图37。这个组件因此是单级齿轮减速器，具有集成的电动机。另外的电动机增加了功率密度而没有增大组件的尺寸。被动的(passive)中心设置的太阳齿轮56和被动小齿轮158可以仅是滚子/锁定环，或者它们也可包括齿轮。环形齿轮可以直接驱动机器，或者可以包括另外的特征从而允许它在齿条和小齿轮组件中用作小齿轮部件。电动机定子(多个)根据应用需要而接地。
另外的实施例中，齿轮轴承驱动装置160是齿轮轴承传动装置，共轴地集成在内部转子无刷DC电动机162中。见图38。磁体164安装到齿轮轴承环形齿轮166的外部。电动机线圈168，位于定子169内，连同小齿轮170的位置被接地。小齿轮利用标准球轴承旋转就位。环形齿轮被驱动，动力通过小齿轮传递到太阳齿轮172。太阳齿轮具有输出轴174。环形齿轮，小齿轮，和太阳齿轮都包括滚子支承面。这些滚子支承面保持太阳和环形齿轮相对于线圈的同心。小齿轮支撑内部结构。齿轮轴承驱动装置的这种结构相对于被驱动的环形齿轮使得输出轴的转速成倍。磁体/线圈的大半径给电动机以高扭矩能力。输出轴具有支撑负荷、连同扭矩的能力，负荷包括推力和径向负荷。
这个外部驱动齿轮轴承驱动装置的另外实施例使用两级系统，其中行星齿轮具有单齿差异，输出侧环形齿轮和太阳滚子。输出侧环形齿轮是致动器的输出。它与上述太阳齿轮驱动实施例具有相同的齿轮轴承部件，除了输入侧环形齿轮现在以与图38的实施例类似的方式被内部转子电动机和外部线圈驱动。这个情况中，小齿轮自由循环，并且太阳齿轮锁定就位(接地)。它可以结合与上述相同类型的锁定槽系统。这个驱动装置可以支撑推力和径向负荷，连同输出侧环形齿轮上的力矩。
齿轮轴承驱动装置可以实现为关节，能够支撑力矩、推力和径向载荷，同时以高水平扭矩驱动关节。例如，齿轮轴承驱动装置适于作为机械臂或者假肢中的关节。
结合了齿轮轴承驱动装置的机械臂200的一个实施例在图32中示出。所示的机械臂具有六自由度，在轻型紧凑封装中具有高强度和特别高的精度。臂是模块化的，结合了一系列关节模块和终端执行模块。这个模块化允许在终端执行器处以任何尺寸和任意数目的所需的自由度来快速设计这些臂和原型机制造。
每个关节(所示实施例中肩膀202，肘部204，腕部206)利用它自己的齿轮轴承驱动装置被驱动，其将致动器、关节负荷支撑装置、以及位置检测结合到一空间中，该空间体积上小于目前类似能力的任何机械臂。齿轮轴承驱动装置的全面功能有助于机械臂的模块化设计结构，使得臂更加可重构并且高度适于各种任务。机器人每个自由度使用一个齿轮轴承驱动装置。所示实施例中，肩膀和肘部关节使用相同齿轮轴承驱动装置，腕部关节使用较小的齿轮轴承驱动装置。
每个齿轮轴承驱动装置关节组件包括它自己的控制器和编码器。齿轮轴承驱动装置构造成具有同步的编码器和关节位置，从而它们可以安装或者替换，不需重新参照机械臂的零位。当插入到预先分度的关节安装件中时，使用者仅需将臂类型编码输入到主控制器中并且系统将会使用。机械臂的结构可以改变，通过简单地从机械臂替换、增加或者去除部件。
根据对于将执行的任务所需要的，机械臂的负荷能力可以通过臂的尺寸和强度来确定。一个实施例中，所示机械臂的大致重量大约15lbs，具有铝制的臂。
齿轮轴承驱动装置在图33A-35B中示为在3-4自由度假肢300中。臂包括齿轮轴承驱动装置，位于肘部302处，用于弯曲和伸展。在前臂壳体304内，靠近肘部，齿轮轴承驱动装置306被设置用于前臂旋转，也就是旋前和旋后。同样在前臂壳体内，齿轮轴承驱动装置308被设置用于腕部弯曲和伸展。可选的肩部旋转驱动装置310可以设置。用于上部的容座(socket)312和用于手的连接系统314同样设置。
关节能够具有120度/秒的转速。一个实施例中，对于所示的部件，不包括容座，臂的估计的质量/重量大约1.2kg/2.75lbs。肘关节处的齿轮轴承驱动装置具有2.3”的外径和2.5”的长度。这个紧凑的尺寸允许关节完全容纳在常规肘部占用的空间内。
臂中使用的外部转子电动机共用相同的形状因数，具有55-210W的功率容量，从而系统可以对于具体应用被优化，例如重型提升或者超低功率消耗。
为了安全，应变片可以结合在关节中从而当检测到过载状况时，使得控制器能监测施加的关节扭矩以及向后驱动。另一个可替换方案中，齿轮轴承驱动装置的齿轮比可以构造成使得驱动装置不能被反向驱动。因此，当肘关节例如在静态载荷的作用下时，电动机没有能量消耗。
前臂(旋前-旋后)旋转通过齿轮轴承驱动装置306驱动，该装置还提供连接系统，该连接系统将肘部连接到前臂。输入级环形齿轮安装和构建(grounded，接地)到肘部，前臂直接安装到输出环形齿轮。前臂可以由轻型复合材料构造，其提供了所需的强度和刚度。
对于腕部弯曲-伸展运动，齿轮轴承驱动装置308安装在上前臂中。如图35A和B。动力利用非滑移带驱动装置316或者传动轴从这个系统传递到腕部。用于腕部的连接器是基于手的要求被详细设计的，并且也可包括滑动离合器318，从而保护用户防止过度冲击负荷。
另一个实施例中，适于用在绞盘(winching)装置中，齿轮轴承驱动装置的输入级接地，输出级连接到绞盘鼓。具体的，在帆船绞盘402的情况中(图36)，输入级404接地到船甲板406，输出级408连接到绞盘鼓410，其共轴安装。单向离合器或者轴承412可以实现在输出级和绞盘鼓之间，从而允许利用用于手动操作的适当机构414来手动操作。齿轮轴承驱动装置位于绞盘鼓内；它驱动绞盘的旋转，并且从线416支撑负载。绞盘可以自收帆(self-tailing)或者非自收帆。类似的，齿轮轴承驱动装置可以与其它绞盘集成，例如车辆绞盘，建筑绞盘等，或者可替换的，可用作扁平类型齿轮电动机，外部或者远程地驱动绞盘或者其它机器。
齿轮轴承驱动装置可用在各种其它应用中。例如，在制造中，它可用作致动器和/或关节以驱动机器。在CNC机器中，它可以代替伺服电动机和/或精密定位工作台。在仿生学中，它可用作关节和/或致动器，用于机电人体部件。它可致动各种物体，例如窗户和触觉接口。它可代替标准DC电刷和无刷齿轮电动机。在航空上，齿轮轴承驱动装置可用于控制或者致动起落装置，翼控制表面，舱口等。
本发明不限于上面详细描述和示出的，除了权利要求所述的。

Claims (51)

1.一种齿轮轴承驱动装置，包括具有输入级和输出级的组件，所述组件包括：
太阳齿轮子组件，包括：
太阳齿轮，和
电动机，具有外部转子，外部转子设置在太阳齿轮的内部区域内，太阳齿轮可随着外部转子旋转；
多个小齿轮子组件，设置成与太阳齿轮子组件接合并围绕其旋转，每个小齿轮子组件包括与太阳齿轮啮合的输入小齿轮以及输出小齿轮，和
输出环形齿轮，设置成与每个小齿轮子组件的输出小齿轮啮合。
2.如权利要求1所述的齿轮轴承驱动装置，其特征在于，电动机的外部转子包括多个磁体，所述多个磁体间隔开固定在太阳齿轮的内表面周围。
3.如权利要求1所述的齿轮轴承驱动装置，其特征在于，还包括编码器驱动轴，该编码器驱动轴安装到太阳齿轮子组件，用于与其旋转。
4.如权利要求1所述的齿轮轴承驱动装置，其特征在于，电动机包括DC电动机。
5.如权利要求1所述的齿轮轴承驱动装置，其特征在于，还包括小齿轮子组件上的轴向朝向的配合锁定表面，以及太阳齿轮子组件设置成在其间传递轴向力。
6.如权利要求1所述的齿轮轴承驱动装置，其特征在于，还包括小齿轮子组件上的轴向朝向的配合锁定表面，以及输出环形齿轮设置成在其间传递轴向力。
7.如权利要求1所述的齿轮轴承驱动装置，其特征在于，还包括：太阳滚子子组件，设置在组件的输出级处；以及朝向轴向的配合锁定表面，位于小齿轮子组件上，并且太阳滚子子组件设置成在其间传递轴向力。
8.如权利要求1所述的齿轮轴承驱动装置，其特征在于，还包括：输入环形齿轮，设置成与每个小齿轮子组件的输入小齿轮啮合；以及轴向朝向的配合锁定表面，位于小齿轮子组件上，以及输入环形齿轮设置成在其间传递轴向力。
9.如权利要求1所述的齿轮轴承驱动装置，其特征在于，还包括位于小齿轮子组件上的朝向径向的支承面，以及太阳齿轮子组件设置成滚动支承接触。
10.如权利要求1所述的齿轮轴承驱动装置，其特征在于，还包括：输出锁定环，设置在组件的输出级处，从而将组件锁定在一起；以及朝向径向的支承面，位于小齿轮子组件上，并且输出锁定环设置成滚动支承接触。
11.如权利要求1所述的齿轮轴承驱动装置，其特征在于，还包括：太阳滚子子组件，设置在组件的输出级处；以及朝向径向的支承面，位于小齿轮子组件上，以及太阳滚子子组件设置成滚动支承接触。
12.如权利要求1所述的齿轮轴承驱动装置，其特征在于，还包括：
输入环形齿轮，设置成与每个小齿轮子组件的输入小齿轮啮合；
输入锁定环，设置在组件的输入级处，从而将组件锁定在一起；和
径向朝向的支承面，位于小齿轮子组件上，并且输入锁定环设置成滚动支承接触。
13.如权利要求1所述的齿轮轴承驱动装置，其特征在于，太阳齿轮子组件还包括太阳齿轮滚子支承面，位于径向朝外的齿轮轴承驱动装置的输入级上，小齿轮子组件还包括小齿轮滚子表面，径向朝内，并且紧靠所述径向向外的太阳齿轮滚子支承面支承接合，从而传递径向力。
14.如权利要求1所述的齿轮轴承驱动装置，其特征在于，太阳齿轮子组件还包括锁定槽，该槽限定轴向朝向的太阳齿轮锁定表面，小齿轮子组件都另外包括延伸的滚子，该延伸的滚子限定配合的轴向锁定表面，该轴向锁定表面与所述太阳齿轮锁定表面接合，从而传递轴向力。
15.如权利要求1所述的齿轮轴承驱动装置，其特征在于，太阳齿轮子组件还包括太阳齿轮滚子支承表面，位于齿轮轴承驱动装置的输入级上，其径向朝外，并且太阳齿轮包括多个太阳齿轮齿，从太阳齿轮径向地以确定的节圆半径延伸，该节圆半径等于太阳齿轮滚子支承面的半径。
16.如权利要求1所述的齿轮轴承驱动装置，其特征在于，太阳齿轮包括多个太阳齿轮齿，从太阳齿轮径向延伸，太阳齿轮齿的端部从末端到根部被倒角从而从末端去除负荷。
17.如权利要求1所述的齿轮轴承驱动装置，其特征在于，输入小齿轮和输出小齿轮包括多个径向延伸的轮齿，轮齿的端部从末端到根部被倒角从而从末端去除负荷。
18.如权利要求1所述的齿轮轴承驱动装置，其特征在于，还包括太阳滚子子组件，设置在组件的输出级处，太阳滚子子组件包括径向朝外的太阳滚子支承面，小齿轮子组件还包括小齿轮滚子表面，径向朝内，并且紧靠所述径向朝外的太阳滚子支承面支承接合，从而传递径向力。
19.如权利要求18所述的齿轮轴承驱动装置，其特征在于，太阳滚子子组件还包括从太阳齿轮轴向朝向的太阳滚子锁定表面以及太阳滚子锁定环，该太阳滚子锁定环包括轴向朝向所述太阳齿轮的太阳滚子锁定表面；和
小齿轮子组件都另外包括延伸的滚子，该滚子限定配合的轴向锁定表面，该轴向锁定表面与太阳滚子锁定表面接合，从而传递轴向力。
20.如权利要求1所述的齿轮轴承驱动装置，其特征在于，还包括太阳滚子子组件，设置在组件的输出级上，太阳滚子子组件包括太阳滚子锁定环，太阳滚子锁定环包括轴向朝向太阳齿轮的太阳滚子锁定表面，小齿轮子组件都另外包括延伸的滚子，该滚子限定配合的轴向锁定表面，该轴向锁定表面与太阳滚子锁定表面接合，从而传递轴向力。
21.如权利要求1所述的齿轮轴承驱动装置，其特征在于，每个小齿轮子组件还包括支撑构件，输入小齿轮和输出小齿轮由支撑构件支撑，支撑构件包括位于输出级处的滚子支承面，与输出环形齿轮上的滚子支承面支承接合。
22.如权利要求21所述的齿轮轴承驱动装置，其特征在于，还包括太阳滚子子组件，设置在组件的输出级处，太阳滚子子组件包括径向朝外的太阳滚子支承面，小齿轮子组件的小齿轮滚子支承面还设置成与太阳滚子支承面支承接合。
23.如权利要求1所述的齿轮轴承驱动装置，其特征在于，还包括输出锁定环，设置成将小齿轮子组件配合到输出环形齿轮。
24.如权利要求1所述的齿轮轴承驱动装置，其特征在于，还包括输入环形齿轮，设置成与每个小齿轮子组件的输入小齿轮啮合。
25.如权利要求24所述的齿轮轴承驱动装置，其特征在于，还包括输入锁定环，设置成将小齿轮子组件配合到输入环形齿轮。
26.如权利要求24所述的齿轮轴承驱动装置，其特征在于，还包括输出锁定环和输入锁定环，它们设置成将小齿轮子组件配合到输出环形齿轮和输入环形齿轮。
27.一种假臂，结合有权利要求1所述的齿轮轴承驱动装置，包括：
肢体，包括前臂和上臂，位于上臂端部处的肩部，位于前臂和上臂之间的肘部，以及位于前臂端部处的腕部；和
齿轮轴承驱动装置，至少设置在肩部、肘部和腕部中的一个处。
28.如权利要求27所述的假臂，其特征在于，还包括另外的齿轮轴承驱动装置，至少设置在肩部、肘部和腕部中的第二个处。
29.如权利要求27所述的假臂，其特征在于，还包括设置在肩部、肘部和腕部中的每一个处的齿轮轴承驱动装置，
30.一种机械臂，结合有权利要求1所述的齿轮轴承驱动装置，包括：
肢体，具有至少一个关节，齿轮轴承驱动装置至少设置在所述一个关节处。
31.如权利要求30所述的机械臂，其特征在于，还包括第二关节，第二齿轮轴承驱动装置设置在所述第二关节处。
32.一种绞盘组件，结合有权利要求1所述的齿轮轴承驱动装置，包括：
绞盘鼓，齿轮轴承驱动装置设置在绞盘鼓内，齿轮轴承驱动装置输出级连接到绞盘鼓，齿轮轴承驱动装置输入级可接地。
33.如权利要求32所述的绞盘组件，其特征在于，还包括单向离合器，设置在齿轮轴承驱动装置输出级和绞盘鼓之间。
34.一种电动关节，包括：
齿轮传递装置，具有：输入级，包括输入齿轮；和输出级，包括输出齿轮和输出配合接口，输出齿轮与所述输入齿轮啮合，输出配合接口构造成向装置提供扭矩输出；和
电动机，包括外部转子和内部定子，外部转子设置在齿轮传递装置的输入齿轮内部内，用于驱动输入齿轮。
35.如权利要求34所述的电动关节，其特征在于，输出配合接口构造成与假臂配合。
36.如权利要求34所述的电动关节，其特征在于，输出配合接口构造成与机械臂配合。
37.如权利要求36所述的电动关节，其特征在于，齿轮传递装置还包括：
太阳齿轮子组件，包括：
太阳齿轮，和
电动机，具有外部转子，设置在太阳齿轮的内部区域内，太阳齿轮可随着外部转子旋转；
多个小齿轮子组件，设置成与太阳齿轮子组件接合并围绕其旋转，每个小齿轮子组件包括与太阳齿轮啮合的输入小齿轮和输出小齿轮，和
输出环形齿轮，设置成与每个小齿轮子组件的输出小齿轮啮合。
38.如权利要求34所述的电动关节，其特征在于，电动机的外部转子包括多个磁体，间隔开固定在太阳齿轮的内表面周围。
39.如权利要求34所述的电动关节，其特征在于，还包括编码器驱动轴，安装到太阳齿轮子组件，用于与其旋转。
40.如权利要求34所述的电动关节，其特征在于，电动机包括DC电动机。
41.如权利要求34所述的电动关节，其特征在于，还包括朝向轴向的配合锁定表面，位于小齿轮子组件上，以及太阳齿轮子组件设置成在其间传递轴向力。
42.如权利要求34所述的电动关节，其特征在于，还包括朝向轴向的配合锁定表面，位于小齿轮子组件上，以及输出环形齿轮设置成在其间传递轴向力。
43.如权利要求34所述的电动关节，其特征在于，还包括：太阳滚子子组件，设置在组件的输出级处；和轴向朝向的配合锁定表面，位于小齿轮子组件上，以及太阳滚子子组件设置成在其间传递轴向力。
44.如权利要求34所述的电动关节，其特征在于，还包括：输入环形齿轮，设置成与每个小齿轮子组件的输入小齿轮啮合；和轴向朝向的配合锁定表面，在小齿轮子组件上，以及输入环形齿轮设置成在其间传递轴向力。
45.如权利要求34所述的电动关节，其特征在于，还包括朝向径向的支承面，位于小齿轮子组件上，太阳齿轮子组件设置成滚动支承接触。
46.如权利要求34所述的电动关节，其特征在于，还包括：输出锁定环，设置在组件的输出级处，从而将组件锁定在一起；和径向朝向的支承面，位于小齿轮子组件上，输出锁定环设置成滚动支承接触。
47.如权利要求34所述的电动关节，其特征在于，还包括：太阳滚子子组件，设置在组件的输出级处；和径向朝向的支承面，位于小齿轮子组件上，太阳滚子子组件设置成滚动支承接触。
48.如权利要求34所述的电动关节，其特征在于，还包括：
输入环形齿轮，设置成与每个小齿轮子组件的输入小齿轮啮合；
输入锁定环，设置在组件的输入级处以将组件锁定在一起；和
径向朝向的支承面，在小齿轮子组件上，输入环形齿轮设置成滚动支承接触。
49.如权利要求34所述的电动关节，其特征在于，太阳齿轮子组件还包括太阳齿轮滚子支承面，在齿轮轴承驱动装置的输入级上，径向朝外，小齿轮子组件还包括径向朝内的小齿轮滚子表面，并且紧靠着所述径向朝外的太阳齿轮滚子支承面支承接合，从而传递径向力。
50.如权利要求34所述的电动关节，其特征在于，齿轮传递装置还包括：
太阳齿轮
多个小齿轮，设置成与太阳齿轮啮合并绕其旋转；
电动机，具有外部转子，外部转子设置在其中一个小齿轮的内部区域内，小齿轮可随外部转子旋转；
输出环形齿轮，设置成与小齿轮啮合。
51.如权利要求50所述的电动关节，其特征在于，还包括另外的电动机，该另外的电动机具有外部转子，外部转子设置在另一个小齿轮的内部区域内，小齿轮可以随着外部转子旋转。
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