[发明专利]轻质高承载减速器及其齿轮的仿骨构造生成方法

说明书

本发明提供一种轻质高承载减速器及其齿轮的仿骨构造生成方法。所述减速器齿轮包括：外轮廓层和被所述外轮廓层包覆的网状多孔基层，所述外轮廓层包括安装面层、齿面层和连接面层，所述连接面层连接在所述安装面层和齿面层之间并与所述安装面层和齿面层一起构成完整齿轮外轮廓；所述安装面层、齿面层和连接面层为密实构造；所述网状多孔基层位于所述外轮廓层形成的腔体内，所述网状多孔基层内具有呈多孔网架结构的纤维小梁。本发明实施例的减速器齿轮克服了减速器不能同时满足机器人要求的轻质、高承载耐冲击、高精度高效率传动三方面要求的难题，在传动关键元器件，尤其是减速器方面为机器人实现超动态运动提供了更大的优势。

技术领域

本发明涉及仿生机器人领域，尤其涉及一种轻质高承载减速器及其齿轮的仿骨构造生成方法。

背景技术

目前国内外，机器人(特别是仿生机器人)用减速器需要同时满足轻质、高承载耐冲击、高精度高效率传动三方面使用需求。现有技术中主要包含3类不同结构原理的减速器：谐波类减速器虽具有轻质优点，但耐冲击和高效传动等方面严重不足；摆线类减速器(如RV减速器)虽耐冲击、传动精度高，但其自重同比过重；行星齿轮类减速器高精度高效率传动方面优势突出，轻质特性方面优于摆线类减速器，但劣于谐波类减速器，高承载耐冲击方面优于谐波类减速器，但劣于摆线类减速器。

现有技术中的减速器，不管是谐波类减速器、摆线类减速器或行星齿轮类减速器，少有对齿轮进行轻质、高承载耐冲击优化设计。另外，目前国内外基于金属3D打印工艺的结构件轻量化、高承载优化设计方法，都是针对被优化结构件的支撑连接部位均固定不变的静态或准静态载荷的使用工况，一般只把基体的支撑强度和支撑韧性纳入优化设计的初始条件或优化目标。而在类似减速器齿轮等，接触部位和承载载荷不断变化的周期性动态交变工况下，特别是仿生机器人关节用减速器齿轮等，有接触碰撞冲击载荷的工况下，现有的基于金属3D打印工艺的结构件轻量化、高承载优化设计方法较难同时兼顾内部基体支撑强度和韧性与表面接触强度和韧性作为优化设计的初始条件或优化目标。

发明内容

鉴于此，本发明实施例提供了一种轻质高承载减速器及其齿轮的仿骨构造生成方法，以消除或改善现有技术中存在的一个或更多个缺陷。

本发明的技术方案如下：

一种机器人用减速器齿轮，所述减速器齿轮包括：外轮廓层和被所述外轮廓层包覆的网状多孔基层，所述外轮廓层包括安装面层、齿面层和连接面层，所述连接面层连接在所述安装面层和齿面层之间并与所述安装面层和齿面层一起构成完整齿轮外轮廓；所述安装面层、齿面层和连接面层为密实构造；所述网状多孔基层位于所述外轮廓层形成的腔体内，所述网状多孔基层内具有呈多孔网架结构的纤维小梁。

在一些实施例中，各纤维小梁沿其轴线上各点的粗细和各纤维小梁的空间排列连接关系按照齿轮工理想况载荷谱所产生的空间应力曲线确定。

在一些实施例中，所述网状多孔基层的纤维小梁分隔出的彼此贯通的梁间多孔空腔，至少部分多孔空腔内填充有韧性软体材料。

在一些实施例中，所述安装面层为齿轮在减速器中的支撑固定连接面，所述齿面层为减速器齿轮间相互啮合传递旋转运动和转矩的作用面；所述安装面层和齿面层各自不同局部点部位的厚度按照齿轮理想工况的承受力和转矩载荷确定。

在一些实施例中，所述安装面层的结构形式为轴孔配合的圆形孔状、花键孔状、矩形键孔状或正多边形孔状；所述齿面层的结构形式为渐开线齿形或摆线齿形。

在一些实施例中，所述网状多孔基层是通过利用3D打印方式打印的采用如下步骤构建的网状多孔基层结构而形成的：

根据安装面层和齿面层各不同局部点部位的力和转矩的综合载荷谱，换算出网状多孔基层被安装面层和齿面层包覆的包覆面的综合载荷谱；