1.本实用新型涉及谐波减速器技术领域，特别涉及一种柔轮、谐波减速器及工业机器人。
背景技术：
2.谐波减速器是通过波发生器驱动柔轮变形，以使柔轮与刚轮啮合，从而实现运动的传递，由于谐波齿轮的固有特性，柔轮与刚轮的啮合区域较大，使其承载能力较高。当谐波减速器在运行时，柔轮的形变将力矩传递到柔轮的法兰部，在法兰部和膈部之间的过渡区易形成应力集中，造成柔轮在该区域的损坏。过渡区的外形轮廓线通常包括两段圆弧线，两段圆弧线的连接处的连续性难处理，设计不合理易造成较大的应力集中，导致柔轮使用寿命短，影响谐波减速器的使用稳定性。
技术实现要素：
3.本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型提出一种柔轮，通过合理的壁厚设计，能够提高使用寿命和可靠性。
4.本实用新型同时提出具有上述柔轮的谐波减速器及使用谐波减速器的工业机器人。
5.根据本实用新型第一方面实施例的柔轮，包括筒体，沿所述筒体的轴向，依次设置有齿部、筒部、折弯部、膈部及法兰部，所述膈部和所述法兰部的连接处为过渡区，在所述筒体的轴向剖切面上，所述过渡区背离所述齿部的侧壁轮廓线为样条曲线。
6.根据本实用新型第一方面实施例的柔轮，至少具有如下有益效果：筒体的一端设置齿部，筒体的另一端设置法兰部，通过柔轮能够将波发生器的扭矩传递到法兰部，以便于通过法兰部输出扭矩。沿筒体的轴向，齿部、筒部、折弯部、膈部及法兰部依次连接，将膈部和法兰部之间的过渡区的轮廓线设置为样条曲线，代替两段圆弧线，能够降低应力集中，提高柔轮的变形承受能力，降低柔轮因变形而撕裂失效的风险，提高柔轮的疲劳强度，延长柔轮的使用寿命，从而提高谐波减速器的可靠性。
7.根据本实用新型第一方面的一些实施例，
8.所述样条曲线的两端点p0、p3的坐标为(x0，y0)、(x3，y3)，所述样条曲线具有第一控制点p1和第二控制点p2，所述第一控制点p1的坐标为(x1，y1)，所述第二控制点p2的坐标为(x2，y2)，所述样条曲线上任一点的坐标(x，y)满足：
9.x＝(1-t)3x0 3t(1-t)2x1 3t2(1-t)x2 t3x3，
10.y＝(1-t)3y0 3t(1-t)2y1 3t2(1-t)y2 t3y3，
11.其中t∈[0,1]，并且满足：
[0012]
x1＝t1x0 (1-t1)x3，y1＝t2y0 (1-t2)y3，x2＝t3x0 (1-t3)x3，y2＝t4y0 (1-t4)y3，t1为0.05至0.16，t2为0.85至0.96，t3为0.06至0.15，t4为0.68至0.82。
[0013]
根据本实用新型第一方面的一些实施例，t1为0.09至0.12，t2为0.92至0.96，t3为
0.08至0.13，t4为0.72至0.79。
[0014]
根据本实用新型第一方面的一些实施例，所述p0的斜率为b0，所述p1的斜率为b1，所述p2的斜率为b2，所述p3的斜率为b3，所述样条曲线上任一点的斜率为b
t
，满足：
[0015]bt
＝(1-t)3b0 3t(1-t)2b1 3t2(1-t)b2 t3b3，其中t∈[0,1]。
[0016]
根据本实用新型第一方面的一些实施例，所述p0的斜率为0。
[0017]
根据本实用新型第一方面的一些实施例，所述p3的斜率为-tan(84.58)。
[0018]
根据本实用新型第一方面的一些实施例，所述样条曲线与所述膈部的侧壁轮廓线相切。
[0019]
根据本实用新型第一方面的一些实施例，所述样条曲线与所述法兰部的侧壁轮廓线相切。
[0020]
根据本实用新型第二方面实施例的谐波减速器，包括有刚轮、波发生器和第一方面实施例所述的柔轮，所述刚轮套装在所述柔轮的外侧，所述刚轮设置有配合所述齿部的内齿，所述柔轮套装在所述波发生器的外侧，所述波发生器抵接所述齿部的内壁。
[0021]
根据本实用新型第三方面实施例的工业机器人，包括第二方面实施例所述的谐波减速器。通过采用本实用新型第二方面实施例的谐波减速器，谐波减速器的使用可靠性及稳定性较高，使工业机器人的运动顺畅，减小工业机器人维护的频率，降低使用成本，提高工业机器人的可靠性。
[0022]
本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
[0023]
本实用新型的附加方面和优点结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，
[0024]
其中：
[0025]
图1为本实用新型第一方面一些实施例的柔轮的剖视图；
[0026]
图2为本实用新型第一方面另一些实施例的柔轮的剖视图；
[0027]
图3为图1中a处的局部放大视图；
[0028]
图4为本实用新型第二方面实施例的谐波减速器的剖视图；
[0029]
图5为样条曲线的示意图一；
[0030]
图6为样条曲线的示意图二；
[0031]
图7为样条曲线的示意图三。
[0032]
附图标号如下：
[0033]
筒体100、齿部110、筒部120、弯折部130、膈部140、法兰部150、过渡区160、样条曲线161；
[0034]
刚轮200；
[0035]
波发生器300。
具体实施方式
[0036]
下面详细描述本实用新型的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终
相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
[0037]
在本实用新型的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
[0038]
在本实用新型的描述中，如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
[0039]
本实用新型的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本实用新型中的具体含义。
[0040]
谐波齿轮减速器是一种由固定的刚轮、柔轮以及使柔轮发生径向变形的波发生器组成的减速器，柔轮套设在波发生器的外侧，刚轮套设在柔轮的外侧，通过波发生器驱动柔轮产生径向变形并旋转，使柔轮产生可控制的弹性变形波，引起刚轮与柔轮的齿间相对错齿来传递动力和运动，由于谐波减速器的固有特性，柔轮与刚轮啮合的区域较大，使其承载能力相对高，因而谐波减速器广泛应用于电子、航天航空、工业机器人等领域。
[0041]
谐波减速器的运用场景趋向于小型设备，目前谐波减速器朝着高速度、高刚性、长寿命等方面发展，同时对柔轮、柔性轴承的考验也更加苛刻，现有的柔轮为了方便制造，其内壁是平直的，使得柔轮的壁厚是均匀的，当谐波减速器运行时，柔轮需要承受波发生器施加的交变应力，以及刚轮施加的啮合力矩，但是高负载的扭矩会使得柔轮产生变形，而壁厚均匀的柔轮吸收变形的能力较差，容易导致柔轮容易因为反复变形而断裂失效，尤其是法兰与膈部连接处的过渡区，应力集中，容易出现撕裂等失效问题，进而降低了谐波减速器的使用寿命和可靠性。当前，过渡区的轮廓线设计通常为两段圆弧线，而在两段圆弧线的连接处的连续性过渡难以处理，设计不合理易造成较大的应力集中，导致柔轮使用寿命短，影响谐波减速器的使用稳定性。
[0042]
为了解决上述技术问题，本实用新型提出一种应用于谐波减速器的柔轮，能够提高柔轮承受变形的能力，减少应力集中，延长柔轮的使用寿命，从而提升谐波减速器的可靠性。
[0043]
下面结合附图进行说明：
[0044]
参照图1至图3，本实用新型第一方面实施例提出的一种柔轮，应用于谐波减速器，柔轮的主体为筒体100，如图4所示，筒体100的一端为开口并且外壁设置有齿部110，以使筒体100能够套装于谐波减速器的波发生器300，筒体100的另一端设置法兰部150，法兰部150是谐波减速器的输出端，用于连接其他设备，以将运动及扭矩传递给其他设备。
[0045]
沿筒体100的轴向，筒体100包括有依次相连的齿部110、筒部120、弯折部130、膈部140和法兰部150，齿部110为设置外齿的部分筒体100，筒部120的一端连接齿部110，另一端连接弯折部130，弯折部130由筒体100的轴向转向筒体100的径向，膈部140为连接弯折部130的径向结构，法兰部150用于连接负载，大致沿筒体100的径向分布。可以理解的是，如图1所示，法兰部150可以是沿筒体100的径向向外延伸的，如图2所示，法兰部150也可以是沿
筒体100的径向向内延伸的，法兰部150沿周向设置有多个安装孔，以配合连接其他设备，因而通常法兰部150的厚度较大(沿筒体100的轴向)，在法兰部150和膈部140的连接处为过渡区160，由于法兰部150和膈部140的厚度相差较大，在过渡区160容易形成应力集中，在谐波减速器的运行中，会导致柔轮撕裂，而影响谐波减速机的稳定性。
[0046]
因此，将过渡区160的轮廓线设计为样条曲线161，在筒体100的轴向剖切面上，样条曲线161是过渡区160背离齿部110的侧壁轮廓线，法兰部150和膈部140朝向齿部110的侧壁通常是齐平的，样条曲线161的作用是作为法兰部150和膈部140的过渡，样条曲线161沿筒体100的轴向及径向上同时延伸，过渡区160的侧壁采用样条曲线161为轮廓线，有助于形成光滑的曲面，减少应力的集中，降低柔轮撕裂失效的风险。
[0047]
可以理解的是，样条曲线(spline curves)是经过一系列给定点的光滑曲线。最初，样条曲线都是借助于物理样条得到的，放样员把富有弹性的细木条(或有机玻璃条)，用压铁固定在曲线应该通过的给定型值点处，样条做自然弯曲所绘制出来的曲线就是样条曲线。样条曲线不仅通过各有序型值点，并且在各型值点处的一阶和二阶导数连续，也即该曲线具有连续及曲率变化均匀的特点。因此，过渡区160的侧壁轮廓线设计为样条曲线161，形成光滑的过渡曲面，样条曲线161代替两段圆弧线的轮廓线，消除了两段圆弧线连接处的连续性问题，有利于简化柔轮的设计，并且提高柔轮的耐用性。
[0048]
参照图4，柔轮的筒体100一端为开口，能够连接波发生器300，筒体100的另一端为法兰部150，负载能够通过法兰部150与柔轮连接，通过柔轮驱动负载运动，运动和扭矩都由柔轮传递，在谐波减速器的运行中，柔轮要反复承受变形及扭力，通过将过渡区160的侧壁轮廓线设计为样条曲线161，使得膈部140和法兰部150的连接处光滑过渡，能够减小应力的集中，提高柔轮变形的承受能力，降低柔轮因变形而断裂失效的风险，提高柔轮的疲劳强度，膈部140和法兰部150的连接处，能够承受更大的应力和扭转力，有利于延长柔轮的使用寿命，从而提高谐波减速器的可靠性。
[0049]
需要说明的是，参照图4，波发生器300设置在筒体100在开口处，钢轮200套装在筒体100外侧，刚轮200和柔轮具有模数相同的轮齿，但齿数不同，通常是柔轮的齿数比刚轮200的齿数少两个，谐波传动的齿数差表征柔轮的变形波数，在自由状态(无波发生器300)的状态下，刚轮200和柔轮处于同心位置，而刚轮200和柔轮的各齿间隙均匀。波发生器300通常为椭圆形，波发生器300发生径向变形而成为椭圆形，在椭圆的长轴上，使得钢轮200与柔轮的部分齿部110啮合，而在短轴上，形成了径向间隙。波发生器300驱动柔轮旋转，在发生器的旋转过程中，柔轮的形状始终接近于上述的形状。其中，由于刚轮200与柔轮啮合时会产生差齿啮合力矩，使得柔轮产生弯曲变形。由于法兰部150连接负载，作为输出端，因而在法兰部150与膈部140的连接处应力相对较大，容易出现疲劳，甚至产生撕裂而失效，因此，通过对柔轮的外形进行设计，将过渡区160的侧壁轮廓线设计为样条曲线161，以形成光滑的过渡曲面，样条曲线161代替两段圆弧线的轮廓线，消除了两段圆弧线连接处的连续性问题，有利于简化柔轮的设计，并且提高柔轮的耐用性。
[0050]
在一些实施例中，样条曲线161采用三阶方程，样条曲线161的两端点p0、p3的坐标为(x0，y0)、(x3，y3)，样条曲线161具有第一控制点p1和第二控制点p2，第一控制点p1的坐标为(x1，y1)，第二控制点p2的坐标为(x2，y2)，样条曲线161上任一点的坐标(x，y)满足：
[0051]
x＝(1-t)3x0 3t(1-t)2x1 3t2(1-t)x2 t3x3，
[0052]
y＝(1-t)3y0 3t(1-t)2y1 3t2(1-t)y2 t3y3，
[0053]
其中t∈[0,1]，t的取值从0至1，对应于样条曲线161的一个端点p0至另一个端点p3，p0和p3根据柔轮的膈部140和法兰部150的形状计算得出，然后设定两个控制点p1和p2的坐标，得到样条曲线161的三阶方程式。
[0054]
应当理解的是，第一控制点p1和第二控制点p2用于控制样条曲线161的形状，第一控制点p1和第二控制点p2不一定是样条曲线161上的点。
[0055]
参照图5，样条曲线161的两个端点坐标为p0(1.131，20)和p3(0.761，20.547)，两个控制点的坐标为p1(1.1,20)和p2(0.8,20.136)，样条曲线161的轴线如图5所示；参照图6，样条曲线161的两个端点坐标为p0(1.131，20)和p3(0.761，20.547)，两个控制点的坐标为p1(0.9,20)和p2(0.8,20.136)，样条曲线161的轴线如图6所示；参照图7，样条曲线161的两个端点坐标为p0(1.131，20)和p3(0.761，20.547)，两个控制点的坐标为p1(0.8,20.05)和p2(0.8，20.547)，样条曲线161的轴线如图7所示。通过设定两个控制点p1和p2的坐标，能够控制样条曲线161的形状，再通过有限元软件进行力学仿真，以计算出应力最小的样条曲线161。经计算，采用如图7所示的样条曲线161，最大应力值减小了约9.3％，有效降低柔轮的应力集中。
[0056]
可以理解的是，第一控制点p1和第二控制点p2的坐标限定为：x1＝t1x0 (1-t1)x3，y1＝t2y0 (1-t2)y3，x2＝t3x0 (1-t3)x3，y2＝t4y0 (1-t4)y3，其中t1的取值范围为0.05至0.16，t2的取值范围为0.85至0.96，t3的取值范围为0.06至0.15，t4的取值范围为0.68至0.82。
[0057]
在一些实施例中，t1的取值范围为0.09至0.12，t2的取值范围为0.92至0.96，t3的取值范围为0.08至0.13，t4的取值范围为0.72至0.79，具有较佳的技术效果，过渡区160的应力更低。
[0058]
可以理解的是，在样条曲线161中，p0的斜率为b0，b0由p0和p1的坐标限定，同理，p1的斜率为b1，p2的斜率为b2，p3的斜率为b3，样条曲线161上任一点的斜率为b
t
，b
t
同样采用三阶方程式进行计算，计算公式为：
[0059]bt
＝(1-t)3b0 3t(1-t)2b1 3t2(1-t)b2 t3b3，
[0060]
其中t∈[0,1]，t的取值从0至1，对应于样条曲线161的一个端点p0至另一个端点p3。
[0061]
在一些实施例中，p0的斜率设定为0，p3的斜率设定为-tan(84.58)，通过设定p0和p3的斜率，控制样条曲线161的形状，使得样条曲线161与膈部140的轮廓线、法兰部150的轮廓线较为接近，有利于平滑过渡，减少应力集中。可以理解的是，柔轮可以设计为样条曲线161的两端与膈部140、法兰部150的侧壁轮廓线相切，使得过渡区160与膈部140、法兰部150的连接位置光滑过渡，有助于减少应力集中，提高柔轮的可靠性和耐用性。
[0062]
参照图1和图2，可以理解的是，折弯部130是筒部120和膈部140之间的连接部位，而且实现换向，通常将折弯部130设计为圆弧面过渡，因而，折弯部130的侧面轮廓线均为圆弧线，筒部120、膈部140和折弯部130之间通过光滑的曲面连接，减少应力集中，有利于提高柔轮的使用可靠性。
[0063]
参照图4，本实用新型第二方面实施例提出的谐波减速器，包括有刚轮200、波发生器300和第一方面实施例的柔轮，刚轮200套装在柔轮的外侧，刚轮设置有内齿,柔轮的齿部110设置外齿，柔轮套装在波发生器300的外侧，波发生器300抵接齿部110的内壁。刚轮200
的内齿和柔轮的外齿为具有相同模数的轮齿，但齿数不同，通常是柔轮的齿数比刚轮200的齿数少2个，谐波传动的齿数差表征柔轮的变形波数，在自由状态(无波发生器300)的状态下，刚轮200和柔轮处于同心位置，而刚轮200和柔轮的各齿间隙均匀。波发生器300通常为椭圆形，波发生器300发生径向变形而成为椭圆形，在椭圆的长轴上，使得钢轮200与柔轮的部分齿部110啮合，而在短轴上，形成了径向间隙。波发生器300驱动柔轮旋转，在发生器的旋转过程中，柔轮的形状始终接近于上述的形状。其中，由于刚轮200与柔轮啮合时会产生差齿啮合力矩，使得柔轮产生弯曲变形。
[0064]
如图4所示，柔轮的主体为筒体100，沿筒体100的轴向，筒体100包括有依次相连的齿部110、筒部120、弯折部130、膈部140和法兰部150，齿部110为设置外齿的部分筒体100，筒部120的一端连接齿部110，另一端连接弯折部130，弯折部130由筒体100的轴向转向筒体100的径向，膈部140为连接弯折部130的径向结构，法兰部150用于连接负载，大致沿筒体100的径向分布。法兰部150沿周向设置有多个安装孔，以配合连接其他设备，因而通常法兰部150的厚度较大(沿筒体100的轴向)，在法兰部150和膈部140的连接处为过渡区160，由于法兰部150和膈部140的厚度相差较大，在过渡区160容易形成应力集中，在谐波减速器的运行中，会导致柔轮撕裂，而影响谐波减速机的稳定性。
[0065]
因此，将过渡区160的轮廓线设计为样条曲线161，在筒体100的轴向剖切面上，样条曲线161是过渡区160背离齿部110的侧壁轮廓线，法兰部150和膈部140朝向齿部110的侧壁通常是齐平的，样条曲线161的作用是作为法兰部150和膈部140的过渡，样条曲线161沿筒体100的轴向及径向上同时延伸，过渡区160的侧壁采用样条曲线161为轮廓线，有助于形成光滑的曲面，减少应力的集中，降低柔轮撕裂失效的风险。
[0066]
本实用新型第三方面实施例的工业机器人，包括第二方面实施例的谐波减速器。工业机器人可以是搬运机器人、焊接机器人、装配机器人、加工机器人、喷涂机器人、洁净机器人、协作机器人等，将本实用新型第二方面实施例的谐波减速器应用到工业机器人中，谐波减速器采用第一方面实施例的柔轮，柔轮的过渡区160的轮廓线设计为样条曲线161，有助于形成光滑的过渡曲面，减少应力的集中，降低柔轮撕裂失效的风险，提高谐波减速器的使用可靠性，有利于工业机器人的长时间稳定运行。
[0067]
上面结合附图对本实用新型实施例作了详细说明，但是本实用新型不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下，作出各种变化。