雙向齒輪、方法、和應用技術

一種雙向齒輪組，包括具有齒頂齒陣列的雙向陽齒輪部件，以及具有齒根槽陣列的雙向陰齒輪部件，其中每個齒根槽具有圍繞其開放端的完整的邊界邊緣。所述陽齒輪和陰齒輪部件中的一個或者這二者具有圓形的橫截面幾何形狀，或者其中的一個可具有非圓形的橫截面幾何形狀。非圓形的橫截面幾何形狀可以是平坦的片狀或者帶有表面起伏輪廓的片狀。在互相嚙合的狀態下，不管陽部件和陰部件是以平行還是以垂直取向排列，無論是所述陽部件還是所述陰部件都不能相對于另外一個部件“滑動”。公開了一種制造雙向齒輪組的方法。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術的實施例屬于齒輪結構的領域，更具體地說，涉及雙向齒輪結構和齒輪結構對(組)、及其制造方法和應用。2.相關技術齒輪被廣泛使用于工程中。已有許多不同的齒輪設計，它們專用于各種不同應用情況下的各種需求。不同現有齒輪的非限制性的例子包括正齒輪、齒條傳動齒輪、內環齒輪、斜齒輪、螺旋形齒條齒輪、平面齒輪、蝸桿齒輪、二次包絡環面蝸桿齒輪、雙曲面齒輪、直傘齒輪、螺旋傘齒輪、和螺旋齒輪。所有這些齒輪均能夠向一個方向傳遞運動或動力。齒輪可以被設計成具有垂直于輸入齒輪軸的輸出齒輪軸，如傘齒輪，通過它，動力傳輸方向可以改變90度。然而，通過一對齒輪，仍舊只有一個動力和運動傳輸方向。為了實現向兩個不同方向的運動，典型地需要兩個以上的齒輪。Bullard的美國專利第2，453，656號公開了齒條及小齒輪裝置，其包括用于在兩個成角度的軸之間傳送振蕩及往復運動的、主動動作的、互相嚙合的裝置的設置。更具體地說，參照圖1，齒輪元件A被鎖定到軸10，該軸能夠沿它的縱軸線作往復運動，并且圍繞它的縱軸線作振蕩運動。一類似的齒輪元件B被鎖定到與軸10基本上成直角的軸11，該軸11也能夠圍繞它的縱軸線作振蕩運動，并且沿它的縱軸線作往復運動。齒輪元件A和B中的每一個均包括相對較長的本體12，圍繞它們的周邊形成伸長的正齒輪齒13。在齒13中切割出等間隔的周向溝槽14,其深度相當于或者稍微低于正齒輪齒13上的節圓(pitch circle)。這些溝槽14經過機器加工，使得由它們形成的壁15與正齒輪齒13的齒頂表面16形狀一致。因此，所述溝槽14提供了僅具有齒根高度的軸向對準的齒，它們與在相同的軸線行上具有齒頂和齒根高度的齒交替排列。另外，這些溝槽形成僅具有齒根高度的圓周行的齒，這些圓周行與具有齒頂和齒根高度的齒的圓周行交替排列。雙向齒輪的開發應用是機器人。例如，結構攀爬機器人傳統上已被開發用來執行目前由人執行的任務，應用范圍從結構檢查到清洗和維護。專利技術人的工作的一個目的是探索機器人和結構設計這兩者，以擴展能夠成功地自主完成的任務的范圍。例如，有利的是得到一種能夠通過拆開并重新組裝成不同形狀而改變其結構的機器人。這樣的“結構-重新配置”的機器人對于施工過程有深遠的影響，特別是牽涉到框架構造的行動。另外，自主修補損壞的結構或使得現有結構自主適配于新的功能的能力可應用于從災難重建到空間勘探的范圍。在設計“結構-重新配置”的機器人時的一個關鍵挑戰在于，大多數當前的結構建筑塊被設計成由人操控，而不是由機器操控。結構關節需要復雜的組裝，而且桁架單元很笨重，難以操控。用于關節連接和單元的標準開發在建筑行業中的模塊化組裝進程中是關鍵的。此外，缺乏適合機器人的關節和單元大大限制了機器人在建筑領域中的部署。特別有利的是，能夠有一種可以在結構的水平面與垂直面之間操縱并且在一次運行時遍歷多個節點的、結構可重新配置的機器人。雙向齒輪驅動可以使得這種能力成為可能。在(上面提及的)Bullard的第‘656號美國專利中描述的齒輪裝置沒有提供這種能力，因為類似的交叉齒輪軸不能當它們處于平行取向時阻止它們的相對滑動，而只有當它們處于垂直取向時才能阻止相對滑動。專利技術人認識到了對于例如在結構可重新配置的機器人的成功開發中面臨的問題的解決方案存在需求和優勢，而這些解決方案是上述現有技術沒有提供的。
技術實現思路
本專利技術的實施例涉及雙向陽齒輪部件、雙向陰齒輪部件，及雙向齒輪組。根據一個方面，該齒輪組包括具有齒頂齒陣列的雙向陽齒輪部件，以及具有齒根槽陣列的雙向陰齒輪部件，每個齒根槽具有圍繞其開放端的完整的邊界邊緣。陽齒陣列和陰槽陣列中的每一個都是矩形的、非螺旋陣列。在各個不同的方面，所述陽齒輪和陰齒輪部件中的一個或者這二者具有圓形的橫截面幾何形狀，或者其中的一個可具有非圓形的橫截面幾何形狀。所述非圓形的橫截面幾何形狀可以是平坦的片狀或者帶有表面起伏輪廓的片狀。陽齒輪和陰齒輪部件中的任一均可具有圓柱形的幾何形狀，其沿縱軸的長度大于沿垂直于縱軸的徑向軸的直徑。在互相嚙合的狀態下，不管陽部件和陰部件是以平行還是以垂直取向排列，無論是所述陽部件還是所述陰部件都不能相對于另外一個部件“滑動”。根據所實現的專利技術，在互相嚙合的操作狀態下，所述陽齒輪部件和陰齒輪部件被限制在沿單個共同的運動軸運動。根據所實現的專利技術，所述齒頂齒和齒根槽均沿兩個方向被切割。本專利技術的一個實施例涉及一種制造雙向齒輪組的方法，所述雙向齒輪組包括具有齒頂齒陣列的雙向陽齒輪部件。在一個方面，該方法涵蓋了僅制造陽齒輪部件或者僅制造陰齒輪部件。該方法還包括以下兩個步驟中的一個或者兩個創建具有齒根槽陣列的雙向陰齒輪部件，其中每個齒根槽具有圍繞其開放端的周邊邊緣，和/或創建具有齒頂齒陣列的雙向陽齒輪部件，其中每個齒頂齒具有至少兩個相對的對稱切口。根據一個方面，用于創建雙向陰齒輪部件的方法還涉及對沿表面的兩個正交軸的掃描正齒輪剖面進行布爾合并。根據一個方面，該方法還涉及制造圓柱幾何形狀的雙向陰齒輪部件，其還包括以下步驟圍繞桿軸旋轉圓形正齒輪齒條的輪廓，以及對旋轉的正齒輪齒條與在正交方向上的正齒輪線進行合并。所述雙向陰齒輪部件還可以以片狀形狀來制造。所述片狀形狀可以是平坦的片狀形狀或者是帶有表面起伏輪廓的片狀形狀。根據一個方面，用于創建雙向陽齒輪部件的方法還涉及從沿表面的兩個正交軸的第二掃描正齒輪剖面中減去掃描正齒輪剖面的布爾 減法。根據一個方面，該方法還涉及制造圓柱幾何形狀的雙向陽齒輪部件，其還包括以下步驟圍繞正齒輪旋轉正齒輪齒條的外輪廓并從其中減去正齒輪。所述雙向陽齒輪部件可以以片狀形狀來制造。所述片狀形狀可以是平坦的片狀形狀或者是具有表面起伏輪廓的片狀形狀。在各個非限制性的方面，所述雙向陽齒輪部件可以通過在正齒輪桿上切割出適當的圖案；快速原型法；鑄造；模壓；使用雙向陰齒輪的冷或熱成形；CNC機器加工；和3-D打印來制造，且所述雙向陰齒輪部件可以通過快速原型法；鑄造；使用雙向陽齒輪的冷或熱成形；模壓；CNC機器加工；和3-D打印來制造。附圖說明圖1A、B分別示出了根據本專利技術的一個說明性的示例性實施例，拉長的圓柱形桿形狀的雙向陽齒輪部件和雙向陰齒輪部件；圖2A、B分別示出了根據本專利技術的一個說明性的示例性實施例，垂直取向的陽/陰雙向齒輪組，用來說明雙向(旋轉和平移)運動能力。圖3A、B分別示出了在本專利技術的一個說明性的示例性方面，雙向陰齒輪部件和雙向陽齒輪部件如何被設計/制造的； 圖4示意地示出了一雙向齒輪組，其中雙向陰齒輪部件具有平坦片狀的形狀；圖5示意地示出了一雙向齒輪組，其中雙向陽齒輪部件具有具有平坦片狀的形狀；以及圖6示意地示出了一雙向齒輪組，其中雙向陽齒輪部件具有表面起伏輪廓的平坦片狀的形狀。具體實施例方式在下面的說明中，參考了作為本說明書一部分的附圖，在附圖中以示意性的方式示出了可實現的特定實施例。這些實施例被足夠詳細地描述，使得本領域技術人員能夠實施本專利技術，應當理解的是，也可以采用其它實施例，并且可以作出各種結構上的、邏輯上的和電氣上的改變，而不背離本專利技術的保護范圍。因而下面對示例性實施例的描述不應認為具有限制意義。正如這里所使用的，術語“雙向”是指在平移狀態和旋轉狀態下齒輪驅動的運動(以及在這兩種狀態下的前后運動)。正本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】...

【專利技術屬性】
技術研發人員：J·希勒，D·A·耶勒，H·利普森，F·尼克爾，
申請(專利權)人：康奈爾大學，
類型：
國別省市：