常見的六軸關(guān)節(jié)機器人的機械結(jié)構(gòu)

1、5J3axismotorEIbowg、戸-o*JrKL；Jo上xis_=reducfioFgear9J5gi步mctorForearmJ6$xismotorvJOJ5zxdtimingbelt6J3、IF亠/J5axisWEsthgAing/廣日ductiongearUpperJ1axisrBcfuGtiong,陰rShoulder3,J2muLQrcditctioiar;.JFI-J;*ISC1上圖為常見的六軸關(guān)節(jié)機器人的機械結(jié)構(gòu)，六個伺服電機直接通過諧波減速器、同步帶輪等驅(qū)動六個關(guān)節(jié)軸的旋轉(zhuǎn)日JT4（旋轉(zhuǎn)）彎曲）（旋轉(zhuǎn)）在這三種手腕部的結(jié)構(gòu)中，以第一種（RBR型）結(jié)構(gòu)應(yīng)用最為廣泛，它適應(yīng)于

2、各種工作場合，后兩種結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍相對較窄，比如說3R型的手腕結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用在噴涂行業(yè)等。，注意觀察一、二、三、四軸的結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)一至關(guān)節(jié)四的驅(qū)動電機為空心結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)機器人的驅(qū)動電機采用空心軸結(jié)構(gòu)應(yīng)該不常見，空心軸結(jié)構(gòu)的電機一般較大。采用空心軸電機的優(yōu)點是：機器人各種控制管線可以從電機中心直接穿過，無論關(guān)節(jié)軸怎么旋轉(zhuǎn)，管線不會隨著旋轉(zhuǎn)，即使旋轉(zhuǎn)，管線由于布置在旋轉(zhuǎn)軸線上，所以具有最小的旋轉(zhuǎn)半徑。此種結(jié)構(gòu)較好的解決了工業(yè)機器人的管線布局問題。對于工業(yè)機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計來說，管線布局是難點之一，怎樣合理的在狹小的機械臂空間中布置各種管線（六個電機的驅(qū)動線、編碼器線、剎車線、氣管、電磁閥控制線、傳感器線

3、等），使其不受關(guān)節(jié)軸旋轉(zhuǎn)的影響，是一個值得深入考慮的問題。RR關(guān)節(jié)設(shè)計：對于國外的工業(yè)機器人主要制造國家來說，六軸關(guān)節(jié)機器人的研發(fā)設(shè)計及制造已經(jīng)有好幾十年的歷史了，整個工業(yè)機器人的研發(fā)制造體系較為完善，他們的技術(shù)相對來說比較成熟，他們在相互競爭中可以相互模仿、改善、不斷推陳出新，他們的技術(shù)對于國內(nèi)來說，近乎完美而國內(nèi)目前這個行業(yè)還處在黎明前的黑暗階段，雖然有不少公司有這個研發(fā)意圖，或者正在研發(fā)途中，不管怎么說，浮出水面公布自己正在研發(fā)或者研發(fā)成功的公司應(yīng)該說是極少數(shù)，即使宣布自己研發(fā)成功，也只是初步試驗成功，真正產(chǎn)業(yè)化、商品化還有一段相當漫長的路要走而更多的公司還停留在項目立項、技術(shù)評估、投入

4、風險分析的階段由于國內(nèi)做這個行業(yè)的很少，相關(guān)的結(jié)構(gòu)也沒有什么可參考的，技術(shù)儲備不足，少數(shù)的單位或個人有機會能夠拆拆別人的機器，拆個一知半解，更多的人只能在旁邊看看了（比如說我，想拆都沒機會匕），還好了，網(wǎng)絡(luò)資源豐富，今搜集到不少機械結(jié)構(gòu)方面的圖片，分享給大家參考，希望咱們做機械設(shè)計的（我應(yīng)該也算是個機械工程師啊畢竟我也是做機械的）少走點彎路，做出更好的機器.六軸關(guān)節(jié)機器人的腕部關(guān)節(jié)設(shè)計較為復(fù)雜，因為在腕部同時集成了三種運動小型的六軸關(guān)節(jié)機器人的腕部關(guān)節(jié)主要采用諧波減速器下面的圖片較為詳細的描述了常見的六軸關(guān)節(jié)機器人的腕部結(jié)構(gòu)。1nP-J圖所示的腕部關(guān)節(jié)用到了兩個諧波減速器，兩個同步齒型帶傳動輸

5、入，中間還用到了一對錐齒輪副傳動。業(yè)機O口/|核/心I-諧減速O口CircularSplineLEXSPLINEWaveGenerator機器人驅(qū)動系統(tǒng)要求傳動系充間隙小、剛度大、輸出扭矩高以及減速比大，常用的減速機構(gòu)有:3）擺線針輪減速機構(gòu)；1）RV減速機構(gòu)；4）行星齒輪減速機械；2）諧波減速機械；無側(cè)隙減速機構(gòu)；6）蝸輪減速機構(gòu)；7）滾珠絲杠機構(gòu)；/|1帶/形”減速UI構(gòu)；9）球減速機構(gòu)。其中諧波減速器廣泛應(yīng)用于小型的六軸搬運及裝配機械手中，下面介紹其工作原理FlexsplineCrossRollerBearingutputflangeWaveGeneratorCircularSpline

6、CircuiarSpline(case)WaveGenerator(input)Flexspline以下內(nèi)容摘自百度百科（稍有修改）：諧波齒輪減速器是利用行星齒輪傳動原理發(fā)展起來的一種新型減速器。諧波齒輪傳動（簡稱諧波傳動），它是依靠柔性零件產(chǎn)生彈性機械波來傳遞動力和運動的一種行星齒輪傳動。（）傳動原理它主要由三個基本構(gòu)件組成：（1）帶有內(nèi)齒圈的剛性齒輪（剛輪）2,它相當于行星系中的中心輪；（2）帶有外齒圈的柔性齒輪（柔輪）1,它相當于行星齒輪；（3）波發(fā)生器H,它相當于行星架。作為減速器使用，通常采用波發(fā)生器主動、剛輪固定、柔輪輸出形式。波發(fā)生器H是一個桿狀部件，其兩端裝有滾動軸承構(gòu)成滾輪，

7、與柔輪1的內(nèi)壁相互壓緊。柔輪為可產(chǎn)生較大彈性變形的薄壁齒輪，其內(nèi)孔直徑略小于波發(fā)生器的總長。波發(fā)生器是使柔輪產(chǎn)生可控彈性變形的構(gòu)件。當波發(fā)生器裝入柔輪后，迫使柔輪的剖面由原先的圓形變成橢圓形，其長軸兩端附近的齒與剛輪的齒完全嚙合，而短軸兩端附近的齒則與剛輪完全脫開。周長上其他區(qū)段的齒處于嚙合和脫離的過渡狀態(tài)。當波發(fā)生器沿圖示方向連續(xù)轉(zhuǎn)動時，柔輪的變形不斷改變，使柔輪與剛輪的嚙合狀態(tài)也不斷改變，由嚙入、嚙合、嚙出、脫開、再嚙入，周而復(fù)始地進行，從而實現(xiàn)柔輪相對剛輪沿波發(fā)生器H相反方向的緩慢旋轉(zhuǎn)。在傳動過程中，波發(fā)生器轉(zhuǎn)一周，柔輪上某點變形的循環(huán)次數(shù)稱為波數(shù)，以n表示。常用的是雙波和三波兩種。雙波

8、傳動的柔輪應(yīng)力較小，結(jié)構(gòu)比較簡單，易于獲得大的傳動比。故為目前應(yīng)用最廣的一種。諧波齒輪傳動的柔輪和剛輪的周節(jié)相同，但齒數(shù)不等，通常采用剛輪與柔輪齒數(shù)差等于波數(shù)，即z2z1=n式中z2、z2-分別為剛輪與柔輪的齒數(shù)。當剛輪固定、發(fā)生器主動、柔輪從動時，諧波齒輪傳動的傳動比為i=-z1/（z2-z1）雙波傳動中，z2z1=2，柔輪齒數(shù)很多。上式負號表示柔輪的轉(zhuǎn)向與波發(fā)生器的轉(zhuǎn)向相反。由此可看出，諧波減速器可獲得很大的傳動比。（二）特點承載能力高諧波傳動中，齒與齒的嚙合是面接觸，加上同時嚙合齒數(shù)（重疊系數(shù)）比較多，因而單位面積載荷小，承載能力較其他傳動形式高。.傳動比大單級諧波齒輪傳動的傳動比，可達

9、i=70500。.體積小、重量輕。傳動效率高、壽命長。5傳動平穩(wěn)、無沖擊，無噪音，運動精度高。6.由于柔輪承受較大的交變載荷，因而對柔輪材料的抗疲勞強度、加工和熱處理要求較高，工藝復(fù)雜。諧波減速器在國內(nèi)于六七十年代才開始研制，到目前已有不少廠家專門生產(chǎn)，并形成系列化。廣泛應(yīng)用于電子、航天航空、機器人等行業(yè)，由于它的獨特優(yōu)點,在化工行業(yè)的應(yīng)用也逐漸增多。SplWaveGFlexsplineTheFlexsplineisellipticallyshapedbyTheWaveGeneratorandengagedwiththeCircularSplineatthemajorellipticalaxi

10、s.Theteethcompletelydisengageor)theminoraxis.90fWhentheCircularSplineisfixedandtheWavegeneratorrotatesclockwise,theFlexsplineiselasticallydeformedandrotatescounterclockwiserelativetotheCircularSpline.Foreach360degreesclockwisemove-mentoftheWaveGenerator,theFlexsplinemovescounterclockwisebytwoteethre

11、lativetotheCircularSpline.服電機選型量匹配在伺服系統(tǒng)選型及調(diào)試中，常會碰到慣量問題。其具體表現(xiàn)為：在伺服系統(tǒng)選型時，除考慮電機的扭矩和額定速度等等因素外，我們還需要先計算得知機械系統(tǒng)換算到電機軸的慣量，再根據(jù)機械的實際動作要求及加工件質(zhì)量要求來具體選擇具有合適慣量大小的電機；在調(diào)試時，正確設(shè)定慣量比參數(shù)是充分發(fā)揮機械及伺服系統(tǒng)最佳效能的前提。此點在要求高速高精度的系統(tǒng)上表現(xiàn)尤為突出，這樣，就有了慣量匹配的問題。一、什么是“慣量匹配”？1、根據(jù)牛頓第二定律：進給系統(tǒng)所需力矩T=系統(tǒng)傳動慣量JX角加速度B角”加速度B影響系統(tǒng)的動態(tài)特性，B越小，則由控制器發(fā)出指令到系統(tǒng)執(zhí)行

12、完畢的時間越長，系統(tǒng)反應(yīng)越慢。如果B變化，則系統(tǒng)反應(yīng)將忽快忽慢，影響加工精度。由于馬達選定后最大輸出T值不變，如果希望B的變化小，則J應(yīng)該盡量小。2、進給軸的總慣量“嚴伺服電機的旋轉(zhuǎn)慣性動量JM+電機軸換算的負載慣性動量JL。負載慣量JL由（以平面金切機床為例）工作臺及上面裝的夾具和工件、螺桿、聯(lián)軸器等直線和旋轉(zhuǎn)運動件的慣量折合到馬達軸上的慣量組成。JM為伺服電機轉(zhuǎn)子慣量，伺服電機選定后，此值就為定值，而JL則隨工件等負載改變而變化。如果希望J變化率小些，則最好使JL所占比例小些。這就是通俗意義上的“慣量匹配”。二、“慣量匹配”如何確定？傳動慣量對伺服系統(tǒng)的精度，穩(wěn)定性，動態(tài)響應(yīng)都有影響。慣量

13、大，系統(tǒng)的機械常數(shù)大，響應(yīng)慢，會使系統(tǒng)的固有頻率下降，容易產(chǎn)生諧振，因而限制了伺服帶寬，影響了伺服精度和響應(yīng)速度，慣量的適當增大只有在改善低速爬行時有利，因此，機械設(shè)計時在不影響系統(tǒng)剛度的條件下，應(yīng)盡量減小慣量。衡量機械系統(tǒng)的動態(tài)特性時，慣量越小，系統(tǒng)的動態(tài)特性反應(yīng)越好；慣量越大，馬達的負載也就越大，越難控制，但機械系統(tǒng)的慣量需和馬達慣量相匹配才行。不同的機構(gòu)，對慣量匹配原則有不同的選擇，且有不同的作用表現(xiàn)。不同的機構(gòu)動作及加工質(zhì)量要求對JL與JM大小關(guān)系有不同的要求，但大多要求JL與JM的比值小于十以內(nèi)。一句話，慣性匹配的確定需要根據(jù)機械的工藝特點及加工質(zhì)量要求來確定。對于基礎(chǔ)金屬切削機床，

14、對于伺服電機來說，一般負載慣量建議應(yīng)小于電機慣量的5倍。慣量匹配對于電機選型很重要的，同樣功率的電機，有些品牌有分輕慣量，中慣量，或大慣量。其實負載慣量最好還是用公式計算出來。常見的形體慣量計算公式在以前學的書里都有現(xiàn)成的（可以去查機械設(shè)計手冊）。我們曾經(jīng)做過一試驗，在一伺服電機的軸伸，加一大的慣量盤準備用來做測試，結(jié)果是：伺服電機低速時停不住，搖頭擺尾，不停地振蕩怎么也停不下來。后來改為：在兩個伺服電機的軸伸對接加裝聯(lián)軸器，對其中一個伺服電機通電，作為動力即主動，另一個伺服電機作為從動，即做為一個小負載。原來那個搖頭擺尾的伺服電機，啟動、運動、停止，運轉(zhuǎn)一切正常！三、慣量的理論計算的功式？慣

15、量計算都有公式，至于多重負載，比如齒輪又帶齒輪，或渦輪蝸桿傳動，只要分別算出各轉(zhuǎn)動件慣量然后相加即是系統(tǒng)慣量，電機選型時建議根椐不同的電機進行選配。負載的轉(zhuǎn)動慣量肯定是要設(shè)計時通過計算算出來拉，如果沒有這個值，電機選型肯定是不那么合理的，或者肯定會有問題的，這是選伺服的最重要的幾個參數(shù)之一。至于電機慣量，電機樣本手冊上都有標注。當然，對某些伺服，可以通過調(diào)整伺服的過程測出負載的慣量，作為理論設(shè)計中的計算的參考。畢竟在設(shè)計階段，很多類似摩擦系數(shù)之類的參數(shù)只能根據(jù)經(jīng)驗來猜，不可能準確。理論設(shè)計中的計算的公式：（僅供參考）通常將轉(zhuǎn)動慣量J用飛輪矩GD2來表示，它們之間的關(guān)系為J=mpA2=GDA2/

16、4g式中m與G轉(zhuǎn)動部分的質(zhì)量（kg）與重量（N）；與D慣性半徑與直徑（m）;g=9.81m/s2重力加速度飛輪慣量=速度變化率*飛輪距/375當然，理論與實際總會有偏差的，有些地區(qū)（如在歐洲），一般是采用中間值通過實際測試得到。這樣，相對我們的經(jīng)驗公式要準確一些。不過，在目前還是需要計算的，也有固定公式可以去查機械設(shè)計手冊的。四、關(guān)于摩擦系數(shù)？關(guān)于摩擦系數(shù)，一般電機選擇只是考慮一個系數(shù)加到計算過程中，在電機調(diào)整時通常都不會考慮。不過，如果這個因素很大，或者講，足以影響電機調(diào)整，有些日系通用伺服，據(jù)稱有一個參數(shù)是用來專門測試的，至于是否好用，本人沒有用過，估計應(yīng)該是好用的。有網(wǎng)友發(fā)貼說，曾有人發(fā)

17、生過這樣的情況：設(shè)計時照搬國外的機器，機械部分號稱一樣，電機功率放大了50%選型，可是電機轉(zhuǎn)不動。因為樣機的機械加工、裝配的精度太差，負載慣量是差不多，可摩擦阻力相差太多了，對具體工況考慮不周。當然，黏性阻尼和摩擦系數(shù)不是同一個問題。摩擦系數(shù)是不變值，這點可以通過電機功率給予補償，但黏性阻尼是變值，通過增大電機功率當然可以緩解，但其實是不合理的。況且沒有設(shè)計依據(jù)，這個最好是在機械狀態(tài)上解決，沒有好的機械狀態(tài)，伺服調(diào)整完全是一句空話。還有，黏性阻尼跟機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工、裝配等相關(guān)，這些在選型時是必須考慮的。而且跟摩擦系數(shù)也是息息相關(guān)的，正是因為加工水平不夠才造成的摩擦系數(shù)不定，不同點相差較大，甚至技術(shù)工人裝配水平的差異也會導(dǎo)致很大的差異，這些在電機選型時必須要考慮的。這樣，才會有保險系數(shù)，當然歸根結(jié)底還是電機功率的問題。五、慣量的理論計算后，微調(diào)修正的簡單化可能有些朋友覺的：太復(fù)雜了！實際情況是，某品牌的產(chǎn)品各種各樣的參數(shù)已經(jīng)確定，在滿足功率，轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速的條件