常見的六軸關節(jié)機器人的機械結構

上圖為常見的六軸關節(jié)機器人的機械結構,六個伺服電機直接通過諧波減速器、同步帶輪等驅動六個關節(jié)軸的旋轉,注意觀察一、二、三、四軸的結構，關節(jié)一至關節(jié)四的驅動電機為空心結構，關節(jié)機器人的驅動電機采用空心軸結構應該不常見，空心軸結構的電機一般較大。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，無論關節(jié)軸怎么旋轉，管線不會隨著旋轉，即使旋轉，管線由于布置在旋轉軸線上，所以具有最小的旋轉半徑。此種結構較好的解決了工業(yè)機器人的管線布局問題。對于工業(yè)機器人的機械結構設計來說，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（六個電機的驅動線、編碼器線、剎車線、氣管、電磁閥控制線、傳感器線等），使其不受關節(jié)軸旋轉的影響，是一個值得深入考慮的問題。在這三種手腕部的結構中,以第一種(RBR型)結構應用最為廣泛,它適應于各種工作場合,后兩種結構應用范圍相對較窄,比如說3R型的手腕結構主要應用在噴涂行業(yè)等。關節(jié)設計:對于國外的工業(yè)機器人主要制造國家來說,六軸關節(jié)機器人的研發(fā)設計及制造已經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,他們的技術對于國內來說,近乎完美.而國內目前這個行業(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)成功的公司應該說是極少數,即使宣布自己研發(fā)成功,也只是初步試驗成功,真正產業(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、技術評估、投入風險分析的階段.由于國內做這個行業(yè)的很少,相關的結構也沒有什么可參考的,技術儲備不足,少數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^_^),還好了,網絡資源豐富,今搜集到不少機械結構方面的圖片,分享給大家參考,希望咱們做機械設計的(我應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.六軸關節(jié)機器人的腕部關節(jié)設計較為復雜,因為在腕部同時集成了三種運動.小型的六軸關節(jié)機器人的腕部關節(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節(jié)機器人的腕部結構。上圖所示的腕部關節(jié)用到了兩個諧波減速器,兩個同步齒型帶傳動輸入,中間還用到了一對錐齒輪副傳動。工業(yè)機器人核心部件-諧波減速器

機器人驅動系統(tǒng)要求傳動系統(tǒng)間隙小、剛度大、輸出扭矩高以及減速比大，常用的減速機構有：

1）RV減速機構；

2）諧波減速機械；

3）擺線針輪減速機構；

4）行星齒輪減速機械；

5）無側隙減速機構；

6）蝸輪減速機構；

7）滾珠絲杠機構；

8）金屬帶／齒形減速機構；

9）球減速機構。

其中諧波減速器廣泛應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。

以下內容摘自百度百科（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生彈性機械波來傳遞動力和運動的一種行星齒輪傳動。

（一）傳動原理

它主要由三個基本構件組成：

（1）帶有內齒圈的剛性齒輪（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成滾輪，與柔輪1的內壁相互壓緊。柔輪為可產生較大彈性變形的薄壁齒輪，其內孔直徑略小于波發(fā)生器的總長。波發(fā)生器是使柔輪產生可控彈性變形的構件。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……，周而復始地進行，從而實現柔輪相對剛輪沿波發(fā)生器H相反方向的緩慢旋轉。

在傳動過程中，波發(fā)生器轉一周，柔輪上某點變形的循環(huán)次數稱為波數，以n表示。常用的是雙波和三波兩種。雙波傳動的柔輪應力較小，結構比較簡單，易于獲得大的傳動比。故為目前應用最廣的一種。

諧波齒輪傳動的柔輪和剛輪的周節(jié)相同，但齒數不等，通常采用剛輪與柔輪齒數差等于波數，即

z2－z1=n

式中z2、z2--分別為剛輪與柔輪的齒數。

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，z2－z1=2，柔輪齒數很多。上式負號表示柔輪的轉向與波發(fā)生器的轉向相反。由此可看出，諧波減速器可獲得很大的傳動比。

（二）特點

1．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（重疊系數）比較多，因而單位面積載荷小，承載能力較其他傳動形式高。

2．傳動比大單級諧波齒輪傳動的傳動比，可達i=70～500。

3．體積小、重量輕。

4．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，工藝復雜。

諧波減速器在國內于六七十年代才開始研制，到目前已有不少廠家專門生產，并形成系列化。廣泛應用于電子、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)的應用也逐漸增多。

伺服電機選型－－慣量匹配

在伺服系統(tǒng)選型及調試中，常會碰到慣量問題。其具體表現為：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，再根據機械的實際動作要求及加工件質量要求來具體選擇具有合適慣量大小的電機；在調試時，正確設定慣量比參數是充分發(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、根據牛頓第二定律：“進給系統(tǒng)所需力矩T=系統(tǒng)傳動慣量J×角加速度θ角”。加速度θ影響系統(tǒng)的動態(tài)特性，θ越小，則由控制器發(fā)出指令到系統(tǒng)執(zhí)行完畢的時間越長，系統(tǒng)反應越慢。如果θ變化，則系統(tǒng)反應將忽快忽慢，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θ的變化小，則J應該盡量小。2、進給軸的總慣量“J＝伺服電機的旋轉慣性動量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、聯軸器等直線和旋轉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)響應都有影響。慣量大，系統(tǒng)的機械常數大，響應慢，會使系統(tǒng)的固有頻率下降，容易產生諧振，因而限制了伺服帶寬，影響了伺服精度和響應速度，慣量的適當增大只有在改善低速爬行時有利，因此，機械設計時在不影響系統(tǒng)剛度的條件下，應盡量減小慣量。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，對慣量匹配原則有不同的選擇，且有不同的作用表現。不同的機構動作及加工質量要求對JL與JM大小關系有不同的要求，但大多要求JL與JM的比值小于十以內。一句話，慣性匹配的確定需要根據機械的工藝特點及加工質量要求來確定。對于基礎金屬切削機床，對于伺服電機來說，一般負載慣量建議應小于電機慣量的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成的（可以去查機械設計手冊）。我們曾經做過一試驗，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，運轉一切正常！三、慣量的理論計算的功式？慣量計算都有公式，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。負載的轉動慣量肯定是要設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，可以通過調整伺服的過程測出負載的慣量，作為理論設計中的計算的參考。畢竟在設計階段，很多類似摩擦系數之類的參數只能根據經驗來猜，不可能準確。理論設計中的計算的公式：（僅供參考）通常將轉動慣量J用飛輪矩GD2來表示，它們之間的關系為J=mp^2=GD^2/4g式中m與G－轉動部分的質量（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計手冊的。四、關于摩擦系數？關于摩擦系數，一般電機選擇只是考慮一個系數加到計算過程中，在電機調整時通常都不會考慮。不過，如果這個因素很大，或者講，足以影響電機調整，有些日系通用伺服，據稱有一個參數是用來專門測試的，至于是否好用，本人沒有用過，估計應該是好用的。有網友發(fā)貼說，曾有人發(fā)生過這樣的情況：設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不是同一個問題。摩擦系數是不變值，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。況且沒有設計依據，這個最好是在機械狀態(tài)上解決，沒有好的機械狀態(tài)，伺服調整完全是一句空話。還有，黏性阻尼跟機械結構設計、加工、裝配等相關，這些在選型時是必須考慮的。而且跟摩擦系數也是息息相關的，正是因為加工水平不夠才造成的摩擦系數不定，不同點相差較大，甚至技術工人裝配水平的差異也會導致很大的差異，這些在電機選型時必須要考慮的。這樣，才會有保險系數，當然歸根結底還是電機功率的問題。五、慣量的理論計算后，微調修正的簡單化可能有些朋友覺的：太復雜了！實際情況是，某品牌的產品各種各樣的參數已經確定，在滿足功率，轉矩，轉速的條件下，產品型號已經確定，如果慣量仍然不能滿足，能否將功率提高一檔來滿足慣量的要求？答案是：功