六自由度工業機器人本體設計思路分析與研究

摘 要：以國內外主流六自由度工業機器人為背景，探討了其機械本體設計開發思路與一般步驟。

關鍵詞：工業機器人 平衡 慣量匹配 諧波 RV

世界上的工業機器人供應商分為日系和歐系，而國內自主生產的大部分機器人以日系為原型，根據國內現狀進行仿制與優化，其結構大同小異，機械本體的設計也有其一定規則思路。

1.根據機器人的工作對象，工作任務與環境，確定設計要求

目前主流的工業機器人分為弧焊，點焊，搬運，噴涂，鑄造，碼垛，裝配機器人等，根據其不同的應運場合確定其不同的手腕負載級別，精度級別，工作速度，防護等級。設計新型機器人時，要充分考慮以上諸多因素，在遵循可靠性原則下，控制成本，并應多參考國內外同類產品的先進機型，參考其設計參數，經過反復研究和比較，確定出所要機械部分的特點，定出設計方案。

2.機器人手臂的平衡

針對負載較大的機器人，平衡其手臂自身的重力矩，使驅動器基本上只需克服機器人運動時的慣性力，而忽略重力矩的影響。從而可以減小驅動器的功率和體積，改善機器人的動力學特性，提高機器人的總體性能。工業機器人的平衡方式主要有重力式，彈簧式，液壓和氣動式。

2.1.配重平衡式，結構簡單，易于調整，工作可靠，但增加了關節負載和自身慣量，適合于不平衡力較小的情況；

2.2.彈簧平衡式，結構簡單，效果好，工作可靠，但平衡范圍小，適合于中小負載；

2.3.液壓和氣動平衡式，其最大的特點是壓力可調，平衡力大，體積小巧，可實現不同負載下的平衡。適合于中高負載；

3.機器人動力學分析

機器人各軸的重力矩均已基本平衡，故在這些軸運轉時，電機主要需克服的是由各軸轉動慣量所帶來的動力矩。

計算各軸的轉動慣量時，以各軸可能出現的最大轉動慣量位置作為計算基準，在沒有具體設計出各零部件及材料時，可以參考國內外相關機型的參數，進行一個大概的計算，以便減速機及電機的選型。

4.電機及減速機的選型

目前市面上的工業機器人基本以交流伺服電機為主，由于伺服電機的自身重量會增加機器人的負擔，尤其是某些結構的機器人，電機裝在末端的，故在同等功率下，盡可能選擇體積小，重量輕的電機。伺服電機的選型應滿足以下條件：

4.1.電機最大轉速>各軸最大運動速度；

4.2.慣量匹配：慣量比=（負載慣量+本體慣量）/減速比的平方/電機轉子慣量，慣量比<電機參數上推薦的倍數，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。慣量比小，系統的響應速度快，精度高；

4.3.電機的額定扭矩與瞬時最大扭矩滿足連續負載扭矩和加速扭矩；

機器人傳動系統要求間隙小、剛度大、輸出扭矩高以及減速比大，常用的兩大減速機為諧波減速機，RV減速機。

諧波減速機剛性較小于后兩者，主要用于小型機器人當中，其特點是重量較輕，外形尺寸較小，減速比范圍大，精度高。目前國內也有不少成熟的諧波減速機品牌。

RV減速機其剛性較好，可用于大型的機器人。且可以長期使用不再加潤滑劑、壽命長、減速比大、低振動、高精度、保養便利，它的傳動效率高，但尺寸較大，重量相比諧波大。

減速機的選型要考慮負載和速比需求外，還應考慮電機動力線纜和信號線纜的走線問題，針對防護級別較高的機器人，可以采用中空型的減速機，以便線纜可以由機器人本體內部穿過，尤其是四軸和一軸的減速機。

5.機器人各軸傳動結構及零部件的細化設計

上圖為典型的小型工業機器人末端結構，5.6軸均為諧波減速機。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。

考慮到同步帶斷裂所帶來的安全隱患，一般中大負載的機器人均使用雙齒輪傳動，五軸也采用錐齒輪傳動，但增加了錐齒輪所帶來的裝配難度。錐齒輪的配合均采用墊片調整的方式。這樣的結構使得四五六軸電機可以其中在一端，減少了五六軸電機線纜走線所帶來的困難。

管線布局是工業機器人結構設計中的一大難題。部分小型的機器人驅動電機采用空心軸結構，此結構較好的解決了工業機器人管線布局問題，使其不受關節轉動所帶來的影響。

在設計機器人各部件結構的時候，還要充分考慮加工與裝配的方便，以便日后的維修和保養。故機器人設計中常用的配合方式為間隙配合。

6.機器人各零部件的強度校核和驗算

設計好機器人各零部件后，需進行強度剛度校核和壽命核算，尤其是各大鑄件。一般來說，為了減輕機器人自身重量，末端部分臂桿與腕體常常采用鋁合金材料，此時更需要借助相應的應力分析軟件進行強度分析與優化改良，并考慮鑄件的工藝性和可行性，以達到最理想的設計效果。需要校核強度的主要有軸承，軸，齒輪，鍵與花鍵以及螺釘。