機器人3K行星機構關節減速器設計

李德軍鐘利華肖禮亮劉慧蘭

（1.四川科技職工大學機電研究所，四川 成都 610101；2.四川大學制造科學與工程學院，四川 成都 610065）

機器人3K行星機構關節減速器設計

李德軍1鐘利華2肖禮亮2劉慧蘭2

（1.四川科技職工大學機電研究所，四川 成都 610101；2.四川大學制造科學與工程學院，四川 成都 610065）

以3K行星齒輪機構作為模型，考慮了各種約束和設計要求，分析對比多組方案，得到了一種大傳動比、高效率、小體積的機器人關節減速器的設計方案。

行星機構；機器人；減速器

機器人關節減速器是機器人技術當中不可缺少的一個重要部分。目前機器人關節減速器主要是諧波傳動和RV傳動。諧波傳動裝置柔輪的彈性變形容易引起較大的回差，影響機器人的定位精度及動態特性，從而其應用受到限制；而RV減速器對材料要求、制造工藝和裝配工藝都有非常高的要求，目前國內還處于開發階段。行星齒輪具有傳動比大、效率高、體積小、運動平穩以及承載能力大等優點，并且其在高速、大功率場合和低速、大轉矩場合中均可運用，如數控機床、攪拌機、采掘機械以及車輛工程等場合，但應用于機器人關節減速器的設計報道較少。本文將采用3K行星機構，設計出一種大傳動比、高效率、小體積的機器人關節減速器方案。

1 3K行星機構

1.1 機構組成

3K行星機構組成如圖1 所示，1為固定內齒輪（齒數為Z1），2為輸出內齒輪（齒數為Z2），3為行星輪與齒輪1嚙合端齒輪（齒數為Z3），4為行星輪與齒輪2嚙合端齒輪（齒數為Z4，輪3和輪4組成行星輪），5為太陽輪（齒數為Z5），6為行星架。工作時，齒輪5轉動，帶動齒輪3自轉的同時還要繞著中心公轉，由于齒輪3和齒輪4是固定的，所以齒輪3和齒輪4的運動狀態相同，齒輪4再帶動齒輪2轉動，齒輪2即為減速器輸出。

1.2 機構約束條件

在進行3K行星輪減速器的設計時，必須要滿足該機構本身結構的約束條件。

（1）同心條件

要使3K輪系能夠正常轉動，它的三個基本構件的回轉軸線必須在同一條直線上，即

（2）安裝條件

在3K型傳動中，為了計算和安裝的方便，通常取所有的中心輪的齒數均為行星輪個數np的倍數，即

式中C表示整數

（3）鄰接條件

為了保證減速器中各行星輪在相互運轉的時候不產生碰撞，必須使得相鄰兩行星輪的中心距大于兩輪齒頂圓半徑之和，實際應用中其差值一般要大于齒示。AT89S51的P1.3輸出的低電平信號送到T2的基極，控制T2驅動發光二極管發光、蜂鳴器發出報警聲。AT89S51的P1.4輸出的低電平信號送到T3基極，控制T3驅動電磁繼電器閉合，使汽車轉向燈閃爍并報警。

圖5 直流穩壓電源電路

顯示電路主要由4位數碼管和8個100歐的排電阻組成。酒精濃度信號經過模數轉換、數據處理后，從單片機P0口輸出到數碼管，顯示駕駛者血液中的酒精含量。顯示電路采用動態顯示方式，數碼管的點亮或熄滅由P2.4 ～ P2.7引腳的輸出信號控制。P2.4～ P2.7循環輸出低電平，使4個數碼管輪流點亮。

2.5 點火觸發信號控制電路

點火觸發信號控制電路主要由三極管T4、電磁繼電器J1（常閉型）及電阻等組成，如圖4中所示。單片機的P1.5引腳輸出低電平信號到T1基極，控制T1驅動電磁繼電器J1斷開，汽車點火觸發信號無法送達發動機ECU，發動機無法點火啟動。

2.6 直流電源電路

直流電源電路主要由LM7805、濾波電容（C6、C8）、高頻信號旁路電容（C7、C9）組成，如圖5所示。該電路將12V車載蓄電池電壓轉變為5V直流電壓，為酒駕測量與斷電保護控制電路的各部分電路提供5V直流電壓。

3 系統控制程序設計

該系統的控制程序采用C語言進行編寫，主要包括系統初始化程序、模數轉換與數據儲存程序、數據處理程序、顯示程序、報警與點火觸發信號控制程序。系統控制程序的工作過程如下：系統上電后，單片機系統開始初始化；經5分鐘延時；按下接在P1.6腳與地線之間的呼氣按鈕，啟動模數轉換并進行酒精濃度數據儲存；轉換結束后，進行酒精濃度數據處理；顯示酒精濃度值；判斷酒精濃度是否超標，若酒精濃度不超標，則使點火觸發信號線路接通，使發動機能夠正常啟動；若酒精濃度超標，則使點火觸發信號線路維持斷開狀態，并發出聲光報警、轉向燈閃爍。

結語

目前，汽車防酒駕控制系統的硬件電路和控制程序運行正常，并且測量誤差符合預定要求（對20mg/100mL、80mg/100mL的酒精濃度進行測量，測量誤差不大于0.5%）。經過對0～200 mg/100mL多個酒精濃度的樣品進行對比測量，汽車防酒駕控制系統測量結果與標準的酒精濃度測量儀器測量結果的最大偏差在0.1mg/100mL之內。造成這種偏差的原因可能為：酒精傳感器的酒精濃度-響應電流特性曲線是近似線性關系，而實際進行數據處理時是按線性關系進行處理的；汽車防酒駕控制系統采用的顯示形式是小數點后僅顯示1位數字，精度不夠等。

[1]萬隆.單片機原理及應用技術[M].北京：清華大學出版社，2010.

[2]張靜霞.單片機應用技術（C語言版）[M].北京：電子工業出版社，2014.

[3]趙全利，張之楓.單片機原理及應用（C51版）[M].北京：機械工業出版社，2012.

[4]張文灼.單片機技術與應用[M].北京：化學工業出版社，2010.

[5]高惠芳.單片機原理與應用技術[M].北京：科學出版社，2010.

輪模數m的0.5倍，即

式中a35為齒輪3、5嚙合副的實際中心距；d35為行星輪3齒頂圓直徑。

2 設計約束條件

在實際設計過程中，除了要滿足機構本身的裝配條件之外，還要滿足工作要求條件、齒輪標準模數條件以及齒輪機構的承載能力等其他一些約束條件。

（1）齒數條件

為了避免太陽輪加工時產生根切現象，其齒數最小值應該不小于17，即

Z5≥17

（2）標準模數條件

根據經驗，一般動力傳動中模數應該在2到50之間，且取標準值，即

2≤m≤50

（3）齒寬條件

齒輪寬度系數的范圍為

0.3≤ψd≤0.6

（4）傳動比計算條件

3K行星輪減速器傳動比為

（5）傳動比誤差條件

式中i′為設計中給定傳動比，△i為傳動比偏差系數。

（6）效率條件

3K行星輪減速器傳動效率η為

式中ψ為減速器齒輪1-3嚙合、2-4嚙合的損失系數之和，其他參數同上。

（7）齒面接觸疲勞強度條件

滿足齒面接觸疲勞強度要求：

齒面接觸應力：

許用接觸應力：σHP

應滿足條件：σH≤σHP

式中：

KA為使用系數；

KV為動載荷系數；

KHβ為計算接觸強度的齒向載荷分布系數；

KHα為計算接觸強度的齒間載荷分配系數；

ZH為節點區域系數；

ZE為彈性系數；

Zε為重合度系數；

Zβ為螺旋角系數；

Ft為端面內分度圓上的名義切向力；

b為工作齒寬；

u為齒數比。

式中“+”號用于外嚙合，“-”號用于內嚙合。

下文將對太陽輪5進行齒面接觸疲勞強度的校核。

（8）齒根彎曲疲勞強度條件

滿足齒根彎曲疲勞強度要求：

齒根彎曲應力：

許用彎曲應力：σFP

應滿足條件：σF≤σFP

式中：

KFβ為計算彎曲強度的齒向載荷分布系數；

KFα為齒間載荷分布系數；

YFα為齒形系數；

YSα為應力修正系數；

Yε為重合度系數；

Yβ為螺旋角系數；其他參數意義同前。

下文將對齒輪2進行齒根彎曲疲勞強度的校核。

3 設計

設計一種機器人關節減速器，要求：使用標準齒輪，輸入功率P1= 4.5kW，輸入轉速n1=1500r/min，傳動比i=310，允許的傳動比偏差為△i=0.04，短期間斷的工作方式，每天工作16h，使用壽命8年，且要求其傳動效率η盡可能大、結構緊湊、體積較小。齒輪材料選擇20CrMnTi，滲碳淬火，齒面硬度58-62HRC，據參考文獻[7]，可取σHlim=1400N/mm2，σFlim=450N/mm2。

行星齒輪傳動的體積基本上決定了產品消耗材料的數量、制造的成本以及空間布置的難易程度，是一項非常重要的綜合性目標，而3K類行星減速器的體積主要是內齒輪1和內齒輪2的體積之和，因此選擇內齒輪1和2的體積之和作為體積計算簡化式，即

圖 1

表1

從大量初始方案中選取符合條件的最優幾組方案，見表1。

分析表1可知，三種方案的效率非常接近，在傳動比和強度等約束均滿足的條件下，方案3的體積最小，因此方案3是最好的方案。

結語

本文通過對3K行星機構結構原理以及各種約束條件的分析，結合實際機器人減速器的設計要求，設計出了一種可行的大傳動比、高效率、小體積的機器人關節減速器的設計方案，具有一定的參考與應用價值。

參考文獻

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