可換電動機的機械臂關節

李胤鑌， 羅炳任， 牙舉輝， 鄺禹聰

（華南理工大學 廣州學院，廣州510800）

0 引 言

隨著機械臂的應用越來越廣泛，機械臂的種類也分成工業級的和桌面式的。機械臂不但可以代替人手做重復性的工作，還可以代替人類做危險的工作，大大地幫助人類解放雙手，而且還保證了絕大部分工作的安全。機械臂的運用不但可以節省人力，還可以節省時間。然而現在的機械臂關節還處在固定電動機的形式上，無法更換電動機，當想使用其他類型的電動機來控制時，就要重新買一套機械臂的關節，這不但增加了更多的成本，還很占用資源。如果有一款機械臂關節可以換電動機，就可以減少資金上的花費，還能根據情況進行調節更換電動機。例如當需要精度時，就可以換上步進電動機，當需要速度時，就可以換上直流電動機，甚至還能直流電動機與步進電動機結合，達到更好的操作效果，這樣就可以在成本上減少消耗，還能得到更廣泛的使用，以充分地發揮機械臂關節的作用。所以機械臂關節的電動機更換是本文的研究重點。

1 機械臂關節的工作流程

首先由單片機發送指令給電動機，電動機帶動主動輪轉動，通過主動輪帶動從動輪轉動。由于從動輪跟軸相連接，軸帶動減速器里的太陽輪轉動，太陽輪轉動時，帶動行星輪轉動，行星輪轉動時，帶動行星架蓋轉動，最后由行星架蓋的4個孔位帶動另一個機械臂關節轉動。當想更換電動機的時候，就可以打開機械臂側壁的一片外蓋，然后更換電動機，在電動機軸上裝上齒輪，然后合上外蓋，就可以繼續使用了。

2 機械臂關節的工作原理

電動機上的主動齒輪帶動減速器軸上的從動齒輪轉動時，因為齒輪大小和齒數相同，可以達到等效傳動。當軸接收到動力后就會傳動到太陽輪上，太陽輪與齒圈夾著3個行星輪，3個行星輪以等邊三角形放置，讓太陽輪不會產生某個方向的額外作用力。當太陽輪轉動時，又會帶動著3個行星輪轉動，而行星輪又分2個齒輪部分，分別位于上下兩端，當下齒輪轉動時，上齒輪也被帶動，由于上齒輪與下齒輪的齒數不同，因此產生速度差，從而達到減速的效果。上齒輪轉動時，就會帶動著行星架蓋轉動，而行星架蓋上有4個孔位，用于與另一個機械臂關節結合限位，這樣就可以利用4個孔位來帶動另一個機械臂關節轉動了。

3 機械臂關節的結構介紹

3.1 機械臂關節的外殼

機械臂關節由外殼為基礎，圓筒形的外殼（如圖1）可以大幅度地減少空間的占用，也可以減少材料的消耗，如果設計為方形外殼的話，不但邊角可能會對人造成割傷，還很消耗材料。在圓筒內部的中間偏下處有一個平面，上面有4個孔，用于減速器與圓筒外殼相互固定。同時在減速器兩端有8個孔，用于與其他機械臂關節連接，在外殼側壁有一大片圓弧形開口為電動機更換裝置的放置位置。

3.2 電動機更換裝置

圖1 機械臂關節的外殼

電動機的更換意味著一個裝置要同時適應多種電動機，但是不同的電動機，不但轉軸大小不一，而且電動機本身大小也不一樣。于是采用了左輪手槍的設計思路，通過打開一邊的蓋子，把換子彈的原理運用在更換電動機上。而不同的電動機之間都有一個共同點，螺絲孔都在電動機的前方，針對電動機的孔距不同設計了孔槽，孔槽的擺放角度不同，所擁有的功能也不同，比如橫孔槽一般用于平行移動物體所用，如豎孔槽可用于不同電動機的孔距大小的配合。但這樣容易在電動機轉動時，使螺絲對這孔槽上的一個點以垂直的力進行壓迫，容易產生形變，所以在設計中采用了斜孔槽。斜孔槽是豎孔槽傾斜一定角度所得，它可以分散螺絲對孔槽的作用力，而且也不影響對電動機孔位距離不同的配合。

現在的電動機孔位多為步進電動機的正方形4個孔和直流電動機的六孔式和兩孔式，所以孔的設計就根據了6個孔和4個孔的位置來設計，但由于機械臂中不同部位的機械臂關節大小是不一樣的，所以電動機更換裝置上的孔距上限和下限都有所不同，所以就以其中一個機械臂關節的電動機更換裝置為例進行說明。此款電動機更換裝置上所承載的電動機對角孔距上限為60 mm，下限為30 mm，而市面的步進電動機如圖4所示，其對角孔距為43 mm，這樣就可以放進電動機更換裝置里的孔槽的中間位置左右。直流電動機如圖5所示，其直徑為φ31 mm，6個孔之間為60°均布，所以適合電動機更換裝置中的六孔型孔槽。這樣就可以達到更換電動機的效果。因為步進電動機的前面還有一圈小凸臺，所以在中間還要預留了可以放進小凸臺的孔。

圖2 電動機更換裝置

圖3 孔位

圖4 步進電動機底孔

圖5 直流電動機底孔

承載電動機需要一個平臺，在計算了某個部位所能使用的步進電動機和直流電動機的直徑后，對比機械臂的外殼半徑，得出以機械臂外殼的圓心為平臺圓邊的頂點，再以圖2中的機械臂關節的1/3側壁的中心點為圓心，作出一個平臺，當把電動機裝上后，在電動機的軸上固定上1個齒輪，由電動機帶動著這個齒輪，再帶動減速器上的齒輪，從而完成后續傳動。

3.3 機械臂關節的減速器

在減速器的不同種類中，行星輪減速器（如圖6）具有體積小、精度高、工作穩定的特點。主要由軸、行星架、太陽輪、行星輪、內齒圈組成，太陽輪為主動件，行星輪為從動件。當電動機帶動軸轉動后，軸帶動著太陽輪轉動，然后通過行星輪下半部分與太陽輪和內齒圈的齒輪嚙合進行減速傳動，行星輪上半部分與行星架蓋進行傳動輸出，最后由行星輪蓋上的4個孔位進行限位輸出，實現整個減速器的減速傳動。減速器的減速差可以通過齒數進行調控，齒輪的傳動公式是：傳動比=從動輪齒數/主動輪齒數。

4 機械臂關節的整體結構

如圖7所示，通過拆卸機械臂關節側壁上的螺絲，使其側壁打開，通過擰螺絲的方式更換電動機，把齒輪固定在電動機軸上，使其與減速器軸上的齒輪嚙合即可完成電動機的更換。

圖6 行星輪減速器

圖7 機械臂關節整體模塊

5 結 語

本文介紹的是一款可以適用于多個場合的機械臂關節，通過更換電動機用于各個場合，在機械臂操作過程中，需要速度而不需要太高精度時，就可以都換上直流電動機，當需要精度而不太需要速度時，就可以都換上步進電動機，當精度與速度都需要時，就可以一部分機械臂關節換上直流電動機，一部分機械臂關節換上步進電動機。既方便后續的操作，還節省了買多個不同電動機機械臂關節的成本。