一體化機(jī)器人關(guān)節(jié)的研制及應(yīng)用

金力 金湖

摘要：對(duì)國(guó)內(nèi)外一體化關(guān)節(jié)及協(xié)作機(jī)器人進(jìn)行研究，概述國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，研制了集高負(fù)質(zhì)比減速機(jī)、中空電機(jī)、力矩傳感器、雙編碼器和智能驅(qū)動(dòng)器于一體的多系列一體化機(jī)器人關(guān)節(jié)，開展了負(fù)載和精度測(cè)試試驗(yàn)，并與國(guó)內(nèi)外主要一體化關(guān)節(jié)性能進(jìn)行對(duì)比。基于一體化關(guān)節(jié)搭建了二軸、六軸和七軸機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人各關(guān)節(jié)分布式控制，解決機(jī)器人研發(fā)制造的模塊化、適用性和重構(gòu)性。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人關(guān)節(jié);協(xié)作機(jī)器人;研發(fā);模塊化

引言：

機(jī)電控一體化機(jī)器人關(guān)節(jié)是人機(jī)協(xié)作機(jī)器人的核心組成單元，作為機(jī)器人核心零部件之一，也是人機(jī)協(xié)作機(jī)器人的重要研究方向。目前，世界制造業(yè)對(duì)柔性、智能、個(gè)性化制造有著強(qiáng)勁的需求，協(xié)作機(jī)器人作為機(jī)器人的重要分支，自誕生以來(lái)，已取得了高速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程不斷加速，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。人機(jī)協(xié)作型機(jī)器人具有人機(jī)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、操作靈巧、工作效率高等突出優(yōu)點(diǎn)，必將成為未來(lái)柔性制造中不可替代的重要部分。除制造業(yè)以外，先進(jìn)的人機(jī)協(xié)作機(jī)器人還可廣泛應(yīng)用于服務(wù)業(yè)、3C 電子、汽車零部件等多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域及核能、載人航天、探月等特殊領(lǐng)域，具有廣闊發(fā)展前景。

一體化機(jī)器人關(guān)節(jié)主要分為“T型”和“I型”結(jié)構(gòu)，其中“T型”結(jié)構(gòu)安裝面與輸出面垂直，具備一定的防塵防水等級(jí)，“I型”結(jié)構(gòu)安裝面與輸出面平行，結(jié)構(gòu)更緊湊，一般嵌入式安裝于機(jī)器人殼體內(nèi)部。基于一體化機(jī)器人關(guān)節(jié)搭建的六軸/七軸協(xié)作臂，具有模塊化的特點(diǎn)，方便機(jī)器人的安裝與維護(hù)。

1、一體化機(jī)器人關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)

1.1一體化機(jī)器人關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)

一體化機(jī)器人關(guān)節(jié)，主要由力矩電機(jī)、諧波減速機(jī)、絕對(duì)值編碼器、增量編碼器、伺服驅(qū)動(dòng)器和扭矩傳感器組成，以下對(duì)各部分概要闡述。

1.2無(wú)框力矩電機(jī)

一體化機(jī)器人關(guān)節(jié)采用無(wú)框力矩電機(jī)，電機(jī)定子與關(guān)節(jié)殼體之間一般通過(guò)耐高溫樹脂膠粘接或過(guò)盈配合連接。電機(jī)轉(zhuǎn)子與電機(jī)軸之間一般通過(guò)樹脂膠粘接。無(wú)框力矩電機(jī)較大的直徑長(zhǎng)度比和較多數(shù)目的磁極，保證了電機(jī)的大扭矩輸出性能和低轉(zhuǎn)速特性，其轉(zhuǎn)子中空結(jié)構(gòu)，方便關(guān)節(jié)的內(nèi)部走線。

1.3定制諧波減速機(jī)

高精度、高傳動(dòng)比諧波減速機(jī)是一體化機(jī)器人關(guān)節(jié)的核心傳動(dòng)部件，其可實(shí)現(xiàn)大傳動(dòng)比、小體積、高精度傳動(dòng)。減速機(jī)結(jié)構(gòu)一般選用一體式高扭矩加長(zhǎng)凸輪軸結(jié)構(gòu)，柔輪為中空翻邊結(jié)構(gòu)，無(wú)框力矩電機(jī)轉(zhuǎn)子直接連接在加長(zhǎng)凸輪軸上。也有使用“三組件（柔輪、鋼輪、波發(fā)生器）”諧波減速機(jī)，在結(jié)構(gòu)上使關(guān)節(jié)整體更加緊湊，但存在由裝配精度不高而產(chǎn)生異響和振動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。

1.4中空編碼器

一體化機(jī)器人關(guān)節(jié)大部分采用雙編碼器方案，增量編碼+單圈絕對(duì)值編碼器，其中增量編碼器檢測(cè)電機(jī)端，絕對(duì)值編碼器檢測(cè)減速機(jī)輸出端，雙編碼器結(jié)構(gòu)方案可通過(guò)伺服控制來(lái)補(bǔ)償諧波減速機(jī)的背隙，提高關(guān)節(jié)輸出的旋轉(zhuǎn)精度。采用多圈絕對(duì)值單編碼器方案的一體化關(guān)節(jié)，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是需要編碼器電池供電，關(guān)節(jié)的機(jī)械精度完全由諧波減速機(jī)自身來(lái)保證，目前常用的編碼器有：透射/反射式式光電增量編碼器、電容式絕對(duì)值編碼器、磁絕對(duì)值編碼器，編碼器位數(shù)一般選用16-18位。

1.5 關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)器

關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)器采用基于FPGA+ARM+DSP分布式CPU架構(gòu)的設(shè)計(jì)，全數(shù)字式驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)方便調(diào)整，可集成復(fù)雜的電機(jī)控制算法和智能化控制功能，如增益自動(dòng)調(diào)整、網(wǎng)絡(luò)通訊等功能，EtherCAT主從站通信技術(shù)保證了機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)高實(shí)時(shí)性、高可靠性。

1.6 關(guān)節(jié)力矩傳感器

力矩傳感器用于準(zhǔn)確測(cè)量一體化關(guān)節(jié)輸出端力矩，從而更好地實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的力矩控制、碰撞檢測(cè)、阻抗控制等先進(jìn)動(dòng)力學(xué)控制算法。對(duì)于安裝力矩傳感器的關(guān)節(jié)，都需要采用進(jìn)行力矩標(biāo)定測(cè)試，從而精確擬合出關(guān)節(jié)的力矩系數(shù)。

1.7關(guān)節(jié)制動(dòng)器

一體化機(jī)器人關(guān)節(jié)使用摩擦片式制動(dòng)器，如LBRiiwa、遨博機(jī)器人關(guān)節(jié)，使用齒銷式制動(dòng)器，如優(yōu)傲機(jī)器人、科爾摩根關(guān)節(jié)等，也有無(wú)制動(dòng)器的關(guān)節(jié)，如KinovaJaco和Fetch機(jī)器人的關(guān)節(jié)。

2、一體化機(jī)器人研制與測(cè)試

基于一體化關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)，研制了“T型”和“I型”結(jié)構(gòu)系列關(guān)節(jié)，都采用雙編碼器結(jié)構(gòu)形式，關(guān)節(jié)型號(hào)包括14、17、20、20、32五個(gè)系列。關(guān)節(jié)負(fù)載和定位精度是關(guān)節(jié)的兩個(gè)基本指標(biāo)，通過(guò)對(duì)關(guān)節(jié)的試驗(yàn)測(cè)試，得到關(guān)節(jié)的參數(shù)如表所示。

3、一體化機(jī)器人關(guān)節(jié)應(yīng)用

基于研制的一體化機(jī)器人關(guān)節(jié)，搭建了六軸和七軸機(jī)械臂，六軸機(jī)械臂配置三臺(tái)25型和三臺(tái)14型“T型”一體化關(guān)節(jié)，臂展850mm負(fù)載5Kg，七軸機(jī)械臂配置三臺(tái)25型、一臺(tái)20型和三臺(tái)14“I型”型一體化關(guān)節(jié)，臂展920mm負(fù)載4Kg，機(jī)械臂各關(guān)節(jié)之間采用總線EtherCAT總線通信，關(guān)節(jié)內(nèi)部中空走線，通過(guò)對(duì)機(jī)械臂的精度和負(fù)載測(cè)試，性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4、結(jié)語(yǔ)

本文提出一體化機(jī)器人關(guān)節(jié)“T型”和“I型”兩大結(jié)構(gòu)類型分類，通過(guò)對(duì)一體化機(jī)器人關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的分析及主要零部件的研究，得出了一體化關(guān)節(jié)的一般設(shè)計(jì)方法。研制及測(cè)試了兩種系列關(guān)節(jié)，開展六軸/七軸機(jī)械臂的應(yīng)用，提出以一體化機(jī)器人關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)及應(yīng)用的幾個(gè)注意點(diǎn)：1） 諧波減速機(jī)選型與力矩電機(jī)參數(shù)要匹配，避免電機(jī)過(guò)載超過(guò)諧波的額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩，或電機(jī)扭矩低導(dǎo)致關(guān)節(jié)扭矩不夠;2）關(guān)節(jié)編碼器選型要參考關(guān)節(jié)的環(huán)境和電磁兼容性能，如光電編碼器要防止粉塵污染，磁編碼器要做電磁屏蔽，電容式編碼器要防止過(guò)熱等;3）摩擦片式關(guān)節(jié)制動(dòng)器與光電編碼器搭配使用要充分考慮摩擦片性能，防止摩擦產(chǎn)生粉塵;4）反射式光編碼器安裝容差比透射式光編碼器高，更容易安裝調(diào)試;5）一體化關(guān)節(jié)在機(jī)械臂上的應(yīng)用，要保證各軸之間屏蔽與接地，各關(guān)節(jié)的伺服參數(shù)調(diào)試影響機(jī)械臂的整體性能，如機(jī)械臂抖動(dòng)和精度等。