機器人腰部旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計

□ 胡艷凱 □ 徐瑞超

陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院 西安 710300

1 設(shè)計背景

在“中國制造2025”政策引導(dǎo)下,機器人智能化得到了迅速發(fā)展,眾多高校、科研機構(gòu)、企業(yè)加大了對機器人產(chǎn)品的研發(fā)力度[1-3]。調(diào)研和分析目前應(yīng)用比較廣泛的機器人產(chǎn)品,發(fā)現(xiàn)主要存在三方面問題[4-5]。第一,目前市場上的機器人雖然功能強大,但是結(jié)構(gòu)設(shè)計較為傳統(tǒng),對機器人腰部的研究和設(shè)計不多,大部分用機器人上肢與腿部的配合來代替腰部的功能。事實上,機器人腰部結(jié)構(gòu)對整體穩(wěn)定性的提升至關(guān)重要,可以補償由上肢運動產(chǎn)生的質(zhì)心偏移,提高整機穩(wěn)定性[6-7]。第二,機器人產(chǎn)品的穩(wěn)定性和核心部件的利用效率不高,復(fù)雜的控制系統(tǒng)使機器人整體穩(wěn)定性較差,維修困難。一些產(chǎn)品的核心部件成本高昂,但只能完成某一個特定動作,核心部件的利用率低,使用性能無法充分發(fā)揮。第三,機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新性不高,大都是利用已存在的傳統(tǒng)機械結(jié)構(gòu),不能與先進(jìn)的軟件匹配,導(dǎo)致機器人功能的發(fā)揮不穩(wěn)定,產(chǎn)品的質(zhì)量和使用壽命受到影響。

筆者對機器人腰部進(jìn)行了創(chuàng)新性研究,設(shè)計了一種機器人腰部旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu),可以搭載不同的本體結(jié)構(gòu),適應(yīng)不同的工作環(huán)境。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

筆者所設(shè)計的機器人腰部旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)主要特點為僅由一個伺服電機驅(qū)動,在機器人運轉(zhuǎn)時,不改變伺服電機的轉(zhuǎn)向,控制電磁離合器的狀態(tài),即可實現(xiàn)機器人左右旋轉(zhuǎn)。機器人腰部旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)通過直齒輪傳遞運動和動力,通過錐齒輪傳動改變運動的傳遞方向,搭配控制系統(tǒng)實現(xiàn)機器人的轉(zhuǎn)動。機器人腰部旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)采用創(chuàng)新性設(shè)計,突破了傳統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)的限制,利用電磁離合器作為核心調(diào)速元件,更好地控制機構(gòu)運動,利用齒輪傳動的傳動比固定、傳遞運動直接、效率高等特點,充分地發(fā)揮出各結(jié)構(gòu)零部件的優(yōu)勢。

機器人腰部旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)主要由腰部底盤、驅(qū)動機構(gòu)、運動傳遞機構(gòu)、腰部蓋板四部分組成。驅(qū)動機構(gòu)主要由雙軸伺服電機、正轉(zhuǎn)離合器、反轉(zhuǎn)離合器組成。運動傳遞機構(gòu)主要由錐齒輪和直齒輪構(gòu)成,通過控制伺服電機及離合器,實現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn),通過錐齒輪和直齒輪將運動傳遞到腰部蓋板,實現(xiàn)機器人的轉(zhuǎn)動。運動傳遞機構(gòu)固定在機器人腰部底盤上。機器人腰部旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.正轉(zhuǎn)支撐軸;2.正轉(zhuǎn)輸入齒輪;3.正轉(zhuǎn)離合器齒輪;4.正轉(zhuǎn)輸出齒輪;5.正轉(zhuǎn)離合器;6.正轉(zhuǎn)離合器支架;7.正轉(zhuǎn)輸出軸;8.蓋板支架;9.反轉(zhuǎn)輸出軸;10.反轉(zhuǎn)離合器支架;11.反轉(zhuǎn)離合器;12.反轉(zhuǎn)離合器齒輪;13.反轉(zhuǎn)輸出齒輪;14.反轉(zhuǎn)支撐軸;15.反轉(zhuǎn)輸入齒輪;16.電機支架;17.電機;18.軸套;19.底盤;20.推力球軸承;21.蓋板;22.內(nèi)齒圈

腰部底盤主要用于支撐驅(qū)動機構(gòu)、運動傳遞機構(gòu)及腰部蓋板,可以降低整個結(jié)構(gòu)的質(zhì)心,提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。腰部蓋板由蓋板、內(nèi)齒圈、蓋板支架、推力球軸承組成,內(nèi)齒圈與蓋板內(nèi)圈通過過盈配合連接,推力球軸承安裝在蓋板上,通過蓋板支架將蓋板支撐在電機支架上。在運動過程中,根據(jù)不同的控制命令,可以使蓋板正反轉(zhuǎn)動。

驅(qū)動機構(gòu)由正轉(zhuǎn)離合器齒輪、正轉(zhuǎn)離合器、正轉(zhuǎn)離合器支架、正轉(zhuǎn)輸出軸、反轉(zhuǎn)輸出軸、反轉(zhuǎn)離合器支架、反轉(zhuǎn)離合器、反轉(zhuǎn)離合器齒輪、電機支架、雙軸伺服電機、軸套組成。當(dāng)正轉(zhuǎn)離合器處于通電吸合狀態(tài),反轉(zhuǎn)離合器處于斷電分離狀態(tài)時,運動和動力扭矩通過雙軸伺服電機傳遞到正轉(zhuǎn)離合器齒輪上,繼續(xù)傳遞到運動傳遞機構(gòu),使機器人腰部正轉(zhuǎn)運動。由于反轉(zhuǎn)離合器斷電,此時只能傳遞運動,不能產(chǎn)生動力扭矩,因此反轉(zhuǎn)離合器齒輪處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)。當(dāng)正轉(zhuǎn)離合器處于斷電分離狀態(tài),反轉(zhuǎn)離合器處于通電吸合狀態(tài)時,運動和動力的傳遞正好相反,此時正轉(zhuǎn)離合器齒輪處于空轉(zhuǎn)狀態(tài),反轉(zhuǎn)離合器齒輪將運動和動力傳遞到運動傳遞機構(gòu),使機器人腰部反轉(zhuǎn)運動。雙軸伺服電機通過軸套分別與正轉(zhuǎn)離合器、反轉(zhuǎn)離合器相連,整個驅(qū)動機構(gòu)通過電機支架及輔助零部件固定在底盤上。

運動傳遞機構(gòu)主要包括正轉(zhuǎn)支撐軸、正轉(zhuǎn)輸入齒輪、正轉(zhuǎn)輸出齒輪、反轉(zhuǎn)輸出齒輪、反轉(zhuǎn)支撐軸、反轉(zhuǎn)輸入齒輪等零部件。當(dāng)正轉(zhuǎn)離合器處于通電吸合狀態(tài),反轉(zhuǎn)離合器處于斷電分離狀態(tài)時,運動和動力經(jīng)過正轉(zhuǎn)離合器齒輪、正轉(zhuǎn)輸入齒輪、正轉(zhuǎn)輸出齒輪,傳遞到內(nèi)齒圈,帶動機器人腰部正轉(zhuǎn)運動,此時反轉(zhuǎn)離合器齒輪處于空運行狀態(tài)。當(dāng)正轉(zhuǎn)離合器處于斷電分離狀態(tài),反轉(zhuǎn)離合器處于通電吸合狀態(tài)時,運動和動力經(jīng)過反轉(zhuǎn)離合器齒輪、反轉(zhuǎn)輸入齒輪、反轉(zhuǎn)輸出齒輪,傳遞到內(nèi)齒圈,帶動機器人腰部反轉(zhuǎn)運動,此時正轉(zhuǎn)離合器齒輪處于空運行狀態(tài)。正轉(zhuǎn)輸入齒輪、正轉(zhuǎn)輸出齒輪通過平鍵固定在正轉(zhuǎn)支撐軸上,反轉(zhuǎn)輸出齒輪、反轉(zhuǎn)輸入齒輪通過平鍵固定在反轉(zhuǎn)支撐軸上,正轉(zhuǎn)支撐軸和反轉(zhuǎn)支撐軸通過軸承及輔助零部件與底盤連接,使兩個支撐軸能夠在底盤上轉(zhuǎn)動。

機器人腰部結(jié)構(gòu)在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時為對稱設(shè)計。當(dāng)正轉(zhuǎn)離合器通電吸合,反轉(zhuǎn)離合器處于斷電分離狀態(tài)時,運動依次通過雙軸伺服電機、正轉(zhuǎn)離合器齒輪、正轉(zhuǎn)輸入齒輪、正轉(zhuǎn)輸出齒輪,傳遞到內(nèi)齒圈,帶動蓋板正轉(zhuǎn),此時反轉(zhuǎn)機構(gòu)部分不參與動力傳遞。當(dāng)正轉(zhuǎn)離合器斷電分離,反轉(zhuǎn)離合器處于通電吸合狀態(tài)時,運動依次通過雙軸伺服電機、反轉(zhuǎn)離合器齒輪、反轉(zhuǎn)輸入齒輪、反轉(zhuǎn)輸出齒輪,傳遞到內(nèi)齒圈,帶動蓋板反轉(zhuǎn),此時正轉(zhuǎn)機構(gòu)部分不參與動力傳遞。

3 結(jié)構(gòu)計算

根據(jù)所設(shè)計的機器人腰部旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)及功能,對機器人轉(zhuǎn)動進(jìn)行理論計算。各齒輪參數(shù)見表1。

表1 齒輪參數(shù)

電機的型號為86BYG250,額定扭矩T1為8.5 N·m,機器人腰部旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)負(fù)載扭矩T為:

T=ηiT1/n

(1)

式中:n為安全因數(shù),n=1.2;η為傳遞效率,η=0.95;i為齒輪傳動比。

經(jīng)過計算,得到機器人腰部旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的負(fù)載扭矩為35.63 N·m。

4 結(jié)束語

筆者設(shè)計了一種機器人腰部旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu),在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行創(chuàng)新,利用離合器作為核心部件,搭配齒輪傳動,實現(xiàn)腰部旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的正反轉(zhuǎn)動作。機器人腰部旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)屬于閉式齒輪傳動,驅(qū)動機構(gòu)和運動傳遞機構(gòu)在相對密閉的空間內(nèi)工作,位于封閉的底盤與蓋板之間,傳動效率高,具有良好的潤滑條件,處于清潔的工作環(huán)境中,穩(wěn)定性較高,并且具有合理的工作壽命。

筆者設(shè)計的機器人腰部旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍有一定的開放性,可以作為關(guān)節(jié)搭載機械手臂,應(yīng)用在企業(yè)或工廠,用于搬運貨物;也可以搭載機器人上肢和下肢作為仿人機器人的腰部結(jié)構(gòu),提高仿人機器人整體的穩(wěn)定性及質(zhì)心偏移的補償性;還可以搭載平板小車及攝像頭,實現(xiàn)巡查或監(jiān)測功能。