機器人底座旋轉(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 機器人產(chǎn)品存在的問題

近些年,隨著世界科技水平和科研實力的不斷提高,機器人行業(yè)不斷涌現(xiàn)出新技術(shù)、新產(chǎn)品,機器人的穩(wěn)定性和實用性也越來越高,機器人實現(xiàn)了走出實驗室,融入人們?nèi)粘Ｉ畹哪繕薣1-2]。在這一背景下,各種各樣的機器人產(chǎn)品進入市場。當前,機器人產(chǎn)品雖然種類繁多,但是質(zhì)量良莠不齊。市場調(diào)研發(fā)現(xiàn),目前市場上的機器人產(chǎn)品主要存在三方面問題[3-7]。

(1) 機器人產(chǎn)品穩(wěn)定性和實用性存在缺陷。機器人產(chǎn)品功能性與自身結(jié)構(gòu)的匹配度不高,使機器人整機的穩(wěn)定性和魯棒性降低,最終導(dǎo)致研發(fā)制造成本高,后期維護維修難度大。

(2) 機器人產(chǎn)品能夠完成的功能越來越強大,如擁有視覺、觸覺、自主學(xué)習(xí)特征,機器人的動作也由原來的簡單行走動作變化到跑步避障、跳躍等靈活動作,由此機器人整機的靈活性大大提升,自由度數(shù)量從幾個到幾十個,甚至上百個,控制系統(tǒng)設(shè)計相當煩瑣復(fù)雜,對機器人結(jié)構(gòu)提出了很高的穩(wěn)定性要求[8],并且一個簡單的動作需要通過冗余煩瑣的驅(qū)動系統(tǒng)來控制實現(xiàn)。

(3) 機器人產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新性不高。機器人功能的實現(xiàn)基于機器人的機械結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)創(chuàng)新不足會制約機器人行業(yè)的進一步發(fā)展。采用人工智能軟件并不能改善現(xiàn)有狀況[9]。另一方面,機器人的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動控制系統(tǒng)匹配度不高,會導(dǎo)致機器人完成動作的質(zhì)量和效率不高。

2 機器人底座旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計

筆者設(shè)計了一種機器人底座旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu),有一定的開放性,可搭載并輔助配合機械手臂完成各種動作,也可作為機器人腰部結(jié)構(gòu),實現(xiàn)正反旋轉(zhuǎn)動作,并且控制系統(tǒng)簡單。利用雙向輸出軸伺服電機搭載電磁離合器,通過齒輪傳動,實現(xiàn)機器人底座旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的正反旋轉(zhuǎn)。整個機器人底座旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)屬于開放式傳動,傳動效率高,性能穩(wěn)定,而且維修方便。此外,基于機器人底座旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計的控制系統(tǒng)簡單,僅控制電磁離合器和伺服電機轉(zhuǎn)速,即可完成機器人的既定動作。

機器人底座旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)包括機器人底板、伺服電機驅(qū)動單元、正反向旋轉(zhuǎn)單元、蓋板等主要部分。工作時,伺服電機啟動,將運動傳遞至電磁離合器輸出軸。電磁離合器搭載錐齒輪,通過控制電磁離合器的吸合或分離,可實現(xiàn)運動的傳遞或分離。當電磁離合器吸合時,運動通過錐齒輪傳遞,并改變運動傳遞的方向,最終可實現(xiàn)機器人底座旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的正反向旋轉(zhuǎn)。若搭載機械手臂,則機器人底座旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)可輔助機械手臂完成動作。若搭載仿人機器人上半身,則機器人底座旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)可作為腰部結(jié)構(gòu),配合上半身完成動作。

機器人底座旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機器人底座旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)

3 工作原理

雙軸伺服電機產(chǎn)生運動和動力,雙向傳遞到反轉(zhuǎn)電磁離合器和正轉(zhuǎn)電磁離合器。兩個電磁離合器分別通過平鍵連接正轉(zhuǎn)電磁離合器齒輪和反轉(zhuǎn)電磁離合器齒輪。當反轉(zhuǎn)電磁離合器處于斷電分離狀態(tài)時,電磁離合器吸盤吸力為零,正轉(zhuǎn)電磁離合器處于通電吸合狀態(tài)。此時,雙軸伺服電機產(chǎn)生的運動和動力將傳遞到正轉(zhuǎn)電磁離合器齒輪中,然后通過正轉(zhuǎn)過渡齒輪、正轉(zhuǎn)齒輪及內(nèi)齒圈改變運動的傳遞方向,實現(xiàn)蓋板轉(zhuǎn)動,最終使運動執(zhí)行機構(gòu)正向旋轉(zhuǎn)。這一過程中,反轉(zhuǎn)電磁離合器處于斷電分離狀態(tài),反轉(zhuǎn)電磁離合器軸一直空轉(zhuǎn)。當雙軸伺服電機開始旋轉(zhuǎn)后,正轉(zhuǎn)電磁離合器處于斷電分離狀態(tài),正轉(zhuǎn)電磁離合器軸空轉(zhuǎn),反轉(zhuǎn)電磁離合器處于通電吸合狀態(tài),通過反轉(zhuǎn)過渡齒輪、反轉(zhuǎn)電磁離合器齒輪及內(nèi)齒圈傳遞并改變運動的傳遞方向,最終實現(xiàn)運動執(zhí)行機構(gòu)反向旋轉(zhuǎn)。這一過程中,正轉(zhuǎn)電磁離合器處于斷電分離狀態(tài),正轉(zhuǎn)電磁離合器軸一直空轉(zhuǎn)。

4 最大負載計算

機器人底座旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)各齒輪參數(shù)見表1。

表1 齒輪參數(shù)

根據(jù)表1計算機器人底座旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的傳動比i為3.5。選擇的雙軸伺服電機額定輸出扭矩T為7.5 N·m,由此計算機器人底座的最大負載T0為:

T0=ρiT/N=21 N·m

式中:ρ為傳動效率,ρ取0.96;N為安全因數(shù),N取1.2。

5 結(jié)束語

筆者設(shè)計了一種機器人底座旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu),在傳統(tǒng)的輪系傳動上進行創(chuàng)新,利用齒輪搭載電磁離合器,通過切換電磁離合器狀態(tài),實現(xiàn)運動的傳遞或分離,將運動傳遞到與機器人蓋板連接的錐齒輪,實現(xiàn)正反旋轉(zhuǎn)。對機器人底座的最大負載進行了計算,得到最大負載為21 N·m。

機器人底座旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)為開放式傳動,在運轉(zhuǎn)時,易于觀察內(nèi)部工作狀態(tài),結(jié)構(gòu)簡單可靠,運動傳遞精確,控制系統(tǒng)簡單易操作,僅要求對伺服電機轉(zhuǎn)速和電磁離合器開關(guān)狀態(tài)進行控制,穩(wěn)定性高。

機器人底座旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)可以搭載不同的執(zhí)行機構(gòu),并提供正反兩個方向的旋轉(zhuǎn),為下一步研究奠定了基礎(chǔ)。機器人底座旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)可以適應(yīng)不同的工作場合,能夠輔助工作人員完成相應(yīng)的工作。