六自由度工業(yè)機(jī)器人本體設(shè)計(jì)思路分析與研究

摘 要：以國內(nèi)外主流六自由度工業(yè)機(jī)器人為背景，探討了其機(jī)械本體設(shè)計(jì)開發(fā)思路與一般步驟。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人 平衡 慣量匹配 諧波 RV

世界上的工業(yè)機(jī)器人供應(yīng)商分為日系和歐系，而國內(nèi)自主生產(chǎn)的大部分機(jī)器人以日系為原型，根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)狀進(jìn)行仿制與優(yōu)化，其結(jié)構(gòu)大同小異，機(jī)械本體的設(shè)計(jì)也有其一定規(guī)則思路。

1.根據(jù)機(jī)器人的工作對象，工作任務(wù)與環(huán)境，確定設(shè)計(jì)要求

目前主流的工業(yè)機(jī)器人分為弧焊，點(diǎn)焊，搬運(yùn)，噴涂，鑄造，碼垛，裝配機(jī)器人等，根據(jù)其不同的應(yīng)運(yùn)場合確定其不同的手腕負(fù)載級別，精度級別，工作速度，防護(hù)等級。設(shè)計(jì)新型機(jī)器人時(shí)，要充分考慮以上諸多因素，在遵循可靠性原則下，控制成本，并應(yīng)多參考國內(nèi)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)機(jī)型，參考其設(shè)計(jì)參數(shù)，經(jīng)過反復(fù)研究和比較，確定出所要機(jī)械部分的特點(diǎn)，定出設(shè)計(jì)方案。

2.機(jī)器人手臂的平衡

針對負(fù)載較大的機(jī)器人，平衡其手臂自身的重力矩，使驅(qū)動器基本上只需克服機(jī)器人運(yùn)動時(shí)的慣性力，而忽略重力矩的影響。從而可以減小驅(qū)動器的功率和體積，改善機(jī)器人的動力學(xué)特性，提高機(jī)器人的總體性能。工業(yè)機(jī)器人的平衡方式主要有重力式，彈簧式，液壓和氣動式。

2.1.配重平衡式，結(jié)構(gòu)簡單，易于調(diào)整，工作可靠，但增加了關(guān)節(jié)負(fù)載和自身慣量，適合于不平衡力較小的情況；

2.2.彈簧平衡式，結(jié)構(gòu)簡單，效果好，工作可靠，但平衡范圍小，適合于中小負(fù)載；

2.3.液壓和氣動平衡式，其最大的特點(diǎn)是壓力可調(diào)，平衡力大，體積小巧，可實(shí)現(xiàn)不同負(fù)載下的平衡。適合于中高負(fù)載；

3.機(jī)器人動力學(xué)分析

機(jī)器人各軸的重力矩均已基本平衡，故在這些軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)主要需克服的是由各軸轉(zhuǎn)動慣量所帶來的動力矩。

計(jì)算各軸的轉(zhuǎn)動慣量時(shí)，以各軸可能出現(xiàn)的最大轉(zhuǎn)動慣量位置作為計(jì)算基準(zhǔn)，在沒有具體設(shè)計(jì)出各零部件及材料時(shí)，可以參考國內(nèi)外相關(guān)機(jī)型的參數(shù)，進(jìn)行一個(gè)大概的計(jì)算，以便減速機(jī)及電機(jī)的選型。

4.電機(jī)及減速機(jī)的選型

目前市面上的工業(yè)機(jī)器人基本以交流伺服電機(jī)為主，由于伺服電機(jī)的自身重量會增加機(jī)器人的負(fù)擔(dān)，尤其是某些結(jié)構(gòu)的機(jī)器人，電機(jī)裝在末端的，故在同等功率下，盡可能選擇體積小，重量輕的電機(jī)。伺服電機(jī)的選型應(yīng)滿足以下條件：

4.1.電機(jī)最大轉(zhuǎn)速>各軸最大運(yùn)動速度；

4.2.慣量匹配：慣量比=（負(fù)載慣量+本體慣量）/減速比的平方/電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量，慣量比<電機(jī)參數(shù)上推薦的倍數(shù)，慣量匹配對于電機(jī)選型很重要的，同樣功率的電機(jī)，有些品牌有分輕慣量，中慣量，或大慣量。慣量比小，系統(tǒng)的響應(yīng)速度快，精度高；

4.3.電機(jī)的額定扭矩與瞬時(shí)最大扭矩滿足連續(xù)負(fù)載扭矩和加速扭矩；

機(jī)器人傳動系統(tǒng)要求間隙小、剛度大、輸出扭矩高以及減速比大，常用的兩大減速機(jī)為諧波減速機(jī)，RV減速機(jī)。

諧波減速機(jī)剛性較小于后兩者，主要用于小型機(jī)器人當(dāng)中，其特點(diǎn)是重量較輕，外形尺寸較小，減速比范圍大，精度高。目前國內(nèi)也有不少成熟的諧波減速機(jī)品牌。

RV減速機(jī)其剛性較好，可用于大型的機(jī)器人。且可以長期使用不再加潤滑劑、壽命長、減速比大、低振動、高精度、保養(yǎng)便利，它的傳動效率高，但尺寸較大，重量相比諧波大。

減速機(jī)的選型要考慮負(fù)載和速比需求外，還應(yīng)考慮電機(jī)動力線纜和信號線纜的走線問題，針對防護(hù)級別較高的機(jī)器人，可以采用中空型的減速機(jī)，以便線纜可以由機(jī)器人本體內(nèi)部穿過，尤其是四軸和一軸的減速機(jī)。

5.機(jī)器人各軸傳動結(jié)構(gòu)及零部件的細(xì)化設(shè)計(jì)

上圖為典型的小型工業(yè)機(jī)器人末端結(jié)構(gòu)，5.6軸均為諧波減速機(jī)。兩個(gè)同步齒型帶傳動輸入，中間還用到了一對錐齒輪副傳動。

考慮到同步帶斷裂所帶來的安全隱患，一般中大負(fù)載的機(jī)器人均使用雙齒輪傳動，五軸也采用錐齒輪傳動，但增加了錐齒輪所帶來的裝配難度。錐齒輪的配合均采用墊片調(diào)整的方式。這樣的結(jié)構(gòu)使得四五六軸電機(jī)可以其中在一端，減少了五六軸電機(jī)線纜走線所帶來的困難。

管線布局是工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一大難題。部分小型的機(jī)器人驅(qū)動電機(jī)采用空心軸結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)較好的解決了工業(yè)機(jī)器人管線布局問題，使其不受關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動所帶來的影響。

在設(shè)計(jì)機(jī)器人各部件結(jié)構(gòu)的時(shí)候，還要充分考慮加工與裝配的方便，以便日后的維修和保養(yǎng)。故機(jī)器人設(shè)計(jì)中常用的配合方式為間隙配合。

6.機(jī)器人各零部件的強(qiáng)度校核和驗(yàn)算

設(shè)計(jì)好機(jī)器人各零部件后，需進(jìn)行強(qiáng)度剛度校核和壽命核算，尤其是各大鑄件。一般來說，為了減輕機(jī)器人自身重量，末端部分臂桿與腕體常常采用鋁合金材料，此時(shí)更需要借助相應(yīng)的應(yīng)力分析軟件進(jìn)行強(qiáng)度分析與優(yōu)化改良，并考慮鑄件的工藝性和可行性，以達(dá)到最理想的設(shè)計(jì)效果。需要校核強(qiáng)度的主要有軸承，軸，齒輪，鍵與花鍵以及螺釘。