斜面偏轉機器人關節領域技術綜述

范建會

國家知識產權局專利局專利審查協作天津中心，天津, 300304

斜面偏轉機器人關節領域技術綜述

范建會

國家知識產權局專利局專利審查協作天津中心，天津, 300304

隨著精密制造的不斷深化，斜面偏轉關節通過其結構緊湊、強度高、柔性好以及布線方便的特點，逐步成為機器人關節領域研究中的一個重要分支，特別是在工業機器人和仿生機器人領域被廣泛應用。

機器人；斜面偏轉

1 機器人關節的分類

按照傳動機構可分為：齒輪傳動、蝸輪蝸桿傳動、鏈條傳動、帶傳動、連桿機構、繩索傳動、諧波減速傳動以及擺線針輪減速傳動[1]。仿生機器人是指模仿生物、從事生物特點工作的機器人。仿生機器人是機器人領域一個重要分支也是近年來的研究熱點，大量斜面偏轉關節技術應用于工業設計中，其主要特點是冗余自由度多，機構復雜，多由回轉關節組成，斜面偏轉關節是功能關節的常用選擇部件。

2 回轉關節的發展現狀

2.1 回轉關節的主要技術分支

工業機器人經過幾十年的發展，在汽車制造、農業、醫療救援、軍事和空間探索等眾多領域得到了廣泛的應用，生產商推出了具有斜面偏轉關節的雙臂機器人，能夠完成工件裝配、服務等復雜的任務。

為了使機器人具有更多的自由度以具有更高的適應性，并可以很大程度上縮小整體結構尺寸，目前利用蛇的仿生原理獲得的兩自由度運動關節研究前景廣闊。第一代兩自由度旋轉關節包括兩個簡單的旋轉副并連接至其他旋轉關節，從而形成蛇形機器人，這種設計使機器人的體積和質量明顯降低。隨著技術的發展，將具有驅動能力的通用副設置在新式的兩自由度的旋轉關節中，但不能滿足體積和扭曲的要求。而斜面偏轉關節的出現解決了以上問題，它使用了斜面雙旋轉副作為整體部件，并具有關節中通用副的不規則變化以及相對小的負荷體積比。NEC公司的蛇形機器人（US4683406A）是最具有偏置式旋轉關節開拓性的相關技術，它使用相對大的通用副防止來自于兩個凹槽的任何相對扭曲，但該關節依然笨重，其通用副不能對兩組件的轉速進行線性傳遞，使運動副難于控制，且偏移速度不是常量。

1995年，美國飛行器推進器實驗室開發出了一種10自由度蛇形機器人，所有關節均直接由電機控制，電機均安裝于機器人內部。然而，在JPL機器人中，為了在蛇形機器人內部布線使用了中空式的通用副，但該通用副會使整個機器人出現剛度低、易破碎的缺點。之后，美國西北太平洋國際實驗室設計了一種具有14自由度的機械手，這種設計采用具有簡單絲杠結構的通用副來驅動雙旋轉副，關節剛度增強，但成本較高、魯棒性差。

2.2 斜面偏轉關節的專利申請量趨勢分析

圖1示出了斜面偏轉關節近30年的國內外專利申請量趨勢。1995年前，斜面偏轉關節領域僅有十幾件專利申請，該階段中斜面偏轉關節均作為蛇形機器人中的關節部件，專利申請主要在于蛇形機器人運動靈活性的概念性及原理設計。這一階段的主要申請人包括諸如NEC公司，以及進行探索性研究的實驗室。

圖1 斜面偏轉關節國內外專利申請量

1995-2000年，隨著電子、材料及機械制造領域技術的不斷進步，斜面偏轉關節逐步應用于工業機器人。在這一階段，原有的研究者活躍起來，同時更多的斜面偏轉關節感興趣的申請人出現。

2001-2007年，即自精密制造業迅速發展以來，斜面偏轉關節機器人領域的專利申請進入快速增長期，2001年之后增長速度進一步加快。在這一時期，專利申請量增長十分明顯，特別是隨著日本安川電機進入這一領域，該技術領域的研發能力和專利布局能力大幅度提升，該時期實現產業化的斜面偏轉關節機器人產品也逐步增多。國內在該領域的研究也逐漸起步，2007年國內申請量達到頂峰。

2008-2015年，該領域的專利申請進入調整階段，專利申請數量逐漸減少。這可能一方面受到經濟危機的影響，另一方面也受到一些新技術的沖擊，如并聯機器人領域的不斷發展以及機器人關節相關配件性能的提升。

3 偏置式旋轉關節機器人的現狀分析

從全球的專利數據來看，偏置式旋轉關節結構研究主要集中在結構的緊湊度、強度、轉動能力、可達空間、關節柔性、中空軸組裝以及線性控制等方面。但是國內申請較為側重在關節中空結構的申請上，而國外最為注重的是關節的緊湊性和柔性的申請方面。這是由于我國對基礎部件的研究起步較晚引起的，且關節中空結構的直接影響也使得國內申請人過多地關注在關節中空結構上。

3.1 關節結構緊湊度

US4657472A是KUKA公司首次提出的一種機械臂的頭部組件，該組件包括三個部分，末段部分可以相對中段部分有傾斜角度的旋轉，從而使得整個機械臂的結構緊湊。隨后，KUKA公司對于上述設計進行改進，DE3545068A1的技術方案進一步解決了機械臂上斜面偏轉關節的擺動問題，通過對傾斜的驅動軸進行補償，增強了驅動精度。US2003010148A1中的機械臂由于斜面偏轉關節被通過兩種軸反向機構的動力源驅動，使得機械臂的控制簡化。CN1771115A是日本川崎重工提出的一種關節式機械手，其關節包括同軸關節和傾斜關節的關節式機械手，增強了關節之間的緊湊性。

3.2 關節強度

US4841795A是一種可旋轉通用副的工作頭組件，該工作頭組件包括支撐心軸和支撐臂，該具有通用副的關節中是由一組軸承與旋轉齒輪組成的，該種結構具有較高的強度。US2002166403A1是CHOSET提出的一種緊湊機器化的斜面偏轉關節。

3.3 關節柔性化

HITACHI提出了一種具有至少2個自由度的手腕機構EP0200202A2，該手腕機構被放置在一個工業機器人手臂的頂端，手腕的轉動軸的部件間的夾角不超過90°。US4904148A是一種具有可彎折關節的工業機器人，其運動關節表面與縱向軸相傾斜，傾斜的運動關節表面位于中間臂的兩側，并與之外部邊緣交叉。

3.4 關節中空軸組裝

EP0299551A1是具有軸向旋轉中空軸組裝而成的斜面偏轉關節，這種布置使多關節的工業機器人增加了若干自由度，并具有用于服務的軸向腔體。同時EP0873826A2也提供了一種簡化和中空軸的標準結構以連接機器人以及工具。CN201863207U是鴻富錦精密工業提出了一種三自由度空心手腕，包括具有轉動軸線斜交的三個關節，并且設有內部中空管道，所有管線從手腕的內部穿過連接到工具端尾部。鴻富錦精密工業又通過CN102527560A對噴涂機器人臂部件進行改進，其內部形成一個供連接至噴涂機構的管線穿設的通道，上述具有斜面偏轉關節的噴涂機器人臂部件可避免管線暴露于噴涂環境中被污染。

4 斜面偏轉關節機器人的趨勢預測

為了更真實地模擬生物體的動作和適應環境要求，因此斜面偏轉關節對機器人動作的準確性具有關鍵的作用。隨著伺服驅動、控制和傳感技術等機電技術的不斷發展，機器人斜面偏轉關節呈現出新的特征和趨勢。

4.1 關節機構的系列化、模塊化、標準化

美國、日本和德國等國家一直致力于研究具有斜面偏轉關節模塊化的蛇形機器人，其可以根據用戶需求、地形、目標、運動等組合出成千上萬種型號，通過按需配置可以縮短設計周期，降低成本，促進機器人跨越式發展。

4.2 關節機構小型化

隨著機器人面對的使用環境越來越復雜，具有高負載，大力矩、小體積、重量輕的直接驅動電機的發展促進了關節的小型化發展。斜面偏轉關節應從機構、控制電路、驅動電機、傳感器等系統配置部件的改進入手，如復合型通用副，通過優化設計出符合實際應用的伺服系統，達到最佳的耦合和匹配，從而更好地滿足了機器人高精度、小體積、低重量的要求。

4.3 傳動機構和驅動機構的新應用

隨著新型驅動器的發展，如具有人工肌肉，記憶合金，壓電陶瓷驅動等，以及一些通過微/納操作系統的斜面偏轉關節機構也會在不久的將來不斷出現。

[1]王光建,梁錫昌,蔣建東.機器人關節的發展現狀與趨勢[J].機械傳動.2004(04):1-5.

[2]范建會,趙新華,李彬.一種新型三自由度并聯機構逆運動學及其工作空間分析[J].天津理工大學學報.2013(05):16-20.

范建會/1982年生/男/天津人/碩士/研究方向為機器人