工業機器人機械系統設計教學要點分析

韓建海 郭冰菁 李向攀

摘要：為了滿足企業在轉型升級、快速發展背景下對機器人技術人才日益增加的需求，針對工業機器人機械系統設計教學存在的問題，以工業機器人機械系統的典型傳動鏈分析為例，對機械系統設計的教學要點進行歸納總結，以便于學生理解與掌握機械系統設計的核心知識點以及學習過程中存在的抽象、不易理解的問題，這有助于提高課程的教學質量。

關鍵詞：工業機器人;機械系統設計;傳動鏈;教學改革

隨著國家“機器換人”戰略的實施和企業轉型升級的推進，工業機器人的應用越來越廣泛，社會對熟練掌握機器人工作原理，懂編程操作、維護維修和故障診斷的技術人員的需求也越來越大。因此，順應教育部“新工科”的教學改革要求，開設機器人相關專業、培養社會急需人才的高校也越來越多，尤其是高職高專院校和應用型本科院校幾乎均新設了工業機器人技術及應用專業。隨著機器人技術的快速發展，工業機器人課程原有的教學大綱、課程體系、教學內容、教學方法以及師資隊伍已難以適應創新型人才培養的需要。此外，機械本體的內部結構看不見、摸不著，電機如何驅動關節運動、傳動鏈如何設計等問題，更是教學的難點，這些問題制約了學生對相關內容的理解和有效掌握。鑒于此，筆者以工業機器人機械系統的典型傳動鏈分析為例，對機械系統設計的教學要點進行歸納總結，以期提高課程的教學質量。

一、工業機器人機械系統設計

工業機器人通常由機械系統、驅動系統、控制系統和傳感系統四部分組成，其中機械系統是機器人的基礎部分，相當于人的骨骼。這部分內容是有效、扎實地學習、掌握機器人技術的機械基礎，其教學目的是讓學生了解與掌握機械結構系統的總體組成、各關節配置特點、典型傳動鏈方案設計、結構的演變與創新等內容。

工業機器人機械系統通常由機身（含基座）、臂部（含手腕）和手部三大部分組成。機身和基座相連，支撐臂部。臂部由大臂和小臂組成，大臂與機身相連，支撐小臂，小臂的末端安裝腕部，并通過腕部上的法蘭盤連接手部，手部的具體形狀由實際應用來定。

在教學過程中，針對這三部分，教師要突出關節機構實現的自由度、關節布置、傳動鏈的合理布局方案分析，并結合實驗室中的六自由度機器人實體，讓學生在課堂教學和實驗教學中深入學習不同應用場合下的工業機器人機構、傳動、驅動有機融合的一體化機械系統設計方法，為教師后續運動學、動力學分析章節的講解及探究打下基礎。

（一）機身

工業機器人的機身具有一個回轉自由度，即腰部的回轉運動。腰部要支撐整個機身繞基座進行旋轉，在機器人6個關節中受力最大，也最復雜，其既承受很大的軸向力、徑向力，又承受傾覆力矩，該關節應具有較高的運動精度和剛度。因此，腰關節多采用高剛性和高精度的RV減速器傳動，RV減速器內部有一對徑向止推球軸承，可承受機器人的傾覆力矩，能夠滿足在無基座軸承時抗顛覆力矩的要求，故可取消基座軸承。機器人腰部回轉精度靠RV減速器的回轉精度保證。

由于底座安裝空間的限制，腰部電機多采用立式倒置安裝。按照驅動電機旋轉軸線與減速器旋轉軸線是否在一條線上，可分為同軸式與偏置式兩種布置方案。同軸式布置方案多用于小型機器人，采用減速器一級減速;偏置式布置方案多用于中大型機器人，采用齒輪傳動與減速器結合的二級減速。

（二）臂部

工業機器人的臂部由大臂、小臂組成，具有2個自由度，大臂與機身相連的關節為肩關節，大臂和小臂相連的關節為肘關節。肩、肘關節承受很大扭矩（肩關節同時承受來自平衡裝置的彎矩），應具有較高的運動精度和剛度。按照電機旋轉軸線與減速器旋轉軸線是否在一條線上，肩、肘關節電機也可分為同軸式與偏置式兩種方案。以同軸式方案為例，電機與減速器同軸相連，均安裝在小臂上，減速器的輸出軸固定在大臂上端，減速器的外殼旋轉帶動小臂做相對于大臂的俯仰運動。偏置式方案中，電機軸線與減速器軸線向下偏置，電機通過一對外嚙合齒輪做一級減速，減速器做二級減速后，其外殼帶動小臂運動。

（三）腕部

工業機器人的腕部是連接手部與臂部的部件，起支撐手部的作用，手腕的自由度主要用于調整手部姿態，通常要求腕部能實現對空間3個坐標軸x、y、z的轉動，即具有回轉、俯仰和偏轉3個自由度。關節型機器人主流手腕結構多采用RBR手腕，具有小臂旋轉（R軸）、手腕擺動（B軸）和手腕旋轉（T軸）三個自由度。對于小負載機器人，手腕3個關節電機一般布置在機器人小臂內部;對于中、大負載電機，手腕3個關節電機一般布置在機器人小臂的末端，以盡量減少小臂重力的不平衡。

小臂在結構上做成前后兩段以實現小臂的旋轉運動，對于小負載機器人，機器人R軸驅動電機布置在小臂后段，超過肘關節的旋轉中心。R軸驅動電機通過諧波減速器的減速，其輸出軸轉盤帶動小臂前段旋轉，實現小臂的旋轉運動。B軸和T軸驅動電機均沿小臂軸線方向布置。B軸驅動電機的輸出，通過錐齒輪改變旋轉方向后，由同步帶將運動傳遞給諧波減速器，諧波減速器的輸出軸固定，殼體旋轉帶動安裝其上的手腕做擺動，實現B軸運動。T軸的運動傳遞與B軸相似，傳動鏈為：錐齒輪—同步帶—錐齒輪—諧波減速器—手腕。

二、典型傳動鏈設計分析

傳動鏈的設計對保證運動與動力的正確傳遞、實現機構的平衡、促進結構優化都是非常重要的，筆者以中大型負載機器人的腕部3個關節處的傳動鏈設計為例，進行教學分析。

考慮到重力平衡問題，手腕三軸驅動電機盡量向小臂的末端布置，并超過肘關節旋轉中心。手腕三軸電機可以布置成三角形，也可以布置在一條線上。下圖為手腕三軸驅動電機后置的典型傳動鏈原理圖，三軸驅動電機內置于小臂后段內。R軸驅動電機D4的輸出，通過中空型RV減速器R4，直接帶動小臂前段相對于后段旋轉，實現R軸的旋轉運動;B軸驅動電機D5的輸出，通過兩端帶齒輪的薄壁套筒，將運動傳遞給RV減速器R5，減速器R5的輸出軸帶動手腕做擺動，實現B軸的旋轉運動;T軸驅動電機D6的輸出，通過實心細長軸和1對錐齒輪，再通過同步帶和1對錐齒輪，將運動傳遞給RV減速器R6，減速器R6的輸出軸直接帶動手腕法蘭盤轉動6，實現T軸的旋轉運動。

三、機械系統設計的演變與創新

從1979年美國Unimation公司推出的第一臺工業機器人Puma，到當前流行的工業機器人機械臂，機械本體結構、手腕結構和控制理論等方面并沒有特別的、本質的變化，僅僅在結構上把Puma機器人向一邊偏置的肩寬改變為向前布置，擴大了機器人正前方的工作范圍。以下幾個方面將是工業機器人機械系統設計未來的發展方向。

第一，模塊化設計。機器人是由多級連桿和關節串聯組成的多自由度的空間運動機構，機構設計向模塊化、可重構方向發展。伺服電機、減速器和檢測系統三位一體化，形成關節模塊，將關節模塊和連桿模塊用重組的方式構造整機，可方便地設計出滿足不同載荷和運動范圍要求的機器人產品，減少設計周期，降低制造成本，有利于批量生產。

第二，高強度輕質材料。在材料選擇上，新的高強度輕質材料是不錯的選擇，可以進一步提高機器人結構的負載/自重比。通常機器人小臂和腕部采用高強度鋁合金，符合質量輕和易成型的要求。大臂采用組合焊件，用薄壁鋼板圍成空腔，在保證強度和剛度的前提下，追求重量輕、加工周期短、用材少。基座采用鑄鐵，吸振效果好、易成型。

第三，高傳動精度。傳動機構設計向結構緊湊、提高傳動精度的方向發展，應保證傳動路線短，提高傳動與支承剛度，如：1、2、3軸采用RV減速器，突出剛性和扭矩的要求，4、5、6軸采用諧波減速器，突出質量輕和精度高的要求。同時采用RV減速器和交流伺服系統，使機器人機械系統成為免維護系統。

四、結語

工業機器人機械系統是機器人的支承基礎和執行機構，計算、分析和編程的最終目的是要通過本體的運動完成特定的任務。機械系統是機器人設計的一個重要內容，其結果直接決定機器人的工作性能。筆者以工業機器人機械系統的典型傳動鏈分析為例，對機械系統設計的教學要點進行歸納總結，從設計思路、多種設計方案及典型傳動鏈實例的角度講授工業機器人機械系統的設計方法，把抽象的機械系統教學難點進行核心內容的提煉，有利于工科學生對工業機器人機械系統設計的深入學習。

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