常見(jiàn)的六軸關(guān)節(jié)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)

上圖為常見(jiàn)的六軸關(guān)節(jié)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu),六個(gè)伺服電機(jī)直接通過(guò)諧波減速器、同步帶輪等驅(qū)動(dòng)六個(gè)關(guān)節(jié)軸的旋轉(zhuǎn),注意觀察一、二、三、四軸的結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)一至關(guān)節(jié)四的驅(qū)動(dòng)電機(jī)為空心結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用空心軸結(jié)構(gòu)應(yīng)該不常見(jiàn)，空心軸結(jié)構(gòu)的電機(jī)一般較大。采用空心軸電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：機(jī)器人各種控制管線可以從電機(jī)中心直接穿過(guò)，無(wú)論關(guān)節(jié)軸怎么旋轉(zhuǎn)，管線不會(huì)隨著旋轉(zhuǎn)，即使旋轉(zhuǎn)，管線由于布置在旋轉(zhuǎn)軸線上，所以具有最小的旋轉(zhuǎn)半徑。此種結(jié)構(gòu)較好的解決了工業(yè)機(jī)器人的管線布局問(wèn)題。對(duì)于工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，管線布局是難點(diǎn)之一，怎樣合理的在狹小的機(jī)械臂空間中布置各種管線（六個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)線、編碼器線、剎車線、氣管、電磁閥控制線、傳感器線等），使其不受關(guān)節(jié)軸旋轉(zhuǎn)的影響，是一個(gè)值得深入考慮的問(wèn)題。在這三種手腕部的結(jié)構(gòu)中,以第一種(RBR型)結(jié)構(gòu)應(yīng)用最為廣泛,它適應(yīng)于各種工作場(chǎng)合,后兩種結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍相對(duì)較窄,比如說(shuō)3R型的手腕結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用在噴涂行業(yè)等。關(guān)節(jié)設(shè)計(jì):對(duì)于國(guó)外的工業(yè)機(jī)器人主要制造國(guó)家來(lái)說(shuō),六軸關(guān)節(jié)機(jī)器人的研發(fā)設(shè)計(jì)及制造已經(jīng)有好幾十年的歷史了,整個(gè)工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)制造體系較為完善,他們的技術(shù)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較成熟,他們?cè)谙嗷ジ?jìng)爭(zhēng)中可以相互模仿、改善、不斷推陳出新,他們的技術(shù)對(duì)于國(guó)內(nèi)來(lái)說(shuō),近乎完美.而國(guó)內(nèi)目前這個(gè)行業(yè)還處在黎明前的黑暗階段,雖然有不少公司有這個(gè)研發(fā)意圖,或者正在研發(fā)途中,不管怎么說(shuō),浮出水面公布自己正在研發(fā)或者研發(fā)成功的公司應(yīng)該說(shuō)是極少數(shù),即使宣布自己研發(fā)成功,也只是初步試驗(yàn)成功,真正產(chǎn)業(yè)化、商品化還有一段相當(dāng)漫長(zhǎng)的路要走.而更多的公司還停留在項(xiàng)目立項(xiàng)、技術(shù)評(píng)估、投入風(fēng)險(xiǎn)分析的階段.由于國(guó)內(nèi)做這個(gè)行業(yè)的很少,相關(guān)的結(jié)構(gòu)也沒(méi)有什么可參考的,技術(shù)儲(chǔ)備不足,少數(shù)的單位或個(gè)人有機(jī)會(huì)能夠拆拆別人的機(jī)器,拆個(gè)一知半解,更多的人只能在旁邊看看了(比如說(shuō)我,想拆都沒(méi)機(jī)會(huì)^_^),還好了,網(wǎng)絡(luò)資源豐富,今搜集到不少機(jī)械結(jié)構(gòu)方面的圖片,分享給大家參考,希望咱們做機(jī)械設(shè)計(jì)的(我應(yīng)該也算是個(gè)機(jī)械工程師啊^_^畢竟我也是做機(jī)械的)少走點(diǎn)彎路,做出更好的機(jī)器.六軸關(guān)節(jié)機(jī)器人的腕部關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜,因?yàn)樵谕蟛客瑫r(shí)集成了三種運(yùn)動(dòng).小型的六軸關(guān)節(jié)機(jī)器人的腕部關(guān)節(jié)主要采用諧波減速器.下面的圖片較為詳細(xì)的描述了常見(jiàn)的六軸關(guān)節(jié)機(jī)器人的腕部結(jié)構(gòu)。上圖所示的腕部關(guān)節(jié)用到了兩個(gè)諧波減速器,兩個(gè)同步齒型帶傳動(dòng)輸入,中間還用到了一對(duì)錐齒輪副傳動(dòng)。工業(yè)機(jī)器人核心部件-諧波減速器

機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要求傳動(dòng)系統(tǒng)間隙小、剛度大、輸出扭矩高以及減速比大，常用的減速機(jī)構(gòu)有：

1）RV減速機(jī)構(gòu)；

2）諧波減速機(jī)械；

3）擺線針輪減速機(jī)構(gòu)；

4）行星齒輪減速機(jī)械；

5）無(wú)側(cè)隙減速機(jī)構(gòu)；

6）蝸輪減速機(jī)構(gòu)；

7）滾珠絲杠機(jī)構(gòu)；

8）金屬帶／齒形減速機(jī)構(gòu)；

9）球減速機(jī)構(gòu)。

其中諧波減速器廣泛應(yīng)用于小型的六軸搬運(yùn)及裝配機(jī)械手中，下面介紹其工作原理。

以下內(nèi)容摘自百度百科（稍有修改）：

諧波齒輪減速器是利用行星齒輪傳動(dòng)原理發(fā)展起來(lái)的一種新型減速器。諧波齒輪傳動(dòng)（簡(jiǎn)稱諧波傳動(dòng)），它是依靠柔性零件產(chǎn)生彈性機(jī)械波來(lái)傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的一種行星齒輪傳動(dòng)。

（一）傳動(dòng)原理

它主要由三個(gè)基本構(gòu)件組成：

（1）帶有內(nèi)齒圈的剛性齒輪（剛輪）2，它相當(dāng)于行星系中的中心輪；

（2）帶有外齒圈的柔性齒輪（柔輪）1，它相當(dāng)于行星齒輪；

（3）波發(fā)生器H，它相當(dāng)于行星架。

作為減速器使用，通常采用波發(fā)生器主動(dòng)、剛輪固定、柔輪輸出形式。

波發(fā)生器H是一個(gè)桿狀部件，其兩端裝有滾動(dòng)軸承構(gòu)成滾輪，與柔輪1的內(nèi)壁相互壓緊。柔輪為可產(chǎn)生較大彈性變形的薄壁齒輪，其內(nèi)孔直徑略小于波發(fā)生器的總長(zhǎng)。波發(fā)生器是使柔輪產(chǎn)生可控彈性變形的構(gòu)件。當(dāng)波發(fā)生器裝入柔輪后，迫使柔輪的剖面由原先的圓形變成橢圓形，其長(zhǎng)軸兩端附近的齒與剛輪的齒完全嚙合，而短軸兩端附近的齒則與剛輪完全脫開(kāi)。周長(zhǎng)上其他區(qū)段的齒處于嚙合和脫離的過(guò)渡狀態(tài)。當(dāng)波發(fā)生器沿圖示方向連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，柔輪的變形不斷改變，使柔輪與剛輪的嚙合狀態(tài)也不斷改變，由嚙入、嚙合、嚙出、脫開(kāi)、再嚙入……，周而復(fù)始地進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)柔輪相對(duì)剛輪沿波發(fā)生器H相反方向的緩慢旋轉(zhuǎn)。

在傳動(dòng)過(guò)程中，波發(fā)生器轉(zhuǎn)一周，柔輪上某點(diǎn)變形的循環(huán)次數(shù)稱為波數(shù)，以n表示。常用的是雙波和三波兩種。雙波傳動(dòng)的柔輪應(yīng)力較小，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，易于獲得大的傳動(dòng)比。故為目前應(yīng)用最廣的一種。

諧波齒輪傳動(dòng)的柔輪和剛輪的周節(jié)相同，但齒數(shù)不等，通常采用剛輪與柔輪齒數(shù)差等于波數(shù)，即

z2－z1=n

式中z2、z2--分別為剛輪與柔輪的齒數(shù)。

當(dāng)剛輪固定、發(fā)生器主動(dòng)、柔輪從動(dòng)時(shí)，諧波齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比為

i=-z1/(z2-z1)

雙波傳動(dòng)中，z2－z1=2，柔輪齒數(shù)很多。上式負(fù)號(hào)表示柔輪的轉(zhuǎn)向與波發(fā)生器的轉(zhuǎn)向相反。由此可看出，諧波減速器可獲得很大的傳動(dòng)比。

（二）特點(diǎn)

1．承載能力高諧波傳動(dòng)中，齒與齒的嚙合是面接觸，加上同時(shí)嚙合齒數(shù)（重疊系數(shù)）比較多，因而單位面積載荷小，承載能力較其他傳動(dòng)形式高。

2．傳動(dòng)比大單級(jí)諧波齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比，可達(dá)i=70～500。

3．體積小、重量輕。

4．傳動(dòng)效率高、壽命長(zhǎng)。

5．傳動(dòng)平穩(wěn)、無(wú)沖擊，無(wú)噪音，運(yùn)動(dòng)精度高。

6．由于柔輪承受較大的交變載荷，因而對(duì)柔輪材料的抗疲勞強(qiáng)度、加工和熱處理要求較高，工藝復(fù)雜。

諧波減速器在國(guó)內(nèi)于六七十年代才開(kāi)始研制，到目前已有不少?gòu)S家專門生產(chǎn)，并形成系列化。廣泛應(yīng)用于電子、航天航空、機(jī)器人等行業(yè)，由于它的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，在化工行業(yè)的應(yīng)用也逐漸增多。

伺服電機(jī)選型－－慣量匹配

在伺服系統(tǒng)選型及調(diào)試中，常會(huì)碰到慣量問(wèn)題。其具體表現(xiàn)為：在伺服系統(tǒng)選型時(shí)，除考慮電機(jī)的扭矩和額定速度等等因素外，我們還需要先計(jì)算得知機(jī)械系統(tǒng)換算到電機(jī)軸的慣量，再根據(jù)機(jī)械的實(shí)際動(dòng)作要求及加工件質(zhì)量要求來(lái)具體選擇具有合適慣量大小的電機(jī)；在調(diào)試時(shí)，正確設(shè)定慣量比參數(shù)是充分發(fā)揮機(jī)械及伺服系統(tǒng)最佳效能的前提。此點(diǎn)在要求高速高精度的系統(tǒng)上表現(xiàn)尤為突出，這樣，就有了慣量匹配的問(wèn)題。一、什么是“慣量匹配”？1、根據(jù)牛頓第二定律：“進(jìn)給系統(tǒng)所需力矩T=系統(tǒng)傳動(dòng)慣量J×角加速度θ角”。加速度θ影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，θ越小，則由控制器發(fā)出指令到系統(tǒng)執(zhí)行完畢的時(shí)間越長(zhǎng)，系統(tǒng)反應(yīng)越慢。如果θ變化，則系統(tǒng)反應(yīng)將忽快忽慢，影響加工精度。由于馬達(dá)選定后最大輸出T值不變，如果希望θ的變化小，則J應(yīng)該盡量小。2、進(jìn)給軸的總慣量“J＝伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)慣性動(dòng)量JM＋電機(jī)軸換算的負(fù)載慣性動(dòng)量JL。負(fù)載慣量JL由（以平面金切機(jī)床為例）工作臺(tái)及上面裝的夾具和工件、螺桿、聯(lián)軸器等直線和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)件的慣量折合到馬達(dá)軸上的慣量組成。JM為伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量，伺服電機(jī)選定后，此值就為定值，而JL則隨工件等負(fù)載改變而變化。如果希望J變化率小些，則最好使JL所占比例小些。這就是通俗意義上的“慣量匹配”。二、“慣量匹配”如何確定？傳動(dòng)慣量對(duì)伺服系統(tǒng)的精度，穩(wěn)定性，動(dòng)態(tài)響應(yīng)都有影響。慣量大，系統(tǒng)的機(jī)械常數(shù)大，響應(yīng)慢，會(huì)使系統(tǒng)的固有頻率下降，容易產(chǎn)生諧振，因而限制了伺服帶寬，影響了伺服精度和響應(yīng)速度，慣量的適當(dāng)增大只有在改善低速爬行時(shí)有利，因此，機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)在不影響系統(tǒng)剛度的條件下，應(yīng)盡量減小慣量。衡量機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性時(shí)，慣量越小，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性反應(yīng)越好；慣量越大，馬達(dá)的負(fù)載也就越大，越難控制，但機(jī)械系統(tǒng)的慣量需和馬達(dá)慣量相匹配才行。不同的機(jī)構(gòu)，對(duì)慣量匹配原則有不同的選擇，且有不同的作用表現(xiàn)。不同的機(jī)構(gòu)動(dòng)作及加工質(zhì)量要求對(duì)JL與JM大小關(guān)系有不同的要求，但大多要求JL與JM的比值小于十以內(nèi)。一句話，慣性匹配的確定需要根據(jù)機(jī)械的工藝特點(diǎn)及加工質(zhì)量要求來(lái)確定。對(duì)于基礎(chǔ)金屬切削機(jī)床，對(duì)于伺服電機(jī)來(lái)說(shuō)，一般負(fù)載慣量建議應(yīng)小于電機(jī)慣量的5倍。慣量匹配對(duì)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。其實(shí)負(fù)載慣量最好還是用公式計(jì)算出來(lái)。常見(jiàn)的形體慣量計(jì)算公式在以前學(xué)的書里都有現(xiàn)成的（可以去查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)）。我們?cè)?jīng)做過(guò)一試驗(yàn)，在一伺服電機(jī)的軸伸，加一大的慣量盤準(zhǔn)備用來(lái)做測(cè)試，結(jié)果是：伺服電機(jī)低速時(shí)停不住，搖頭擺尾，不停地振蕩怎么也停不下來(lái)。后來(lái)改為：在兩個(gè)伺服電機(jī)的軸伸對(duì)接加裝聯(lián)軸器，對(duì)其中一個(gè)伺服電機(jī)通電，作為動(dòng)力即主動(dòng)，另一個(gè)伺服電機(jī)作為從動(dòng)，即做為一個(gè)小負(fù)載。原來(lái)那個(gè)搖頭擺尾的伺服電機(jī)，啟動(dòng)、運(yùn)動(dòng)、停止，運(yùn)轉(zhuǎn)一切正常！三、慣量的理論計(jì)算的功式？慣量計(jì)算都有公式，至于多重負(fù)載，比如齒輪又帶齒輪，或渦輪蝸桿傳動(dòng)，只要分別算出各轉(zhuǎn)動(dòng)件慣量然后相加即是系統(tǒng)慣量，電機(jī)選型時(shí)建議根椐不同的電機(jī)進(jìn)行選配。負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量肯定是要設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)計(jì)算算出來(lái)拉，如果沒(méi)有這個(gè)值，電機(jī)選型肯定是不那么合理的，或者肯定會(huì)有問(wèn)題的，這是選伺服的最重要的幾個(gè)參數(shù)之一。至于電機(jī)慣量，電機(jī)樣本手冊(cè)上都有標(biāo)注。當(dāng)然，對(duì)某些伺服，可以通過(guò)調(diào)整伺服的過(guò)程測(cè)出負(fù)載的慣量，作為理論設(shè)計(jì)中的計(jì)算的參考。畢竟在設(shè)計(jì)階段，很多類似摩擦系數(shù)之類的參數(shù)只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)猜，不可能準(zhǔn)確。理論設(shè)計(jì)中的計(jì)算的公式：（僅供參考）通常將轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J用飛輪矩GD2來(lái)表示，它們之間的關(guān)系為J=mp^2=GD^2/4g式中m與G－轉(zhuǎn)動(dòng)部分的質(zhì)量（kg）與重量（N）；與D－慣性半徑與直徑（m）；g=9.81m/s2－重力加速度飛輪慣量=速度變化率*飛輪距/375當(dāng)然，理論與實(shí)際總會(huì)有偏差的，有些地區(qū)（如在歐洲），一般是采用中間值通過(guò)實(shí)際測(cè)試得到。這樣，相對(duì)我們的經(jīng)驗(yàn)公式要準(zhǔn)確一些。不過(guò)，在目前還是需要計(jì)算的，也有固定公式可以去查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)的。四、關(guān)于摩擦系數(shù)？關(guān)于摩擦系數(shù)，一般電機(jī)選擇只是考慮一個(gè)系數(shù)加到計(jì)算過(guò)程中，在電機(jī)調(diào)整時(shí)通常都不會(huì)考慮。不過(guò)，如果這個(gè)因素很大，或者講，足以影響電機(jī)調(diào)整，有些日系通用伺服，據(jù)稱有一個(gè)參數(shù)是用來(lái)專門測(cè)試的，至于是否好用，本人沒(méi)有用過(guò)，估計(jì)應(yīng)該是好用的。有網(wǎng)友發(fā)貼說(shuō)，曾有人發(fā)生過(guò)這樣的情況：設(shè)計(jì)時(shí)照搬國(guó)外的機(jī)器，機(jī)械部分號(hào)稱一樣，電機(jī)功率放大了50%選型，可是電機(jī)轉(zhuǎn)不動(dòng)。因?yàn)闃訖C(jī)的機(jī)械加工、裝配的精度太差，負(fù)載慣量是差不多，可摩擦阻力相差太多了，對(duì)具體工況考慮不周。當(dāng)然，黏性阻尼和摩擦系數(shù)不是同一個(gè)問(wèn)題。摩擦系數(shù)是不變值，這點(diǎn)可以通過(guò)電機(jī)功率給予補(bǔ)償，但黏性阻尼是變值，通過(guò)增大電機(jī)功率當(dāng)然可以緩解，但其實(shí)是不合理的。況且沒(méi)有設(shè)計(jì)依據(jù)，這個(gè)最好是在機(jī)械狀態(tài)上解決，沒(méi)有好的機(jī)械狀態(tài)，伺服調(diào)整完全是一句空話。還有，黏性阻尼跟機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工、裝配等相關(guān)，這些在選型時(shí)是必須考慮的。而且跟摩擦系數(shù)也是息息相關(guān)的，正是因?yàn)榧庸に讲粔虿旁斐傻哪Σ料禂?shù)不定，不同點(diǎn)相差較大，甚至技術(shù)工人裝配水平的差異也會(huì)導(dǎo)致很大的差異，這些在電機(jī)選型時(shí)必須要考慮的。這樣，才會(huì)有保險(xiǎn)系數(shù)，當(dāng)然歸根結(jié)底還是電機(jī)功率的問(wèn)題。五、慣量的理論計(jì)算后，微調(diào)修正的簡(jiǎn)單化可能有些朋友覺(jué)的：太復(fù)雜了！實(shí)際情況是，某品牌的產(chǎn)品各種各樣的參數(shù)已經(jīng)確定，在滿足功率，轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速的條件下，產(chǎn)品型號(hào)已經(jīng)確定，如果慣量仍然不能滿足，能否將功率提高一檔來(lái)滿足慣量的要求？答案是：功