斜面偏轉(zhuǎn)機器人關(guān)節(jié)領(lǐng)域技術(shù)綜述

范建會

國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作天津中心，天津, 300304

斜面偏轉(zhuǎn)機器人關(guān)節(jié)領(lǐng)域技術(shù)綜述

范建會

國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作天津中心，天津, 300304

隨著精密制造的不斷深化，斜面偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)通過其結(jié)構(gòu)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(guān)節(jié)領(lǐng)域研究中的一個重要分支，特別是在工業(yè)機器人和仿生機器人領(lǐng)域被廣泛應用。

機器人；斜面偏轉(zhuǎn)

1 機器人關(guān)節(jié)的分類

按照傳動機構(gòu)可分為：齒輪傳動、蝸輪蝸桿傳動、鏈條傳動、帶傳動、連桿機構(gòu)、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(lǐng)域一個重要分支也是近年來的研究熱點，大量斜面偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)技術(shù)應用于工業(yè)設(shè)計中，其主要特點是冗余自由度多，機構(gòu)復雜，多由回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成，斜面偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)是功能關(guān)節(jié)的常用選擇部件。

2 回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的主要技術(shù)分支

工業(yè)機器人經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在汽車制造、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療救援、軍事和空間探索等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應用，生產(chǎn)商推出了具有斜面偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)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(jié)構(gòu)尺寸，目前利用蛇的仿生原理獲得的兩自由度運動關(guān)節(jié)研究前景廣闊。第一代兩自由度旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)包括兩個簡單的旋轉(zhuǎn)副并連接至其他旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，從而形成蛇形機器人，這種設(shè)計使機器人的體積和質(zhì)量明顯降低。隨著技術(shù)的發(fā)展，將具有驅(qū)動能力的通用副設(shè)置在新式的兩自由度的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)中，但不能滿足體積和扭曲的要求。而斜面偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的出現(xiàn)解決了以上問題，它使用了斜面雙旋轉(zhuǎn)副作為整體部件，并具有關(guān)節(jié)中通用副的不規(guī)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(zhuǎn)關(guān)節(jié)開拓性的相關(guān)技術(shù)，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(guān)節(jié)依然笨重，其通用副不能對兩組件的轉(zhuǎn)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(fā)出了一種10自由度蛇形機器人，所有關(guān)節(jié)均直接由電機控制，電機均安裝于機器人內(nèi)部。然而，在JPL機器人中，為了在蛇形機器人內(nèi)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(xiàn)剛度低、易破碎的缺點。之后，美國西北太平洋國際實驗室設(shè)計了一種具有14自由度的機械手，這種設(shè)計采用具有簡單絲杠結(jié)構(gòu)的通用副來驅(qū)動雙旋轉(zhuǎn)副，關(guān)節(jié)剛度增強，但成本較高、魯棒性差。

2.2 斜面偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的專利申請量趨勢分析

圖1示出了斜面偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)近30年的國內(nèi)外專利申請量趨勢。1995年前，斜面偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)領(lǐng)域僅有十幾件專利申請，該階段中斜面偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)均作為蛇形機器人中的關(guān)節(jié)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(shè)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(zhuǎn)關(guān)節(jié)國內(nèi)外專利申請量

1995-2000年，隨著電子、材料及機械制造領(lǐng)域技術(shù)的不斷進步，斜面偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)逐步應用于工業(yè)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(zhuǎn)關(guān)節(jié)感興趣的申請人出現(xiàn)。

2001-2007年，即自精密制造業(yè)迅速發(fā)展以來，斜面偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機器人領(lǐng)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(lǐng)域，該技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)能力和專利布局能力大幅度提升，該時期實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的斜面偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機器人產(chǎn)品也逐步增多。國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究也逐漸起步，2007年國內(nèi)申請量達到頂峰。

2008-2015年，該領(lǐng)域的專利申請進入調(diào)整階段，專利申請數(shù)量逐漸減少。這可能一方面受到經(jīng)濟危機的影響，另一方面也受到一些新技術(shù)的沖擊，如并聯(lián)機器人領(lǐng)域的不斷發(fā)展以及機器人關(guān)節(jié)相關(guān)配件性能的提升。

3 偏置式旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機器人的現(xiàn)狀分析

從全球的專利數(shù)據(jù)來看，偏置式旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)研究主要集中在結(jié)構(gòu)的緊湊度、強度、轉(zhuǎn)動能力、可達空間、關(guān)節(jié)柔性、中空軸組裝以及線性控制等方面。但是國內(nèi)申請較為側(cè)重在關(guān)節(jié)中空結(jié)構(gòu)的申請上，而國外最為注重的是關(guān)節(jié)的緊湊性和柔性的申請方面。這是由于我國對基礎(chǔ)部件的研究起步較晚引起的，且關(guān)節(jié)中空結(jié)構(gòu)的直接影響也使得國內(nèi)申請人過多地關(guān)注在關(guān)節(jié)中空結(jié)構(gòu)上。

3.1 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)，從而使得整個機械臂的結(jié)構(gòu)緊湊。隨后，KUKA公司對于上述設(shè)計進行改進，DE3545068A1的技術(shù)方案進一步解決了機械臂上斜面偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的擺動問題，通過對傾斜的驅(qū)動軸進行補償，增強了驅(qū)動精度。US2003010148A1中的機械臂由于斜面偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)被通過兩種軸反向機構(gòu)的動力源驅(qū)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(guān)節(jié)式機械手，其關(guān)節(jié)包括同軸關(guān)節(jié)和傾斜關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)式機械手，增強了關(guān)節(jié)之間的緊湊性。

3.2 關(guān)節(jié)強度

US4841795A是一種可旋轉(zhuǎn)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(guān)節(jié)中是由一組軸承與旋轉(zhuǎn)齒輪組成的，該種結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)關(guān)節(jié)。

3.3 關(guān)節(jié)柔性化

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

3.4 關(guān)節(jié)中空軸組裝

EP0299551A1是具有軸向旋轉(zhuǎn)中空軸組裝而成的斜面偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這種布置使多關(guān)節(jié)的工業(yè)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(jié)構(gòu)以連接機器人以及工具。CN201863207U是鴻富錦精密工業(yè)提出了一種三自由度空心手腕，包括具有轉(zhuǎn)動軸線斜交的三個關(guān)節(jié)，并且設(shè)有內(nèi)部中空管道，所有管線從手腕的內(nèi)部穿過連接到工具端尾部。鴻富錦精密工業(yè)又通過CN102527560A對噴涂機器人臂部件進行改進，其內(nèi)部形成一個供連接至噴涂機構(gòu)的管線穿設(shè)的通道，上述具有斜面偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的噴涂機器人臂部件可避免管線暴露于噴涂環(huán)境中被污染。

4 斜面偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)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(huán)境要求，因此斜面偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)對機器人動作的準確性具有關(guān)鍵的作用。隨著伺服驅(qū)動、控制和傳感技術(shù)等機電技術(shù)的不斷發(fā)展，機器人斜面偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)呈現(xiàn)出新的特征和趨勢。

4.1 關(guān)節(jié)機構(gòu)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(zhuǎn)關(guān)節(jié)模塊化的蛇形機器人，其可以根據(jù)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(shè)計周期，降低成本，促進機器人跨越式發(fā)展。

4.2 關(guān)節(jié)機構(gòu)小型化

隨著機器人面對的使用環(huán)境越來越復雜，具有高負載，大力矩、小體積、重量輕的直接驅(qū)動電機的發(fā)展促進了關(guān)節(jié)的小型化發(fā)展。斜面偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)應從機構(gòu)、控制電路、驅(qū)動電機、傳感器等系統(tǒng)配置部件的改進入手，如復合型通用副，通過優(yōu)化設(shè)計出符合實際應用的伺服系統(tǒng)，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(gòu)和驅(qū)動機構(gòu)的新應用

隨著新型驅(qū)動器的發(fā)展，如具有人工肌肉，記憶合金，壓電陶瓷驅(qū)動等，以及一些通過微/納操作系統(tǒng)的斜面偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機構(gòu)也會在不久的將來不斷出現(xiàn)。

[1]王光建,梁錫昌,蔣建東.機器人關(guān)節(jié)的發(fā)展現(xiàn)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(lián)機構(gòu)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