機(jī)器人關(guān)節(jié)傳動(dòng)用精密減速器研究進(jìn)展

吳素珍,陳丹

（1.河南工程學(xué)院,河南鄭州451191；2.大連交通大學(xué),遼寧大連116028）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,在機(jī)械、航空、汽車(chē)工業(yè)等領(lǐng)域采用機(jī)器人代替人力已是走向高水平工業(yè)化的發(fā)展方向.機(jī)器人技術(shù)受到各國(guó)政府的高度重視,用于機(jī)器人關(guān)節(jié)傳動(dòng)的主要裝置也受到眾多研究者的關(guān)注.本文將用于機(jī)器人關(guān)節(jié)傳動(dòng)的主要傳動(dòng)裝置加以歸納和總結(jié),以方便工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)傳動(dòng)精密傳動(dòng)減速器的理論研究和使用研究.

1 國(guó)內(nèi)外精密傳動(dòng)的發(fā)展現(xiàn)狀

目前,精密齒輪傳動(dòng)類(lèi)型主要有濾波傳動(dòng)、諧波傳動(dòng)、擺線(xiàn)針輪傳動(dòng)、RV傳動(dòng)等.日本、德國(guó)、美國(guó)、丹麥等國(guó)的精密傳動(dòng)研制在材料和制造工藝方面處于國(guó)際領(lǐng)先水平[1-3].

濾波齒輪傳動(dòng)是由重慶大學(xué)梁錫昌、王家序教授發(fā)明的一種結(jié)構(gòu)緊湊、體積相對(duì)小、大傳動(dòng)比的新型精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu),目前還處于研究階段[4].

從20世紀(jì)50年代起,美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家就開(kāi)始進(jìn)行諧波齒輪傳動(dòng)的研究,其中以USM公司規(guī)模最大.我國(guó)從20世紀(jì)60年代就開(kāi)始諧波方面的研制工作,但到目前為止國(guó)內(nèi)諧波齒輪的專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)廠(chǎng)家仍然很少.

擺線(xiàn)針輪傳動(dòng)和RV傳動(dòng)是由德國(guó)人發(fā)明,后來(lái)日本人引進(jìn)并發(fā)展壯大的技術(shù).德國(guó)、日本等國(guó)家關(guān)于擺線(xiàn)針輪傳動(dòng)和RV傳動(dòng)研制生產(chǎn)已經(jīng)形成系列化、批量化[5-11].在國(guó)內(nèi),中國(guó)人第一次見(jiàn)到擺線(xiàn)針輪行星傳動(dòng)減速器是20世紀(jì)70年代在北京的一次展覽會(huì)上.由于其具有輸入輸出同軸性、傳動(dòng)比大、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn),引起了不少科研人員的注意.目前我國(guó)大連交通大學(xué)等院校及研究機(jī)構(gòu)研制的擺線(xiàn)針輪傳動(dòng)和RV傳動(dòng)產(chǎn)品,主要技術(shù)性能指標(biāo)已達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平,但在國(guó)際上同日本的最新RV系列產(chǎn)品還有一定的差距,需要進(jìn)一步在提高傳動(dòng)精度設(shè)計(jì)理論和RV減速器批量生產(chǎn)上進(jìn)行研究.

2 機(jī)器人關(guān)節(jié)傳動(dòng)用新型減速器

2.1 濾波齒輪傳動(dòng)

濾波齒輪減速器屬于NN型少齒差減速器,由偏心減速機(jī)構(gòu)、濾波花鍵機(jī)構(gòu)、三向止推軸承3大部分組成[12].偏心減速機(jī)構(gòu)由內(nèi)齒輪、鋼球、偏心輪、滾動(dòng)軸承組成；濾波花鍵機(jī)構(gòu)由鋼球、偏心輪、圓柱齒輪和內(nèi)齒輪組成[4-6].濾波減速器實(shí)物圖和主要零部件如圖1所示,傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖1 濾波減速器Fig.1 Filteringgear reducer

圖2 濾波傳動(dòng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure chart of filter transmission

濾波齒輪傳動(dòng)傳動(dòng)原理如圖3所示.

圖3 濾波齒輪傳動(dòng)傳動(dòng)原理Fig.3 Transmission principle diagram of filteringgear principles

圖3中偏心軸H為輸入端,齒輪1為輸出端,雙聯(lián)齒輪3與固定內(nèi)齒輪4嚙合實(shí)現(xiàn)了第1級(jí)傳動(dòng),雙聯(lián)齒輪2、3與輸出內(nèi)齒輪嚙合實(shí)現(xiàn)了第2級(jí)傳動(dòng).偏心軸的旋轉(zhuǎn)中心與固定內(nèi)齒輪、輸出內(nèi)齒輪的旋轉(zhuǎn)中心同軸,當(dāng)通過(guò)偏心軸輸入轉(zhuǎn)矩時(shí),由于雙聯(lián)齒輪的偏心,及輸入齒輪是固定的,雙聯(lián)齒輪2、3一方面繞自身軸線(xiàn)自轉(zhuǎn),同時(shí)還繞偏心軸旋轉(zhuǎn)中心公轉(zhuǎn),雙聯(lián)齒輪2、3所受兩方面的力同時(shí)作用于與其嚙合的輸出內(nèi)齒輪1,獲得輸出運(yùn)動(dòng).

濾波齒輪傳動(dòng)具有傳動(dòng)精度高、可靠性高、壽命長(zhǎng)、傳遞扭矩大、能耗低、體積小、傳動(dòng)比大,結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn).廣泛應(yīng)用于航天、航空、運(yùn)載等領(lǐng)域[13].

2.2 諧波齒輪傳動(dòng)

諧波齒輪傳動(dòng)是通過(guò)柔輪的彈性變形實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)傳遞動(dòng)力的一種的新型傳動(dòng)[14].其主要由波發(fā)生器、柔輪、剛輪組成.結(jié)構(gòu)外形圖如4所示.

圖4 諧波齒輪Fig.4 Harmonic gear

諧波齒輪傳動(dòng),當(dāng)波發(fā)生器裝入柔輪后,迫使柔輪在長(zhǎng)軸處產(chǎn)生徑向變形成橢圓狀.橢圓的長(zhǎng)軸兩端,柔輪外齒與剛輪內(nèi)齒沿全齒高相嚙合,短軸兩端則處于完全脫開(kāi)狀態(tài),其他各點(diǎn)處于嚙合與脫開(kāi)的過(guò)渡階段.設(shè)剛輪固定,波發(fā)生器進(jìn)行逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),當(dāng)其長(zhǎng)軸轉(zhuǎn)到圖示嚙入狀態(tài)處時(shí),柔輪進(jìn)行了順時(shí)針旋轉(zhuǎn).當(dāng)長(zhǎng)軸不斷旋轉(zhuǎn)時(shí),柔輪相繼由嚙合轉(zhuǎn)向嚙出,由嚙出轉(zhuǎn)向脫出,由脫開(kāi)轉(zhuǎn)向嚙入,有嚙入轉(zhuǎn)向嚙合,從而迫使柔輪進(jìn)行連續(xù)旋轉(zhuǎn)[15].傳動(dòng)原理如圖5所示.

圖5 諧波傳動(dòng)傳動(dòng)原理Fig.5 Transmission principle diagram of harmonic principles

諧波傳動(dòng)具有運(yùn)動(dòng)精度高、傳動(dòng)比大、質(zhì)量小、體積小、較小的傳動(dòng)慣量等優(yōu)點(diǎn),最重要的是能在密閉空間傳遞運(yùn)動(dòng),這一點(diǎn)是其他任何機(jī)械傳動(dòng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的.其缺點(diǎn)為在諧波齒輪傳動(dòng)中每轉(zhuǎn)柔輪發(fā)生2次橢圓變形,極易引起材料的疲勞損壞,損耗功率大,同時(shí)其引起的扭轉(zhuǎn)變形角達(dá)到20′～30′,甚至更大,受軸承間隙等影響可能引起3′～6′回程誤差,不具有自鎖功能.

諧波傳動(dòng)適用于質(zhì)量和尺寸受限（如小的機(jī)械手關(guān)節(jié)）、位置精度要求高的場(chǎng)合.如美國(guó)的研制NASA空間飛行器,德國(guó)的ERS-1/2地球觀測(cè)衛(wèi)星的太陽(yáng)翼與天線(xiàn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),日本的觀測(cè)衛(wèi)星,我國(guó)“風(fēng)云”系列衛(wèi)星掃描輻射計(jì)、火箭伺服機(jī)構(gòu)等.

2.3 擺線(xiàn)針輪行星傳動(dòng)

擺線(xiàn)針輪行星傳動(dòng)是行星輪采用變幅外擺線(xiàn)的一種少齒差行星齒輪傳動(dòng),屬于K-H-V行星齒輪傳動(dòng).主要由擺線(xiàn)輪、針輪、行星架和輸出結(jié)構(gòu)4部分組成[16-20].其主要零部件如圖6所示.

圖6 擺線(xiàn)針輪行星傳動(dòng)的主要零部件Fig.6 Main components of cycloid pin gear planetarygear transmission

擺線(xiàn)針輪行星傳動(dòng),當(dāng)輸入軸1旋轉(zhuǎn)時(shí),通過(guò)偏心軸2帶動(dòng)擺線(xiàn)輪4旋轉(zhuǎn),由于偏心軸上的擺線(xiàn)輪4與針齒3嚙合限制,擺線(xiàn)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)即繞自身軸線(xiàn)自轉(zhuǎn),又繞輸入軸軸線(xiàn)公轉(zhuǎn),然后借助W輸出機(jī)構(gòu)6,將擺線(xiàn)輪的低速自轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)銷(xiāo)軸,傳遞給輸出軸5,從而獲得較低的輸出轉(zhuǎn)速.傳動(dòng)原理如圖7所示.

圖7 擺線(xiàn)針輪行星齒輪傳動(dòng)原理Fig.7 Transmission principles of cycloid pin gear planetary gear

擺線(xiàn)針輪行星傳動(dòng)的特點(diǎn)是單級(jí)傳動(dòng)比為6～119,一級(jí)傳動(dòng)效率達(dá)0.90～0.95.可代替兩級(jí)普通圓柱齒輪減速器,體積可減少1/2～2/3,質(zhì)量約減少1/3～1/2.缺點(diǎn)是擺線(xiàn)針輪減速器的機(jī)構(gòu)太復(fù)雜,制造、安裝精度要求太高,轉(zhuǎn)臂軸承受力大,影響軸承壽命和承載能力[21-26].

擺線(xiàn)針輪行星傳動(dòng)最大傳動(dòng)功率200 kW,最高輸入轉(zhuǎn)速1 800 r/min,廣泛應(yīng)用于礦山、化工、起重機(jī)械、工程機(jī)械等領(lǐng)域[27-31].

2.4 RV傳動(dòng)減速器

RV傳動(dòng)是在擺線(xiàn)針輪行星傳動(dòng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型精密傳動(dòng),屬于2K-V行星齒輪傳動(dòng)[32].外形結(jié)構(gòu)如圖8所示.

圖8 RV減速器外形結(jié)構(gòu)Fig.8 Configuration of RV reducer

RV傳動(dòng)減速器是一種2級(jí)行星齒輪傳動(dòng)減速機(jī)構(gòu).第1級(jí)減速是通過(guò)中心齒輪0與行星齒輪2嚙合,按照中心齒輪與行星齒輪的齒數(shù)比進(jìn)行減速.傳動(dòng)過(guò)程中如果漸開(kāi)線(xiàn)中心輪1順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),那么行星輪2既繞自身軸線(xiàn)逆時(shí)針自轉(zhuǎn),同時(shí)繞中心輪軸線(xiàn)公轉(zhuǎn),第1級(jí)傳動(dòng)中的漸開(kāi)線(xiàn)行星輪2與曲柄軸3連成一體,并通過(guò)偏心軸3帶動(dòng)擺線(xiàn)輪4作偏心運(yùn)動(dòng),作為第2級(jí)傳動(dòng)部分的輸入,第2級(jí)減速是擺線(xiàn)輪4與針輪5嚙合減速.擺線(xiàn)輪與針輪嚙合傳動(dòng)過(guò)程中,擺線(xiàn)輪在繞針輪軸線(xiàn)公轉(zhuǎn)的同時(shí),還將反方向自轉(zhuǎn),即順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng).最后,傳動(dòng)力通過(guò)曲柄軸推動(dòng)行星架輸出機(jī)構(gòu)順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng).傳動(dòng)原理如圖9所示.

圖9 RV減速器傳動(dòng)原理Fig.9 Transmission principles of RV reducer

RV針擺傳動(dòng)具有傳動(dòng)比范圍大,只改變漸開(kāi)線(xiàn)齒輪的齒數(shù)比就可獲得很多傳動(dòng)比；傳動(dòng)精度高,傳動(dòng)誤差為1′以下,回差誤差在1.5′以下；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)置于行星架的支承主軸承內(nèi),軸向尺寸大大減??；RV齒輪和銷(xiāo)同時(shí)嚙合數(shù)多,承載能力大；采用雙柱支撐機(jī)構(gòu),扭轉(zhuǎn)剛性大、振動(dòng)小,耐沖擊性強(qiáng)[33].

RV傳動(dòng)減速器已很大程度上逐漸取代單純的擺線(xiàn)針輪傳動(dòng)裝置,已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、航空、汽車(chē)工業(yè)等領(lǐng)域[34-35].

3 機(jī)器人關(guān)節(jié)傳動(dòng)用各類(lèi)減速器對(duì)比分析

結(jié)合工業(yè)機(jī)器人性能、功能要求,各類(lèi)精密傳動(dòng)減速器的性能指標(biāo)對(duì)比如表1所示[4,13-14,16-19,36].

表1 精密減速器性能參數(shù)對(duì)比Tab.1 Contrast table precision reducer performance parameters

由表1可知,諧波傳動(dòng)是通過(guò)柔輪的彈性變形實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)傳遞,其彈性變形大,從而在傳遞載荷時(shí)的彈性變形回差也大,這就不可避免地會(huì)影響機(jī)器人的動(dòng)態(tài)特性、抗沖擊能力等,而且其運(yùn)動(dòng)精度還會(huì)隨著使用時(shí)間增長(zhǎng)而顯著降低；濾波減速器還處于初級(jí)研究階段；而RV傳動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)可靠性、保精度及壽命均高于其他齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu),另外RV減速器還具有加一次潤(rùn)滑劑可以使用很長(zhǎng)時(shí)間、壽命長(zhǎng)、剛度好、減速比大、低振動(dòng)、高精度、傳動(dòng)效率高、保養(yǎng)便利等優(yōu)點(diǎn),非常適于在機(jī)器人上使用.

4 結(jié)論與討論

目前機(jī)器人關(guān)節(jié)傳動(dòng)裝置主要是諧波傳動(dòng)和RV傳動(dòng).但由于諧波傳動(dòng)裝置柔輪的彈性變形引起較大的回差,從而影響工業(yè)機(jī)器人的定位精度及動(dòng)態(tài)特性,RV針擺傳動(dòng)裝置代替諧波傳動(dòng)裝置是機(jī)器人關(guān)節(jié)用減速裝置的必然趨勢(shì).在國(guó)外,RV減速器已實(shí)現(xiàn)系列化、批量化生產(chǎn),而我國(guó)還處于開(kāi)發(fā)過(guò)程中.我國(guó)應(yīng)提高機(jī)器人用減速器的制造工藝,注意新型材料選用,努力實(shí)現(xiàn)系列化、批量化生產(chǎn).另外,今后我國(guó)在機(jī)器人RV減速器研制方面,應(yīng)制定合理的零件制造工藝和可以補(bǔ)償相關(guān)零件制造誤差的裝配工藝；嚴(yán)格控制影響減速器傳動(dòng)準(zhǔn)確性、傳動(dòng)平穩(wěn)性及載荷分布均勻性誤差的主要因素,合理控制各公差范圍；增強(qiáng)減速器的扭轉(zhuǎn)剛度.需深入系統(tǒng)地研究RV傳動(dòng)裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)理論與制造技術(shù),努力開(kāi)發(fā)新機(jī)型,提高我國(guó)自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的RV針擺驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)水平和性能,減少對(duì)國(guó)外技術(shù)的依賴(lài),提高RV針擺驅(qū)動(dòng)器的國(guó)產(chǎn)化技術(shù)水平.

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