工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)教學(xué)要點(diǎn)分析

韓建海 郭冰菁 李向攀

摘要：為了滿足企業(yè)在轉(zhuǎn)型升級(jí)、快速發(fā)展背景下對(duì)機(jī)器人技術(shù)人才日益增加的需求，針對(duì)工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)教學(xué)存在的問題，以工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的典型傳動(dòng)鏈分析為例，對(duì)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的教學(xué)要點(diǎn)進(jìn)行歸納總結(jié)，以便于學(xué)生理解與掌握機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心知識(shí)點(diǎn)以及學(xué)習(xí)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(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人;機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì);傳動(dòng)鏈;教學(xué)改革

隨著國家“機(jī)器換人”戰(zhàn)略的實(shí)施和企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的推進(jìn)，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛，社會(huì)對(duì)熟練掌握機(jī)器人工作原理，懂編程操作、維護(hù)維修和故障診斷的技術(shù)人員的需求也越來越大。因此，順應(yīng)教育部“新工科”的教學(xué)改革要求，開設(shè)機(jī)器人相關(guān)專業(yè)、培養(yǎng)社會(huì)急需人才的高校也越來越多，尤其是高職高專院校和應(yīng)用型本科院校幾乎均新設(shè)了工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用專業(yè)。隨著機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人課程原有的教學(xué)大綱、課程體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法以及師資隊(duì)伍已難以適應(yīng)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需要。此外，機(jī)械本體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)看不見、摸不著，電機(jī)如何驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)、傳動(dòng)鏈如何設(shè)計(jì)等問題，更是教學(xué)的難點(diǎn)，這些問題制約了學(xué)生對(duì)相關(guān)內(nèi)容的理解和有效掌握。鑒于此，筆者以工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的典型傳動(dòng)鏈分析為例，對(duì)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的教學(xué)要點(diǎn)進(jìn)行歸納總結(jié)，以期提高課程的教學(xué)質(zhì)量。

一、工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

工業(yè)機(jī)器人通常由機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)四部分組成，其中機(jī)械系統(tǒng)是機(jī)器人的基礎(chǔ)部分，相當(dāng)于人的骨骼。這部分內(nèi)容是有效、扎實(shí)地學(xué)習(xí)、掌握機(jī)器人技術(shù)的機(jī)械基礎(chǔ)，其教學(xué)目的是讓學(xué)生了解與掌握機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的總體組成、各關(guān)節(jié)配置特點(diǎn)、典型傳動(dòng)鏈方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)的演變與創(chuàng)新等內(nèi)容。

工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)通常由機(jī)身（含基座）、臂部（含手腕）和手部三大部分組成。機(jī)身和基座相連，支撐臂部。臂部由大臂和小臂組成，大臂與機(jī)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(shí)際應(yīng)用來定。

在教學(xué)過程中，針對(duì)這三部分，教師要突出關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的自由度、關(guān)節(jié)布置、傳動(dòng)鏈的合理布局方案分析，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室中的六自由度機(jī)器人實(shí)體，讓學(xué)生在課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中深入學(xué)習(xí)不同應(yīng)用場合下的工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)、驅(qū)動(dòng)有機(jī)融合的一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，為教師后續(xù)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析章節(jié)的講解及探究打下基礎(chǔ)。

（一）機(jī)身

工業(yè)機(jī)器人的機(jī)身具有一個(gè)回轉(zhuǎn)自由度，即腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。腰部要支撐整個(gè)機(jī)身繞基座進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，在機(jī)器人6個(gè)關(guān)節(jié)中受力最大，也最復(fù)雜，其既承受很大的軸向力、徑向力，又承受傾覆力矩，該關(guān)節(jié)應(yīng)具有較高的運(yùn)動(dòng)精度和剛度。因此，腰關(guān)節(jié)多采用高剛性和高精度的RV減速器傳動(dòng)，RV減速器內(nèi)部有一對(duì)徑向止推球軸承，可承受機(jī)器人的傾覆力矩，能夠滿足在無基座軸承時(shí)抗顛覆力矩的要求，故可取消基座軸承。機(jī)器人腰部回轉(zhuǎn)精度靠RV減速器的回轉(zhuǎn)精度保證。

由于底座安裝空間的限制，腰部電機(jī)多采用立式倒置安裝。按照驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸線與減速器旋轉(zhuǎn)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(jī)器人，采用減速器一級(jí)減速;偏置式布置方案多用于中大型機(jī)器人，采用齒輪傳動(dòng)與減速器結(jié)合的二級(jí)減速。

（二）臂部

工業(yè)機(jī)器人的臂部由大臂、小臂組成，具有2個(gè)自由度，大臂與機(jī)身相連的關(guān)節(jié)為肩關(guān)節(jié)，大臂和小臂相連的關(guān)節(jié)為肘關(guān)節(jié)。肩、肘關(guān)節(jié)承受很大扭矩（肩關(guān)節(jié)同時(shí)承受來自平衡裝置的彎矩），應(yīng)具有較高的運(yùn)動(dòng)精度和剛度。按照電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸線與減速器旋轉(zhuǎn)軸線是否在一條線上，肩、肘關(guān)節(jié)電機(jī)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(jī)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(zhuǎn)帶動(dòng)小臂做相對(duì)于大臂的俯仰運(yùn)動(dòng)。偏置式方案中，電機(jī)軸線與減速器軸線向下偏置，電機(jī)通過一對(duì)外嚙合齒輪做一級(jí)減速，減速器做二級(jí)減速后，其外殼帶動(dòng)小臂運(yùn)動(dòng)。

（三）腕部

工業(yè)機(jī)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(diào)整手部姿態(tài)，通常要求腕部能實(shí)現(xiàn)對(duì)空間3個(gè)坐標(biāo)軸x、y、z的轉(zhuǎn)動(dòng)，即具有回轉(zhuǎn)、俯仰和偏轉(zhuǎn)3個(gè)自由度。關(guān)節(jié)型機(jī)器人主流手腕結(jié)構(gòu)多采用RBR手腕，具有小臂旋轉(zhuǎn)（R軸）、手腕擺動(dòng)（B軸）和手腕旋轉(zhuǎn)（T軸）三個(gè)自由度。對(duì)于小負(fù)載機(jī)器人，手腕3個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)一般布置在機(jī)器人小臂內(nèi)部;對(duì)于中、大負(fù)載電機(jī)，手腕3個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)一般布置在機(jī)器人小臂的末端，以盡量減少小臂重力的不平衡。

小臂在結(jié)構(gòu)上做成前后兩段以實(shí)現(xiàn)小臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，對(duì)于小負(fù)載機(jī)器人，機(jī)器人R軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)布置在小臂后段，超過肘關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)中心。R軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過諧波減速器的減速，其輸出軸轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)小臂前段旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)小臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。B軸和T軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)均沿小臂軸線方向布置。B軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出，通過錐齒輪改變旋轉(zhuǎn)方向后，由同步帶將運(yùn)動(dòng)傳遞給諧波減速器，諧波減速器的輸出軸固定，殼體旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)安裝其上的手腕做擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)B軸運(yùn)動(dòng)。T軸的運(yùn)動(dòng)傳遞與B軸相似，傳動(dòng)鏈為：錐齒輪—同步帶—錐齒輪—諧波減速器—手腕。

二、典型傳動(dòng)鏈設(shè)計(jì)分析

傳動(dòng)鏈的設(shè)計(jì)對(duì)保證運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力的正確傳遞、實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的平衡、促進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化都是非常重要的，筆者以中大型負(fù)載機(jī)器人的腕部3個(gè)關(guān)節(jié)處的傳動(dòng)鏈設(shè)計(jì)為例，進(jìn)行教學(xué)分析。

考慮到重力平衡問題，手腕三軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)盡量向小臂的末端布置，并超過肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心。手腕三軸電機(jī)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(qū)動(dòng)電機(jī)后置的典型傳動(dòng)鏈原理圖，三軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)內(nèi)置于小臂后段內(nèi)。R軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)D4的輸出，通過中空型RV減速器R4，直接帶動(dòng)小臂前段相對(duì)于后段旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)R軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);B軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)D5的輸出，通過兩端帶齒輪的薄壁套筒，將運(yùn)動(dòng)傳遞給RV減速器R5，減速器R5的輸出軸帶動(dòng)手腕做擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)B軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);T軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)D6的輸出，通過實(shí)心細(xì)長軸和1對(duì)錐齒輪，再通過同步帶和1對(duì)錐齒輪，將運(yùn)動(dòng)傳遞給RV減速器R6，減速器R6的輸出軸直接帶動(dòng)手腕法蘭盤轉(zhuǎn)動(dòng)6，實(shí)現(xiàn)T軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

三、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的演變與創(chuàng)新

從1979年美國Unimation公司推出的第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人Puma，到當(dāng)前流行的工業(yè)機(jī)器人機(jī)械臂，機(jī)械本體結(jié)構(gòu)、手腕結(jié)構(gòu)和控制理論等方面并沒有特別的、本質(zhì)的變化，僅僅在結(jié)構(gòu)上把Puma機(jī)器人向一邊偏置的肩寬改變?yōu)橄蚯安贾茫瑪U(kuò)大了機(jī)器人正前方的工作范圍。以下幾個(gè)方面將是工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)未來的發(fā)展方向。

第一，模塊化設(shè)計(jì)。機(jī)器人是由多級(jí)連桿和關(guān)節(jié)串聯(lián)組成的多自由度的空間運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)向模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。伺服電機(jī)、減速器和檢測系統(tǒng)三位一體化，形成關(guān)節(jié)模塊，將關(guān)節(jié)模塊和連桿模塊用重組的方式構(gòu)造整機(jī)，可方便地設(shè)計(jì)出滿足不同載荷和運(yùn)動(dòng)范圍要求的機(jī)器人產(chǎn)品，減少設(shè)計(jì)周期，降低制造成本，有利于批量生產(chǎn)。

第二，高強(qiáng)度輕質(zhì)材料。在材料選擇上，新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料是不錯(cuò)的選擇，可以進(jìn)一步提高機(jī)器人結(jié)構(gòu)的負(fù)載/自重比。通常機(jī)器人小臂和腕部采用高強(qiáng)度鋁合金，符合質(zhì)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(qiáng)度和剛度的前提下，追求重量輕、加工周期短、用材少?；捎描T鐵，吸振效果好、易成型。

第三，高傳動(dòng)精度。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)向結(jié)構(gòu)緊湊、提高傳動(dòng)精度的方向發(fā)展，應(yīng)保證傳動(dòng)路線短，提高傳動(dòng)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(zhì)量輕和精度高的要求。同時(shí)采用RV減速器和交流伺服系統(tǒng)，使機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)成為免維護(hù)系統(tǒng)。

四、結(jié)語

工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)是機(jī)器人的支承基礎(chǔ)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，計(jì)算、分析和編程的最終目的是要通過本體的運(yùn)動(dòng)完成特定的任務(wù)。機(jī)械系統(tǒng)是機(jī)器人設(shè)計(jì)的一個(gè)重要內(nèi)容，其結(jié)果直接決定機(jī)器人的工作性能。筆者以工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的典型傳動(dòng)鏈分析為例，對(duì)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的教學(xué)要點(diǎn)進(jìn)行歸納總結(jié)，從設(shè)計(jì)思路、多種設(shè)計(jì)方案及典型傳動(dòng)鏈實(shí)例的角度講授工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，把抽象的機(jī)械系統(tǒng)教學(xué)難點(diǎn)進(jìn)行核心內(nèi)容的提煉，有利于工科學(xué)生對(duì)工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的深入學(xué)習(xí)。

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