可換電動機的機械臂關(guān)節(jié)

李胤鑌， 羅炳任， 牙舉輝， 鄺禹聰

（華南理工大學(xué) 廣州學(xué)院，廣州510800）

0 引 言

隨著機械臂的應(yīng)用越來越廣泛，機械臂的種類也分成工業(yè)級的和桌面式的。機械臂不但可以代替人手做重復(fù)性的工作，還可以代替人類做危險的工作，大大地幫助人類解放雙手，而且還保證了絕大部分工作的安全。機械臂的運用不但可以節(jié)省人力，還可以節(jié)省時間。然而現(xiàn)在的機械臂關(guān)節(jié)還處在固定電動機的形式上，無法更換電動機，當(dāng)想使用其他類型的電動機來控制時，就要重新買一套機械臂的關(guān)節(jié)，這不但增加了更多的成本，還很占用資源。如果有一款機械臂關(guān)節(jié)可以換電動機，就可以減少資金上的花費，還能根據(jù)情況進行調(diào)節(jié)更換電動機。例如當(dāng)需要精度時，就可以換上步進電動機，當(dāng)需要速度時，就可以換上直流電動機，甚至還能直流電動機與步進電動機結(jié)合，達到更好的操作效果，這樣就可以在成本上減少消耗，還能得到更廣泛的使用，以充分地發(fā)揮機械臂關(guān)節(jié)的作用。所以機械臂關(guān)節(jié)的電動機更換是本文的研究重點。

1 機械臂關(guān)節(jié)的工作流程

首先由單片機發(fā)送指令給電動機，電動機帶動主動輪轉(zhuǎn)動，通過主動輪帶動從動輪轉(zhuǎn)動。由于從動輪跟軸相連接，軸帶動減速器里的太陽輪轉(zhuǎn)動，太陽輪轉(zhuǎn)動時，帶動行星輪轉(zhuǎn)動，行星輪轉(zhuǎn)動時，帶動行星架蓋轉(zhuǎn)動，最后由行星架蓋的4個孔位帶動另一個機械臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動。當(dāng)想更換電動機的時候，就可以打開機械臂側(cè)壁的一片外蓋，然后更換電動機，在電動機軸上裝上齒輪，然后合上外蓋，就可以繼續(xù)使用了。

2 機械臂關(guān)節(jié)的工作原理

電動機上的主動齒輪帶動減速器軸上的從動齒輪轉(zhuǎn)動時，因為齒輪大小和齒數(shù)相同，可以達到等效傳動。當(dāng)軸接收到動力后就會傳動到太陽輪上，太陽輪與齒圈夾著3個行星輪，3個行星輪以等邊三角形放置，讓太陽輪不會產(chǎn)生某個方向的額外作用力。當(dāng)太陽輪轉(zhuǎn)動時，又會帶動著3個行星輪轉(zhuǎn)動，而行星輪又分2個齒輪部分，分別位于上下兩端，當(dāng)下齒輪轉(zhuǎn)動時，上齒輪也被帶動，由于上齒輪與下齒輪的齒數(shù)不同，因此產(chǎn)生速度差，從而達到減速的效果。上齒輪轉(zhuǎn)動時，就會帶動著行星架蓋轉(zhuǎn)動，而行星架蓋上有4個孔位，用于與另一個機械臂關(guān)節(jié)結(jié)合限位，這樣就可以利用4個孔位來帶動另一個機械臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動了。

3 機械臂關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)介紹

3.1 機械臂關(guān)節(jié)的外殼

機械臂關(guān)節(jié)由外殼為基礎(chǔ)，圓筒形的外殼（如圖1）可以大幅度地減少空間的占用，也可以減少材料的消耗，如果設(shè)計為方形外殼的話，不但邊角可能會對人造成割傷，還很消耗材料。在圓筒內(nèi)部的中間偏下處有一個平面，上面有4個孔，用于減速器與圓筒外殼相互固定。同時在減速器兩端有8個孔，用于與其他機械臂關(guān)節(jié)連接，在外殼側(cè)壁有一大片圓弧形開口為電動機更換裝置的放置位置。

3.2 電動機更換裝置

圖1 機械臂關(guān)節(jié)的外殼

電動機的更換意味著一個裝置要同時適應(yīng)多種電動機，但是不同的電動機，不但轉(zhuǎn)軸大小不一，而且電動機本身大小也不一樣。于是采用了左輪手槍的設(shè)計思路，通過打開一邊的蓋子，把換子彈的原理運用在更換電動機上。而不同的電動機之間都有一個共同點，螺絲孔都在電動機的前方，針對電動機的孔距不同設(shè)計了孔槽，孔槽的擺放角度不同，所擁有的功能也不同，比如橫孔槽一般用于平行移動物體所用，如豎孔槽可用于不同電動機的孔距大小的配合。但這樣容易在電動機轉(zhuǎn)動時，使螺絲對這孔槽上的一個點以垂直的力進行壓迫，容易產(chǎn)生形變，所以在設(shè)計中采用了斜孔槽。斜孔槽是豎孔槽傾斜一定角度所得，它可以分散螺絲對孔槽的作用力，而且也不影響對電動機孔位距離不同的配合。

現(xiàn)在的電動機孔位多為步進電動機的正方形4個孔和直流電動機的六孔式和兩孔式，所以孔的設(shè)計就根據(jù)了6個孔和4個孔的位置來設(shè)計，但由于機械臂中不同部位的機械臂關(guān)節(jié)大小是不一樣的，所以電動機更換裝置上的孔距上限和下限都有所不同，所以就以其中一個機械臂關(guān)節(jié)的電動機更換裝置為例進行說明。此款電動機更換裝置上所承載的電動機對角孔距上限為60 mm，下限為30 mm，而市面的步進電動機如圖4所示，其對角孔距為43 mm，這樣就可以放進電動機更換裝置里的孔槽的中間位置左右。直流電動機如圖5所示，其直徑為φ31 mm，6個孔之間為60°均布，所以適合電動機更換裝置中的六孔型孔槽。這樣就可以達到更換電動機的效果。因為步進電動機的前面還有一圈小凸臺，所以在中間還要預(yù)留了可以放進小凸臺的孔。

圖2 電動機更換裝置

圖3 孔位

圖4 步進電動機底孔

圖5 直流電動機底孔

承載電動機需要一個平臺，在計算了某個部位所能使用的步進電動機和直流電動機的直徑后，對比機械臂的外殼半徑，得出以機械臂外殼的圓心為平臺圓邊的頂點，再以圖2中的機械臂關(guān)節(jié)的1/3側(cè)壁的中心點為圓心，作出一個平臺，當(dāng)把電動機裝上后，在電動機的軸上固定上1個齒輪，由電動機帶動著這個齒輪，再帶動減速器上的齒輪，從而完成后續(xù)傳動。

3.3 機械臂關(guān)節(jié)的減速器

在減速器的不同種類中，行星輪減速器（如圖6）具有體積小、精度高、工作穩(wěn)定的特點。主要由軸、行星架、太陽輪、行星輪、內(nèi)齒圈組成，太陽輪為主動件，行星輪為從動件。當(dāng)電動機帶動軸轉(zhuǎn)動后，軸帶動著太陽輪轉(zhuǎn)動，然后通過行星輪下半部分與太陽輪和內(nèi)齒圈的齒輪嚙合進行減速傳動，行星輪上半部分與行星架蓋進行傳動輸出，最后由行星輪蓋上的4個孔位進行限位輸出，實現(xiàn)整個減速器的減速傳動。減速器的減速差可以通過齒數(shù)進行調(diào)控，齒輪的傳動公式是：傳動比=從動輪齒數(shù)/主動輪齒數(shù)。

4 機械臂關(guān)節(jié)的整體結(jié)構(gòu)

如圖7所示，通過拆卸機械臂關(guān)節(jié)側(cè)壁上的螺絲，使其側(cè)壁打開，通過擰螺絲的方式更換電動機，把齒輪固定在電動機軸上，使其與減速器軸上的齒輪嚙合即可完成電動機的更換。

圖6 行星輪減速器

圖7 機械臂關(guān)節(jié)整體模塊

5 結(jié) 語

本文介紹的是一款可以適用于多個場合的機械臂關(guān)節(jié)，通過更換電動機用于各個場合，在機械臂操作過程中，需要速度而不需要太高精度時，就可以都換上直流電動機，當(dāng)需要精度而不太需要速度時，就可以都換上步進電動機，當(dāng)精度與速度都需要時，就可以一部分機械臂關(guān)節(jié)換上直流電動機，一部分機械臂關(guān)節(jié)換上步進電動機。既方便后續(xù)的操作，還節(jié)省了買多個不同電動機機械臂關(guān)節(jié)的成本。