一種機(jī)器人用的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種機(jī)器人用的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置，包括有直流伺服電機(jī)、行星齒輪減速機(jī)和皮帶輪減速機(jī)，所述直流伺服電機(jī)的輸出連接行星齒輪減速機(jī)，所述行星齒輪減速機(jī)通過(guò)同步輪與皮帶輪減速機(jī)連接，所述行星齒輪減速機(jī)的減速比為200:1，所述皮帶輪減速機(jī)采用直徑比為3:1的兩個(gè)鋁合金輪及采用雙支承結(jié)構(gòu)的關(guān)節(jié)軸承，所述鋁合金輪安裝在關(guān)節(jié)軸承上，軸的徑向位置由兩個(gè)支承共同限定，每個(gè)支承處有起徑向定位作用的向心或角接觸軸承，軸向位置由兩個(gè)支承各限制一個(gè)方向的軸向位移，或由一個(gè)支承限制不同的運(yùn)轉(zhuǎn)精度。本實(shí)用新型能夠使機(jī)器人具有良好的動(dòng)態(tài)特性和運(yùn)動(dòng)精度。
【專利說(shuō)明】
一種機(jī)器人用的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型涉及機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)的技術(shù)領(lǐng)域，尤其是指一種機(jī)器人用的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng) 裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 要使機(jī)器人能夠正常運(yùn)動(dòng)和完成作業(yè)，最重要的因素是機(jī)器人要有優(yōu)良的驅(qū)動(dòng)機(jī) 構(gòu)?？梢哉f(shuō)，機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是它的最重要組成部分之一。因?yàn)闄C(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和作業(yè)實(shí)際 上就是靠著它的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。機(jī)器人的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)主要由的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置來(lái)產(chǎn)生，關(guān)節(jié)各種運(yùn) 動(dòng)其實(shí)就是關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置來(lái)操作機(jī)器人關(guān)節(jié)的。由于在機(jī)器人中有許多關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置，這 些關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置的性能直接決定著機(jī)器人的性能。因此，為保證機(jī)器人具有良好的動(dòng)態(tài)特 性和運(yùn)動(dòng)精度，要求這些關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置應(yīng)具有運(yùn)動(dòng)精度高、扭轉(zhuǎn)剛度大、回差小、抗沖擊能 力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn)。為了達(dá)到這一目的，各個(gè)國(guó)家已相繼開(kāi)發(fā) 出了各具特色的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置。
[0003] 隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置種類也越來(lái)越多，但大多數(shù)的關(guān) 節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置可以分為氣缸驅(qū)動(dòng)裝置、油缸驅(qū)動(dòng)裝置、電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置三種。通常用得最多的還 是電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)大多數(shù)都是(直流)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)。選 擇步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)或伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)要視機(jī)器人的具體應(yīng)用情況而定，也即:①負(fù)載性質(zhì)，如水 平還是垂直負(fù)載等;②電機(jī)特性，如轉(zhuǎn)矩、慣量、轉(zhuǎn)速、精度、加減速等;③上位控制要求，如 對(duì)端口界面和通訊方面的要求;④控制方式，是位置、轉(zhuǎn)矩還是速度方式。⑤供電電源，是直 流或交流，或電池，電壓范圍等。
[0004] 機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置除了包括步進(jìn)電機(jī)或者伺服電機(jī)外，還包括有:減速機(jī)構(gòu)、 關(guān)節(jié)軸承等。其中，減速機(jī)構(gòu)又可以分為:行星齒輪減速機(jī)、皮帶輪減速機(jī)、諧波減速機(jī)械、 擺線針輪減速機(jī)構(gòu)、滾珠絲杠機(jī)構(gòu)、螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、同步齒形帶機(jī)構(gòu)。其中，行星齒輪減速機(jī) 和皮帶輪減速機(jī)是機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置中最常用的減速機(jī)構(gòu)。
[0005] 行星齒輪減速機(jī)主要包括:行星輪、太陽(yáng)輪、外齒圈。行星齒輪減速機(jī)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)原 因，單級(jí)減速最小為3,最大一般不超過(guò)10,減速機(jī)級(jí)數(shù)一般不超過(guò)3,但有部分大減速比定 制減速機(jī)有4級(jí)減速。相對(duì)其他減速機(jī)，行星齒輪減速機(jī)具有高剛性，高精度，高傳動(dòng)效率， 高扭矩/體積比，終身免維護(hù)等特點(diǎn)。因?yàn)檫@些特點(diǎn)，行星齒輪減速機(jī)多數(shù)是安裝在步進(jìn)電 機(jī)和伺服電機(jī)上，用來(lái)降低轉(zhuǎn)速，提升扭矩，匹配慣量。行星齒輪減速機(jī)的額定輸入轉(zhuǎn)速最 高可達(dá)到18000rpm(與減速機(jī)本身大小有關(guān)，減速機(jī)越大，額定輸入轉(zhuǎn)速越?。┮陨希I(yè)級(jí) 行星齒輪減速機(jī)輸出扭矩一般不超過(guò)2000Nm，特制超大扭矩行星齒輪減速機(jī)可做到 lOOOONm以上。工作溫度在-25°C到100°C左右，通過(guò)潤(rùn)滑脂可改變其工作溫度。關(guān)于行星齒 輪減速機(jī)的幾個(gè)概念:①級(jí)數(shù):行星齒輪的套數(shù)。由于一套行星齒輪無(wú)法滿足較大的傳動(dòng) 比，有時(shí)需要2套或者3套來(lái)滿足擁護(hù)較大傳動(dòng)比的要求。由于增加了行星齒輪的數(shù)量，所以 2級(jí)或3級(jí)減速機(jī)的長(zhǎng)度會(huì)有所增加，效率會(huì)有所下降。②回程間隙：將輸出端固定，輸入端 順時(shí)針和逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，使輸入端產(chǎn)生額定扭矩± 2 %扭矩時(shí)，減速機(jī)輸入端有一個(gè)微小 角位移，此角位移就是回程間隙。單位是"分"，就是一度的六十分之一，也有人稱之為背隙。 正是由于行星齒輪減速機(jī)是一種具有廣泛通用性的新性減速機(jī)，整機(jī)具有結(jié)構(gòu)尺寸小，輸 出扭矩大，速比在、效率高、性能安全可靠等特點(diǎn)。更重要的是，機(jī)器人所使用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)均 為直流伺服電機(jī)，而行星齒輪減速機(jī)能夠與伺服電機(jī)一起使用，這是一種降低轉(zhuǎn)速，提升扭 矩，匹配慣量的最佳選擇。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足與缺點(diǎn)，提供一種機(jī)器人用的關(guān)節(jié)驅(qū) 動(dòng)裝置，能夠使機(jī)器人具有良好的動(dòng)態(tài)特性和運(yùn)動(dòng)精度。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型所提供的技術(shù)方案為：一種機(jī)器人用的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝 置，所述關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置為采用直流伺服電機(jī)加兩級(jí)減速的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，包括有直流伺服電機(jī)、 行星齒輪減速機(jī)和皮帶輪減速機(jī)，所述直流伺服電機(jī)的輸出連接行星齒輪減速機(jī)，所述行 星齒輪減速機(jī)通過(guò)同步輪與皮帶輪減速機(jī)連接，所述行星齒輪減速機(jī)的減速比為200:1，所 述皮帶輪減速機(jī)采用直徑比為3:1的兩個(gè)鋁合金輪及采用雙支承結(jié)構(gòu)的關(guān)節(jié)軸承，所述鋁 合金輪安裝在關(guān)節(jié)軸承上，軸的徑向位置由兩個(gè)支承共同限定，每個(gè)支承處有起徑向定位 作用的向心或角接觸軸承，軸向位置由兩個(gè)支承各限制一個(gè)方向的軸向位移，或由一個(gè)支 承限制不同的運(yùn)轉(zhuǎn)精度。
[0008] 所述直流伺服電機(jī)與行星齒輪減速機(jī)之間通過(guò)一個(gè)法蘭連接。
[0009] 所述支承采用角接觸軸承和圓錐滾子軸承成對(duì)安裝。
[0010] 本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)與有益效果：
[0011] 本實(shí)用新型能夠使關(guān)節(jié)具有運(yùn)動(dòng)精度高、扭轉(zhuǎn)剛度大、回差小、抗沖擊能力強(qiáng)、結(jié) 構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn)，從而使機(jī)器人具有良好的動(dòng)態(tài)特性和運(yùn)動(dòng)精度。
【附圖說(shuō)明】

[0012] 圖1為本實(shí)用新型的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置用在仿人機(jī)器人上的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0014] 本發(fā)明所述的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置，具體是采用直流伺服電機(jī)加兩級(jí)減速的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)， 包括有直流伺服電機(jī)、行星齒輪減速機(jī)和皮帶輪減速機(jī)。所述直流伺服電機(jī)采用速度全范 圍可調(diào)、位置/轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩等閉環(huán)控制方式、以及采用抗干擾能力強(qiáng)的光電型旋轉(zhuǎn)編碼器，具 體是選用上海瑞克科技發(fā)展有限公司的50SYXB-02,該電機(jī)的額定輸出功率為40W，額定電 壓為24V，額定轉(zhuǎn)速為2000RPM，輸出力矩為0.2NM;該直流伺服電機(jī)的輸出連接行星齒輪減 速機(jī)，所述行星齒輪減速機(jī)通過(guò)同步輪與皮帶輪減速機(jī)連接，所述行星齒輪減速機(jī)的減速 比為200:1，所述皮帶輪減速機(jī)采用直徑比為3:1的兩個(gè)鋁合金輪及采用雙支承結(jié)構(gòu)的關(guān)節(jié) 軸承，關(guān)節(jié)總減速比設(shè)計(jì)為600:1，因此，各關(guān)節(jié)所能提供的最大連續(xù)力矩為120NM。所述鋁 合金輪是安裝在相應(yīng)的關(guān)節(jié)軸承上，軸的徑向位置由兩個(gè)支承共同限定，每個(gè)支承處有起 徑向定位作用的向心或角接觸軸承，軸向位置由兩個(gè)支承各限制一個(gè)方向的軸向位移，或 由一個(gè)支承限制不同的運(yùn)轉(zhuǎn)精度。
[0015] 下面以仿人機(jī)器人大腿和小腿之間的關(guān)節(jié)為例，如圖1所示，因?yàn)樵诜氯藱C(jī)器人的 步行建模中，把仿人機(jī)器人的大腿看作是一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，該質(zhì)點(diǎn)位于仿人機(jī)器人大腿的中點(diǎn)，因 此，兩級(jí)減速機(jī)的安裝要盡量靠近仿人機(jī)器人大腿的中點(diǎn)以滿足建模的需要，直流伺服電 機(jī)1和行星齒輪減速機(jī)2之間通過(guò)一個(gè)法蘭3連接，行星齒輪減速機(jī)2與皮帶輪減速機(jī)10連 接。行星齒輪減速機(jī)2的輸出軸穿過(guò)仿人機(jī)器人的大腿4,軸的末端裝上直徑小的同步輪5 (小輪）。仿人機(jī)器人的關(guān)節(jié)9 一端與大腿4連接，另一端與小腿6連接，帶動(dòng)關(guān)節(jié)9運(yùn)動(dòng)的軸穿 過(guò)大腿4,末端安裝上直徑較大的同步輪7(大輪）。兩個(gè)同步輪5、7之間通過(guò)帶齒的傳動(dòng)皮帶 8連接。
[0016] 行星齒輪減速機(jī)設(shè)計(jì)主要應(yīng)考慮其結(jié)構(gòu)類型、安裝形式、承載能力、輸出轉(zhuǎn)速、工 作條件等因素。行星齒輪減速機(jī)的承載能力是在額定轉(zhuǎn)速下，每天工作10小時(shí)，每小時(shí)啟動(dòng) 數(shù)少于10次，平穩(wěn)無(wú)沖擊條件下得出，所以應(yīng)按以下步驟設(shè)計(jì)。
[0017] 第一步，計(jì)算用扭矩和傳動(dòng)比，選擇型號(hào)和安全系數(shù)
[0018] ①根據(jù)負(fù)載類型和每小時(shí)啟停次數(shù)和預(yù)期工作壽命確定使用系數(shù)fs。
[0019] ②根據(jù)所需扭矩T2R按下式得出計(jì)算用扭矩
[0020] T2c = T2R*fs (1)
[0021 ]式中，T2C是計(jì)算用扭矩[Nm]，T2R是實(shí)際所需扭矩[Nm]，fs是使用系數(shù)。
[0022 ]③由所要求的輸出轉(zhuǎn)速Π 2和輸入轉(zhuǎn)速m確定傳動(dòng)比 [0023] i =ni/n2 (2)
[0024] 式中，i是傳動(dòng)比，ηι是輸入轉(zhuǎn)速[r/min]，η2是輸出轉(zhuǎn)速[r/min]。
[0025] ④確定TC2和i后，在輸入轉(zhuǎn)速m查找減速機(jī)額定值表，選擇最接近計(jì)算值的傳動(dòng)比 并滿足以下條件的減速機(jī)型號(hào)：
[0026] T2N 彡 Tc2 (3)
[0027] 式中，T2N是額定輸出扭矩[Nm]。
[0028] ⑤安全系數(shù)，安全系數(shù)可按下表1選擇。
[0029] 表 1
[0031]第二步，校核：
[0032] ①最大轉(zhuǎn)矩，確認(rèn)瞬時(shí)峰值負(fù)荷扭矩和帶負(fù)載啟動(dòng)扭矩不能超過(guò)減速機(jī)的額定最 大扭矩Max{T2N}。
[0033] ②懸臂載荷，檢查所選配置。輸入軸和輸出軸上懸臂載荷可通過(guò)下式求出
[0035] 式中，F(xiàn)cl-。2是懸臂載荷(N)，C1是表示輸入軸，C2是表示輸出軸，Trl-r2是軸上的扭矩 (Nm)，d是傳動(dòng)部件的分度圓直徑(鏈輪，齒輪，帶輪等）(mm)，S是轉(zhuǎn)動(dòng)速度，Kr = 1是鏈條傳 動(dòng)，Kr= 1.25是齒輪傳動(dòng)，Kr = 1.5~2.0是V形帶傳動(dòng)。
[0036] ③輸出軸。對(duì)于作用在軸中點(diǎn)的負(fù)載，需要按下式校核：
[0037] Fn2^Fc2*fL (5)
[0038] 式中，F(xiàn)n2是指輸出軸中點(diǎn)的額定徑向載荷，F(xiàn)c2是指輸出軸計(jì)算用徑向力。
[0039]④輸入軸。根據(jù)式(4)和式(5)，可得的載荷Fcl值。
[0040] 第三步，確定選型。經(jīng)過(guò)選型的參數(shù)考慮，以及結(jié)合仿人機(jī)器人，選用的行星齒輪 減速機(jī)為PL40雙軸行星齒輪減速機(jī)，減速比為三級(jí)減速200:1，其實(shí)體參數(shù)如下表2所示。
[0041] 表 2
[0044]關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置中的關(guān)節(jié)軸承要根據(jù)仿人機(jī)器人的高度、重量和運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行設(shè) 計(jì)。本實(shí)施例所設(shè)計(jì)的仿人機(jī)器人體重達(dá)到80kg，這使得關(guān)節(jié)軸承的設(shè)計(jì)難度更大。特別是 對(duì)于腳踝、膝蓋這些重要受力關(guān)節(jié)，更加對(duì)起受力和摩擦有著特殊的要求。因此，關(guān)節(jié)軸承 設(shè)計(jì)必須考慮以下因素:①選擇合適的軸承類型;②確定合適的軸承尺寸;③配置中其它部 件的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì);④固定軸承的方式;⑤適當(dāng)?shù)墓钆浜虾洼S承的游隙或預(yù)緊;⑥適當(dāng)?shù)拿?封系統(tǒng);⑦潤(rùn)滑劑的類型和用量;⑧安裝和拆卸的方式。
[0045]在同時(shí)承受徑向載荷和軸向載荷的情況下，支承常采用角接觸軸承和圓錐滾子軸 承成對(duì)安裝。兩個(gè)軸承外圈寬端面相對(duì)安裝稱背對(duì)背安裝。兩支承力作用點(diǎn)落在支承跨距 之外。這種排列方式因支承跨距大，軸懸臂時(shí)剛性好，軸受熱伸長(zhǎng)時(shí)內(nèi)、外圈呈脫開(kāi)趨勢(shì)，因 而軸不會(huì)卡死，故使用比較廣泛。但如若采用預(yù)緊安裝，則在軸受熱時(shí)預(yù)緊量將會(huì)減少。兩 個(gè)軸承外圈窄端面相對(duì)安裝稱面對(duì)面安裝。兩個(gè)支承的力作用點(diǎn)落到支承跨距之內(nèi)。這處 排列方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝拆、調(diào)試均較方便故使用也較廣泛，主要用于短軸和溫升不高的場(chǎng) 合，但要注意一定要留有備用游隙。軸向游隙也不宜過(guò)大，過(guò)大時(shí)會(huì)降低軸的運(yùn)轉(zhuǎn)精度。當(dāng) 軸向載荷較大，需多個(gè)軸承同時(shí)承受時(shí)，常采用軸承外圈寬、窄端面相對(duì)安裝的串聯(lián)方式。 各軸承力作用點(diǎn)均落在軸承的同一側(cè)故稱同向排列又稱串聯(lián)。采用此種排列方式時(shí)要注意 結(jié)構(gòu)上保證每個(gè)軸承都能盡量均勻承受載荷。
[0046]以上所述之實(shí)施例子只為本實(shí)用新型之較佳實(shí)施例，并非以此限制本實(shí)用新型的 實(shí)施范圍，故凡依本實(shí)用新型之形狀、原理所作的變化，均應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍 內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種機(jī)器人用的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于:所述關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置為采用直流伺服電 機(jī)加兩級(jí)減速的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，包括有直流伺服電機(jī)、行星齒輪減速機(jī)和皮帶輪減速機(jī)，所述直 流伺服電機(jī)的輸出連接行星齒輪減速機(jī)，所述行星齒輪減速機(jī)通過(guò)同步輪與皮帶輪減速機(jī) 連接，所述行星齒輪減速機(jī)的減速比為200:1，所述皮帶輪減速機(jī)采用直徑比為3:1的兩個(gè) 鋁合金輪及采用雙支承結(jié)構(gòu)的關(guān)節(jié)軸承，所述鋁合金輪安裝在關(guān)節(jié)軸承上，軸的徑向位置 由兩個(gè)支承共同限定，每個(gè)支承處有起徑向定位作用的向心或角接觸軸承，軸向位置由兩 個(gè)支承各限制一個(gè)方向的軸向位移，或由一個(gè)支承限制不同的運(yùn)轉(zhuǎn)精度。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機(jī)器人用的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于:所述直流伺服電 機(jī)與行星齒輪減速機(jī)之間通過(guò)一個(gè)法蘭連接。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機(jī)器人用的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置，其特征在于:所述支承采用角 接觸軸承和圓錐滾子軸承成對(duì)安裝。
【文檔編號(hào)】B25J17/02GK205704263SQ201620533337
【公開(kāi)日】2016年11月23日
【申請(qǐng)日】2016年6月2日
【發(fā)明人】岑宇鈿, 肖南峰
【申請(qǐng)人】華南理工大學(xué)