用于機(jī)器人關(guān)節(jié)伺服電機(jī)慣量匹配的電機(jī)輸出齒輪機(jī)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型設(shè)及一種機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)的齒輪系統(tǒng)，尤其是用于機(jī)器人關(guān) 節(jié)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)-傳動(dòng)鏈慣量匹配的電機(jī)輸出齒輪機(jī)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在機(jī)器人本體設(shè)計(jì)中，由于關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能表現(xiàn)會(huì)受到折算到電機(jī)輸出 軸上的負(fù)載慣量和自身轉(zhuǎn)子慣量比值(負(fù)慣比）的影響，如，當(dāng)負(fù)慣比超出伺服電機(jī)許用范 圍，則會(huì)出現(xiàn)PID參數(shù)難W整定或通過PID參數(shù)整定無法調(diào)節(jié)的啟停抖動(dòng)、低速爬行，運(yùn)行不 穩(wěn)定等現(xiàn)象。此類現(xiàn)象將使得機(jī)器人最終無法滿足特定應(yīng)用，而導(dǎo)致整個(gè)機(jī)器人機(jī)械本體 設(shè)計(jì)失效。
[0003] 因此，在進(jìn)行關(guān)節(jié)傳動(dòng)系的設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮上述影響，配置合適的減速比，將負(fù) 慣比控制在伺服電機(jī)許用的范圍內(nèi)（負(fù)慣比=負(fù)載慣量/(減速比的平方乘W電機(jī)轉(zhuǎn)子慣 量））。目前，降低負(fù)慣比的方法主要有：（1)增大減速比；（2)選用具有大轉(zhuǎn)子慣量的伺服電 機(jī);（3)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上固定附加慣量盤。
[0004] 上述方法的主要缺陷如下：
[0005] (1)增大減速比的方法，一方面機(jī)器人關(guān)節(jié)目標(biāo)最高轉(zhuǎn)速將隨之降低，進(jìn)而不滿足 關(guān)節(jié)速度指標(biāo)，另一方面，較高的減速比要求須通過選用減速機(jī)實(shí)現(xiàn)，運(yùn)將明顯提升機(jī)器人 本體成本，不經(jīng)濟(jì)。
[0006] (2)選用具有大轉(zhuǎn)子慣量的伺服電機(jī)的方法，主要將大幅增加機(jī)器人本體成本，也 會(huì)存在由于質(zhì)量、尺寸等物理參數(shù)的增加而使得機(jī)器人性能下降或外觀不協(xié)調(diào)等問題。
[0007] (3)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上固定附加慣量盤的方法，受軸伸影響，增加慣量盤后，電機(jī)軸將沒 有足夠的空間裝配輸出齒輪。中國(guó)實(shí)用新型專利申請(qǐng)公開了一種"高慣量馬達(dá)"（申請(qǐng)?zhí)?200610002768.8)，若按照其說明書圖5所示，加裝一個(gè)慣量盤，則將使得電機(jī)輸出齒輪與電 機(jī)轉(zhuǎn)軸之間多一級(jí)傳動(dòng)連接。若基于此方法設(shè)計(jì)，則機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)-傳動(dòng)鏈形成四質(zhì)量慣 性系統(tǒng)(如圖1所示），不僅增大了整個(gè)傳動(dòng)系的柔性和電機(jī)軸曉性，最終也影響機(jī)器人關(guān)節(jié) 的高速運(yùn)行性能;也難W滿足機(jī)器人關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)關(guān)節(jié)空間的最小化的追求，甚至許用空 間內(nèi)根本無法增加附加慣量盤。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[000引本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題，在于客服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提出了一種電 機(jī)輸出齒輪機(jī)構(gòu)，用于機(jī)器人關(guān)節(jié)伺服電機(jī)慣量匹配，使得負(fù)慣比限定在伺服電機(jī)許用范 圍內(nèi)，無需設(shè)置獨(dú)立的慣量盤，消除了附加慣量盤和輸出齒輪之間的傳動(dòng)連接，降低了關(guān)節(jié) 傳動(dòng)系的柔性，有利于關(guān)節(jié)傳動(dòng)精度的提升。
[0009]在機(jī)器人關(guān)節(jié)傳動(dòng)系設(shè)計(jì)中，電機(jī)輸出齒輪結(jié)構(gòu)一般如圖2所示。為了達(dá)到增加轉(zhuǎn) 子所需慣量的目的，在電機(jī)軸上加裝一個(gè)慣量盤。此時(shí)，負(fù)慣比的計(jì)算公式及上線范圍如 下：
[0010]
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[001引由此可W推出；
[0014]
[0015] 若
[0016]
(1)
[0017] 則可^讓^= 0。因此，只要輸出齒輪慣量達(dá)到一定的值，在機(jī)器人關(guān)節(jié)傳動(dòng)系可 W不用加裝慣量盤。
[0018] 基于上述思路，本實(shí)用新型為了實(shí)現(xiàn)實(shí)用新型目的，提出了一種用于機(jī)器人關(guān)節(jié) 伺服電機(jī)慣量匹配的電機(jī)輸出齒輪機(jī)構(gòu)，包括輸出齒輪和齒輪軸，所述輸出齒輪套裝在齒 輪軸上;其特征是:所述輸出齒輪在其一個(gè)面上帶有慣量體，所述慣量體為旋轉(zhuǎn)體且旋轉(zhuǎn)軸 與齒輪軸同軸;所述帶有慣量體的輸出齒輪，其慣量滿足W下條件：
[0019]
[0020] 為了使得輸出齒輪的慣量可調(diào)節(jié)，所述輸出齒輪的慣量體為空腔旋轉(zhuǎn)體。
[0021] 經(jīng)本方案修改優(yōu)化后，機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)-傳動(dòng)鏈形成Ξ質(zhì)量慣性系統(tǒng)，如圖8所示。 在外形修改的基礎(chǔ)上，驅(qū)動(dòng)軟件算法中也可同時(shí)輔W修改與轉(zhuǎn)子慣量相關(guān)的參數(shù)，進(jìn)一步 降低伺服PID參數(shù)整定范圍與難度，更好地實(shí)現(xiàn)降低系統(tǒng)負(fù)慣比后的電機(jī)運(yùn)行效果。
[0022] 本實(shí)用新型電機(jī)輸出齒輪機(jī)構(gòu)，用于機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)-傳動(dòng)鏈，可W方便地解決伺 服電機(jī)慣量匹配問題。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)。本實(shí)用新型不僅突破了電機(jī)軸伸對(duì)增加附加慣量 盤的限制，也能高效地利用機(jī)器人有限的關(guān)節(jié)空間。消除了附加慣量盤和輸出齒輪之間的 傳動(dòng)連接，由傳統(tǒng)的"四質(zhì)量慣性系統(tǒng)"（如圖1所示）降至"Ξ質(zhì)量慣性系統(tǒng)"（如圖8所 示），降低了關(guān)節(jié)傳動(dòng)系的柔性，有利于關(guān)節(jié)傳動(dòng)精度的提升。給出了齒輪軸基于慣量需求 的修改計(jì)算依據(jù);通過公式計(jì)算，能夠較為精確地調(diào)節(jié)機(jī)器人關(guān)節(jié)伺服負(fù)慣比值，在確保關(guān) 節(jié)運(yùn)行的性能，如平穩(wěn)性、精確性等基礎(chǔ)上，最大程度滿足機(jī)器人關(guān)節(jié)空間要求。避免了附 加慣量盤帶來的轉(zhuǎn)軸曉性增加對(duì)機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)行噪音、精度等方面的不良影響。有效地緩 解伺服電機(jī)在大負(fù)慣比運(yùn)行情況下的PID參數(shù)不易整定現(xiàn)象，和消除PID參數(shù)整定無法調(diào)節(jié) 的其他異常現(xiàn)象。
[0023] 為了確保由于慣量增加帶來的連接處的沖擊和熱量增加，特給出了齒輪軸的抽空 設(shè)計(jì)，如圖11所示。
【附圖說明】
[0024] 圖1是現(xiàn)有技術(shù)附加慣量盤方式的四質(zhì)量慣性系統(tǒng)示意圖。
[0025] 圖2是現(xiàn)有技術(shù)伺服電機(jī)輸出齒輪結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026] 圖3是現(xiàn)有技術(shù)伺服電機(jī)輸出齒輪結(jié)構(gòu)安裝在關(guān)節(jié)內(nèi)的剖面示意圖。
[0027] 圖4是本實(shí)用新型中輸出齒輪機(jī)構(gòu)與電機(jī)輸出軸安裝示意圖。
[0028] 圖5是本實(shí)用新型伺服電機(jī)輸出齒輪結(jié)構(gòu)安裝在關(guān)節(jié)內(nèi)的剖面示意圖。
[0029] 圖6是本實(shí)用新型輸出齒輪機(jī)構(gòu)剖面示意圖。圖6(a)的輸出齒輪的慣量體為曲線 旋轉(zhuǎn)體、圖6(b)的輸出齒輪的慣量體為圓盤組合體。
[0030] 圖7本實(shí)用新型中輸出齒輪機(jī)構(gòu)剖面示意圖（輸出齒輪的慣量體為空腔旋轉(zhuǎn)體）。
[0031] 圖8是本實(shí)用新型齒輪機(jī)構(gòu)應(yīng)用后，機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)-傳動(dòng)鏈"Ξ質(zhì)量慣性系統(tǒng)"示 意圖。
[0032] 圖9是伺服電機(jī)在大負(fù)慣比情況下，經(jīng)多次PID參數(shù)整定后控制器給定速度(a線） 和電機(jī)反饋速度曲線(b線)對(duì)比圖。
[0033] 圖10是經(jīng)實(shí)用新型調(diào)整后，結(jié)合幾次PID參數(shù)整定，控制器給定的速度和電機(jī)反饋 的速度曲線對(duì)比圖。
[0034] 圖11是降低慣量增加后齒輪軸的散熱和防沖擊設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 下面結(jié)合附圖和事實(shí)例，對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0036] 如圖6所示，用于機(jī)器人關(guān)節(jié)伺服電機(jī)1慣量匹配的電機(jī)輸出齒輪機(jī)構(gòu)，包括輸出 齒輪2和齒輪軸，所述輸出齒輪套裝在齒輪軸上;其特征是:所述輸出齒輪在其一個(gè)面上帶 有慣量體，所述慣量體為旋轉(zhuǎn)體且旋轉(zhuǎn)軸與齒輪軸同軸;所述帶有慣量體的輸出齒輪，其慣 量滿足W下條件：
[0037]
[0038] 圖6(a)的外形修改方法易于準(zhǔn)確地得到式（1)求得的慣量值；圖6(b)的外形修改 方法有利于齒輪軸的加工。
[0039] 圖7通過設(shè)計(jì)齒輪軸空腔方式，可配合圖6外形修改方式得到目標(biāo)的慣量值。
[0040] 經(jīng)本方案修改優(yōu)化后，機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)-傳動(dòng)鏈形成Ξ質(zhì)量慣性系統(tǒng)，如圖8所示。 此外，在外形修改的基礎(chǔ)上，驅(qū)動(dòng)軟件算法中也可同時(shí)輔W修改與轉(zhuǎn)子慣量相關(guān)的參數(shù)，進(jìn) 一步降低伺服PID參數(shù)整定范圍與難度，更好地實(shí)現(xiàn)降低系統(tǒng)負(fù)慣比后的電機(jī)運(yùn)行效果。
[0041] 圖9是伺服電機(jī)在大負(fù)慣比情況下，經(jīng)多次PID參數(shù)整定后控制器給定速度(a線） 和電機(jī)反饋速度曲線(b線)對(duì)比圖。從上圖9可W看出，經(jīng)PID參數(shù)整定后，在速度保持階段 存在明顯的"抖動(dòng)"現(xiàn)象。圖10是經(jīng)本實(shí)用新型調(diào)整后，結(jié)合幾次PID參數(shù)整定，控制器給定 的速度和電機(jī)反饋的速度曲線對(duì)比圖8。通過圖9和圖10對(duì)比看出，經(jīng)本實(shí)用新型調(diào)整后，速 度運(yùn)行曲線明顯趨于穩(wěn)定，且PID參數(shù)整定難度明顯降低。因此可W說明，本方案是有效的、 可行的。
[0042]圖11是在齒輪盤面靠經(jīng)軸出進(jìn)行整列抽空設(shè)計(jì)，W提升連接散熱性和緩沖作用。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 用于機(jī)器人關(guān)節(jié)伺服電機(jī)慣量匹配的電機(jī)輸出齒輪機(jī)構(gòu)，包括輸出齒輪和齒輪軸， 所述輸出齒輪套裝在齒輪軸上;其特征是:所述輸出齒輪在其一個(gè)面上帶有慣量體，所述慣 量體為旋轉(zhuǎn)體且旋轉(zhuǎn)軸與齒輪軸同軸;所述帶有慣量體的輸出齒輪，其慣量滿足以下條件：2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述用于機(jī)器人關(guān)節(jié)伺服電機(jī)慣量匹配的電機(jī)輸出齒輪機(jī)構(gòu)，其特 征是:所述輸出齒輪的慣量體為空腔旋轉(zhuǎn)體。
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了用于機(jī)器人關(guān)節(jié)伺服電機(jī)慣量匹配的電機(jī)輸出齒輪機(jī)構(gòu)，包括輸出齒輪和齒輪軸，所述輸出齒輪套裝在齒輪軸上；其特征是：所述輸出齒輪在其一個(gè)面上帶有慣量體，所述慣量體為旋轉(zhuǎn)體且旋轉(zhuǎn)軸與齒輪軸同軸；所述帶有慣量體的輸出齒輪，其慣量滿足以下條件： 。本實(shí)用新型電機(jī)輸出齒輪機(jī)構(gòu)，方便地解決了伺服電機(jī)慣量匹配問題。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)。消除了附加慣量盤和輸出齒輪之間的傳動(dòng)連接，降低了關(guān)節(jié)傳動(dòng)系的柔性，有利于關(guān)節(jié)傳動(dòng)精度的提升。
【IPC分類】B25J17/00, B25J9/10
【公開號(hào)】CN205325680
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201620076483
【發(fā)明人】陳贛東, 衡豪
【申請(qǐng)人】南京埃斯頓機(jī)器人工程有限公司
【公開日】2016年6月22日
【申請(qǐng)日】2016年1月27日