淺談機器人機械系統(tǒng)設計教學要點范文
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摘要：為了滿足企業(yè)在轉型升級、快速發(fā)展背景下對機器人技術人才日益增加的需求，針對工業(yè)機器人機械系統(tǒng)設計教學存在的問題，以工業(yè)機器人機械系統(tǒng)的典型傳動鏈分析為例，對機械系統(tǒng)設計的教學要點進行歸納總結，以便于學生理解與掌握機械系統(tǒng)設計的核心知識點以及學習過程中存在的抽象、不易理解的問題，這有助于提高課程的教學質(zhì)量。
關鍵詞：工業(yè)機器人；機械系統(tǒng)設計；傳動鏈；教學改革
隨著國家“機器換人”戰(zhàn)略的實施和企業(yè)轉型升級的推進，工業(yè)機器人的應用越來越廣泛，社會對熟練掌握機器人工作原理，懂編程操作、維護維修和故障診斷的技術人員的需求也越來越大。因此，順應教育部“新工科”的教學改革要求，開設機器人相關專業(yè)、培養(yǎng)社會急需人才的高校也越來越多，尤其是高職高專院校和應用型本科院校幾乎均新設了工業(yè)機器人技術及應用專業(yè)。隨著機器人技術的快速發(fā)展，工業(yè)機器人課程原有的教學大綱、課程體系、教學內(nèi)容、教學方法以及師資隊伍已難以適應創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需要。此外，機械本體的內(nèi)部結構看不見、摸不著，電機如何驅(qū)動關節(jié)運動、傳動鏈如何設計等問題，更是教學的難點，這些問題制約了學生對相關內(nèi)容的理解和有效掌握。鑒于此，筆者以工業(yè)機器人機械系統(tǒng)的典型傳動鏈分析為例，對機械系統(tǒng)設計的教學要點進行歸納總結，以期提高課程的教學質(zhì)量。
一、工業(yè)機器人機械系統(tǒng)設計
工業(yè)機器人通常由機械系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)四部分組成，其中機械系統(tǒng)是機器人的基礎部分，相當于人的骨骼。這部分內(nèi)容是有效、扎實地學習、掌握機器人技術的機械基礎，其教學目的是讓學生了解與掌握機械結構系統(tǒng)的總體組成、各關節(jié)配置特點、典型傳動鏈方案設計、結構的演變與創(chuàng)新等內(nèi)容。工業(yè)機器人機械系統(tǒng)通常由機身（含基座）、臂部（含手腕）和手部三大部分組成。機身和基座相連，支撐臂部。臂部由大臂和小臂組成，大臂與機身相連，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際應用來定。在教學過程中，針對這三部分，教師要突出關節(jié)機構實現(xiàn)的自由度、關節(jié)布置、傳動鏈的合理布局方案分析，并結合實驗室中的六自由度機器人實體，讓學生在課堂教學和實驗教學中深入學習不同應用場合下的工業(yè)機器人機構、傳動、驅(qū)動有機融合的一體化機械系統(tǒng)設計方法，為教師后續(xù)運動學、動力學分析章節(jié)的講解及探究打下基礎。
（一）機身工業(yè)機器人的機身具有一個回轉自由度，即腰部的回轉運動。腰部要支撐整個機身繞基座進行旋轉，在機器人6個關節(jié)中受力最大，也最復雜，其既承受很大的軸向力、徑向力，又承受傾覆力矩，該關節(jié)應具有較高的運動精度和剛度。因此，腰關節(jié)多采用高剛性和高精度的RV減速器傳動，RV減速器內(nèi)部有一對徑向止推球軸承，可承受機器人的傾覆力矩，能夠滿足在無基座軸承時抗顛覆力矩的要求，故可取消基座軸承。機器人腰部回轉精度靠RV減速器的回轉精度保證。由于底座安裝空間的限制，腰部電機多采用立式倒置安裝。按照驅(qū)動電機旋轉軸線與減速器旋轉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器人，采用減速器一級減速；偏置式布置方案多用于中大型機器人，采用齒輪傳動與減速器結合的二級減速。
（二）臂部工業(yè)機器人的臂部由大臂、小臂組成，具有2個自由度，大臂與機身相連的關節(jié)為肩關節(jié)，大臂和小臂相連的關節(jié)為肘關節(jié)。肩、肘關節(jié)承受很大扭矩（肩關節(jié)同時承受來自平衡裝置的彎矩），應具有較高的運動精度和剛度。按照電機旋轉軸線與減速器旋轉軸線是否在一條線上，肩、肘關節(jié)電機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，減速器的外殼旋轉帶動小臂做相對于大臂的俯仰運動。偏置式方案中，電機軸線與減速器軸線向下偏置，電機通過一對外嚙合齒輪做一級減速，減速器做二級減速后，其外殼帶動小臂運動。
（三）腕部工業(yè)機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)，通常要求腕部能實現(xiàn)對空間3個坐標軸x、y、z的轉動，即具有回轉、俯仰和偏轉3個自由度。關節(jié)型機器人主流手腕結構多采用RBR手腕，具有小臂旋轉（R軸）、手腕擺動（B軸）和手腕旋轉（T軸）三個自由度。對于小負載機器人，手腕3個關節(jié)電機一般布置在機器人小臂內(nèi)部；對于中、大負載電機，手腕3個關節(jié)電機一般布置在機器人小臂的末端，以盡量減少小臂重力的不平衡。小臂在結構上做成前后兩段以實現(xiàn)小臂的旋轉運動，對于小負載機器人，機器人R軸驅(qū)動電機布置在小臂后段，超過肘關節(jié)的旋轉中心。R軸驅(qū)動電機通過諧波減速器的減速，其輸出軸轉盤帶動小臂前段旋轉，實現(xiàn)小臂的旋轉運動。B軸和T軸驅(qū)動電機均沿小臂軸線方向布置。B軸驅(qū)動電機的輸出，通過錐齒輪改變旋轉方向后，由同步帶將運動傳遞給諧波減速器，諧波減速器的輸出軸固定，殼體旋轉帶動安裝其上的手腕做擺動，實現(xiàn)B軸運動。T軸的運動傳遞與B軸相似，傳動鏈為：錐齒輪—同步帶—錐齒輪—諧波減速器—手腕。
二、典型傳動鏈設計分析
傳動鏈的設計對保證運動與動力的正確傳遞、實現(xiàn)機構的平衡、促進結構優(yōu)化都是非常重要的，筆者以中大型負載機器人的腕部3個關節(jié)處的傳動鏈設計為例，進行教學分析。考慮到重力平衡問題，手腕三軸驅(qū)動電機盡量向小臂的末端布置，并超過肘關節(jié)旋轉中心。手腕三軸電機可以布置成三角形，也可以布置在一條線上。下圖為手腕三軸驅(qū)動電機后置的典型傳動鏈原理圖，三軸驅(qū)動電機內(nèi)置于小臂后段內(nèi)。R軸驅(qū)動電機D4的輸出，通過中空型RV減速器R4，直接帶動小臂前段相對于后段旋轉，實現(xiàn)R軸的旋轉運動；B軸驅(qū)動電機D5的輸出，通過兩端帶齒輪的薄壁套筒，將運動傳遞給RV減速器R5，減速器R5的輸出軸帶動手腕做擺動，實現(xiàn)B軸的旋轉運動；T軸驅(qū)動電機D6的輸出，通過實心細長軸和1對錐齒輪，再通過同步帶和1對錐齒輪，將運動傳遞給RV減速器R6，減速器R6的輸出軸直接帶動手腕法蘭盤轉動6，實現(xiàn)T軸的旋轉運動。
三、機械系統(tǒng)設計的演變與創(chuàng)新
從1979年美國Unimation公司推出的第一臺工業(yè)機器人Puma，到當前流行的工業(yè)機器人機械臂，機械本體結構、手腕結構和控制理論等方面并沒有特別的、本質(zhì)的變化，僅僅在結構上把Puma機器人向一邊偏置的肩寬改變?yōu)橄蚯安贾?，擴大了機器人正前方的工作范圍。以下幾個方面將是工業(yè)機器人機械系統(tǒng)設計未來的發(fā)展方向。第一，模塊化設計。機器人是由多級連桿和關節(jié)串聯(lián)組成的多自由度的空間運動機構，機構設計向模塊化、可重構方向發(fā)展。伺服電機、減速器和檢測系統(tǒng)三位一體化，形成關節(jié)模塊，將關節(jié)模塊和連桿模塊用重組的方式構造整機，可方便地設計出滿足不同載荷和運動范圍要求的機器人產(chǎn)品，減少設計周期，降低制造成本，有利于批量生產(chǎn)。第二，高強度輕質(zhì)材料。在材料選擇上，新的高強度輕質(zhì)材料是不錯的選擇，可以進一步提高機器人結構的負載/自重比。通常機器人小臂和腕部采用高強度鋁合金，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，在保證強度和剛度的前提下，追求重量輕、加工周期短、用材少。基座采用鑄鐵，吸振效果好、易成型。第三，高傳動精度。傳動機構設計向結構緊湊、提高傳動精度的方向發(fā)展，應保證傳動路線短，提高傳動與支承剛度，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。同時采用RV減速器和交流伺服系統(tǒng)，使機器人機械系統(tǒng)成為免維護系統(tǒng)。
四、結語
工業(yè)機器人機械系統(tǒng)是機器人的支承基礎和執(zhí)行機構，計算、分析和編程的最終目的是要通過本體的運動完成特定的任務。機械系統(tǒng)是機器人設計的一個重要內(nèi)容，其結果直接決定機器人的工作性能。筆者以工業(yè)機器人機械系統(tǒng)的典型傳動鏈分析為例，對機械系統(tǒng)設計的教學要點進行歸納總結，從設計思路、多種設計方案及典型傳動鏈實例的角度講授工業(yè)機器人機械系統(tǒng)的設計方法，把抽象的機械系統(tǒng)教學難點進行核心內(nèi)容的提煉，有利于工科學生對工業(yè)機器人機械系統(tǒng)設計的深入學習。
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作者：韓建海 郭冰菁 李向攀 單位：河南科技大學