基于机器人手臂关节机械设计的研究

【摘要】机械手臂是机器人的一个重要组成。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。本文着重分析了旋转关节、传动系统、减速系统进行实现等内容，希望与大家共同探讨。

【关键词】机器人 手臂关节 机械设计

随着制造成本的降低、工作效率和可靠性的大副提高，在工业生产中机器人的应用越来越广泛。机械手臂是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在生产过程中，机械手臂广泛应用于自动生产线中，使得现代生产能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。下面主要探讨机器人旋转关节、传动系统、减速系统进行实现等的设计实现。

一、手臂关节模块设计

手臂关节模块包含了许多零部件，主要有旋转电机、减速器和反馈单元等。在手臂关节的内部固定了控制单元和传动系统，以二级减速传动作为传动模式，即齿轮减速传动与谐波减速传动，这种传动模式可以支持手臂关节自由度之内的回转运动。下面具体阐述其设计方案：

（一）模块外壳方案

手臂关节的外壳能够为电机、制动器、滚动轴承提供必要的机械支撑，并起到必要的保护作用。在手臂关节运动的过程中，模块的外壳也承受了期间多产生的种种应力，因此模块的外壳必须满足一定的刚度。图1所示为外壳的设计示意图：由图1可知，模块外壳的主要构成部分包括：底盖、电机、齿轮盖、主壳体、轴承、制动器等。其中，底盖位于结构的底端，其作用是为整个旋转模块的各个部件提供支撑与连接；主壳体构成此部件单元的外壳，对单元当中的电机、制动器等子单元起到连接和支撑作用；齿轮盖覆盖于模块的齿轮传动单元之上，起到保护和连接作用，而且能够支持谐波齿轮减速器的安装。为保证机械臂有足够的强度，模块外壳选取的制作材料为铝合金，并将壁体设计为圆桶状的抗压结构，为防止氧化与腐蚀，表面结果特殊处理。

（二）减速齿轮方案

图2所示为减速齿轮方案的设计示意图：由图可知，减速齿轮方案的主要构成部分包括：电机连接齿轮、中心齿轮、中心轴以及制动连接齿轮等。其实现方式简述如下：通过小齿轮来连接直流电机的输出端，然后通过与小齿轮相咬合的中心齿轮互相连接；同理，通过另一个小齿轮来连接断电制动器的输出端，然后通过与小齿轮相咬合的中心齿轮互相连接。在这种啮合模式下，当减速齿轮单元加电后，便由系统的电机来作为动力源输出，而当减速齿轮单元端电后，便由系统的制动器来作为阻力源输出。考虑到机械臂的关节在不同运动时，会使减速齿轮持续维持高速转动状态，因此必须有足量的润滑剂。又因为该减速齿轮不是封闭结构，因此本文以滑脂来起到齿轮润滑的作用。

（三）中轴传动方案

中轴的传动方案是整个机械臂设计中非常关键的一个组成部分。中轴传动的作用是，首先支持来自中心齿轮的动力，其次还要为波发射器高效传递动力。考虑到中轴会承接一定比例的来自轴向的受力和很大比例的径向应力，因此为支持中轴，引入了角接触轴承。中轴传动单元主要由旋转模块、断电制动器、卡簧、角接触轴承、中心齿轮、主轴、连接法兰以及波发射器组成，图3所示为中轴传动方案的设计示意图。

因为中轴传动单元在设计上要求同轴度与圆柱度都在较高的水准，因此尤其应注重其材料选择和参数控制。本研究所设计的中轴用以45号钢才作为原料，并在成型后淬火，从而保证单元在表面具备一定的硬度。

在中轴传动方案中，最关键的是旋转模块的结构设计。旋转模块的设计思路是：将其转轴与中心轴线重合，并以电机驱动。在模块上部署有电磁编码器，用于周期性地检测角位移和角速度。将之与直流伺服电机相联。结合具体的应用环境与需求，直流伺服电机也可以加装起到减速增力作用的行星减速箱，共同起到动力输出的作用。而后通过小齿轮与中心齿轮的咬合，以正齿轮传动方式来实现系统的减速增力功能。

断电制动器的结构设计也是中轴传动方案中的关键，断电制动器有两方面的作用，首先在旋转模块进行位置搜索时能够起到保持作用，其次，在旋转模块因故失去电源之后也能发挥保护的功能。在中轴中，当旋转单元加电，并处于转动状态的时候，断电制动单元便会随着系统的小齿轮单元传递过来的中心齿轮作用而转动，而在断电制动器运动的时候，其输出轴的动力也来自小齿轮单元。在本文所涉及的机械臂中，电机与制动器全部布置于电机底座，并且将电机底也作为旋转单元外壳的一部分，其好处在于保护内部零部件。

二、连接件模块设计

连接件的主要功能是在机械臂中连接旋转关节不同的单元，因此是机械臂的重要组合部分，对机械臂的组合与功能的发挥均有着不容忽视的作用。由于机械臂的各个模块单元是相对独立的关系，因此只要将不同的模块单元互相组合，起可以发挥机器人的机械臂基本功能。因此本文结合具体的需求，设计开发了数种类型不同的连接结构。图4所示为连接件模块的设计示意图：图中所示为结合不同工作车需求的连接件实例。机器人的机械臂在实际操作中，连接件实现了不同部件单元之间的力矩传递，而其质量的大小也关系到机械臂整体重量和轻便程度，因此在实际设计中，一方面应保证改模块单元具有足够的机械强度，另一方面也应考虑到减轻其质量。本文在设计中，考虑到铝合金属于高强度低密度的材料，同时具有比较好的可塑性，因此以铝合金作为连接件的制作材料。

三、模块手抓单元

图5所示为模块手抓单元的设计示意图：该示意图为模块手抓单元的末端执行器机械结构。考虑到机械臂必须部署在一个可以移动的平台上，来在现场抓取物体，因此模块手抓单元的末端执行器是其中最重要的组件。为了满足这个系统的模块化的设计，末端执行器必须具备一定的应用和扩展功能。假若模块手抓单元附加多指灵巧手，其实能够抓取更多类型的对象，本课题的研究只需模块手抓单元能够抓取简单对象，因此使用了图中的简单的夹钳手抓，其优点是结构简单、容易控制。

四、结束语

总之，我国机器人的设计研究和应用较之国外晚，随着机器人的快速发展、社会需求的增大和技术的不断进步，机器人在更多的领域得到了越来越广泛的应用和发展，考虑到机械臂的结构具有比较高的复杂性，因此这是一项具有重要意义的研究。

参考文献：

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[2]杨德伟，冯祖仁，张翔.新型三臂巡线机器人机构设计及运动分析[J].西安交通大学学报，2012，（09）.

[3]李潍.基于虚拟仪器的五自由度机器人手臂的设计与控制[J].仪器仪表与分析监测，2010，（02）.

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