范建會(huì)

國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專(zhuān)利局專(zhuān)利審查協(xié)作天津中心，天津, 300304

斜面偏轉(zhuǎn)機(jī)器人關(guān)節(jié)領(lǐng)域技術(shù)綜述

范建會(huì)

國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專(zhuān)利局專(zhuān)利審查協(xié)作天津中心，天津, 300304

隨著精密制造的不斷深化，斜面偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)通過(guò)其結(jié)構(gòu)緊湊、強(qiáng)度高、柔性好以及布線方便的特點(diǎn)，逐步成為機(jī)器人關(guān)節(jié)領(lǐng)域研究中的一個(gè)重要分支，特別是在工業(yè)機(jī)器人和仿生機(jī)器人領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

機(jī)器人；斜面偏轉(zhuǎn)

1 機(jī)器人關(guān)節(jié)的分類(lèi)

按照傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可分為：齒輪傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)、鏈條傳動(dòng)、帶傳動(dòng)、連桿機(jī)構(gòu)、繩索傳動(dòng)、諧波減速傳動(dòng)以及擺線針輪減速傳動(dòng)[1]。仿生機(jī)器人是指模仿生物、從事生物特點(diǎn)工作的機(jī)器人。仿生機(jī)器人是機(jī)器人領(lǐng)域一個(gè)重要分支也是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)，大量斜面偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)中，其主要特點(diǎn)是冗余自由度多，機(jī)構(gòu)復(fù)雜，多由回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成，斜面偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)是功能關(guān)節(jié)的常用選擇部件。

2 回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的主要技術(shù)分支

工業(yè)機(jī)器人經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，在汽車(chē)制造、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療救援、軍事和空間探索等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，生產(chǎn)商推出了具有斜面偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的雙臂機(jī)器人，能夠完成工件裝配、服務(wù)等復(fù)雜的任務(wù)。

為了使機(jī)器人具有更多的自由度以具有更高的適應(yīng)性，并可以很大程度上縮小整體結(jié)構(gòu)尺寸，目前利用蛇的仿生原理獲得的兩自由度運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)研究前景廣闊。第一代兩自由度旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)包括兩個(gè)簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)副并連接至其他旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，從而形成蛇形機(jī)器人，這種設(shè)計(jì)使機(jī)器人的體積和質(zhì)量明顯降低。隨著技術(shù)的發(fā)展，將具有驅(qū)動(dòng)能力的通用副設(shè)置在新式的兩自由度的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)中，但不能滿(mǎn)足體積和扭曲的要求。而斜面偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的出現(xiàn)解決了以上問(wèn)題，它使用了斜面雙旋轉(zhuǎn)副作為整體部件，并具有關(guān)節(jié)中通用副的不規(guī)則變化以及相對(duì)小的負(fù)荷體積比。NEC公司的蛇形機(jī)器人（US4683406A）是最具有偏置式旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)開(kāi)拓性的相關(guān)技術(shù)，它使用相對(duì)大的通用副防止來(lái)自于兩個(gè)凹槽的任何相對(duì)扭曲，但該關(guān)節(jié)依然笨重，其通用副不能對(duì)兩組件的轉(zhuǎn)速進(jìn)行線性傳遞，使運(yùn)動(dòng)副難于控制，且偏移速度不是常量。

1995年，美國(guó)飛行器推進(jìn)器實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)出了一種10自由度蛇形機(jī)器人，所有關(guān)節(jié)均直接由電機(jī)控制，電機(jī)均安裝于機(jī)器人內(nèi)部。然而，在JPL機(jī)器人中，為了在蛇形機(jī)器人內(nèi)部布線使用了中空式的通用副，但該通用副會(huì)使整個(gè)機(jī)器人出現(xiàn)剛度低、易破碎的缺點(diǎn)。之后，美國(guó)西北太平洋國(guó)際實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了一種具有14自由度的機(jī)械手，這種設(shè)計(jì)采用具有簡(jiǎn)單絲杠結(jié)構(gòu)的通用副來(lái)驅(qū)動(dòng)雙旋轉(zhuǎn)副，關(guān)節(jié)剛度增強(qiáng)，但成本較高、魯棒性差。

2.2 斜面偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的專(zhuān)利申請(qǐng)量趨勢(shì)分析

圖1示出了斜面偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)近30年的國(guó)內(nèi)外專(zhuān)利申請(qǐng)量趨勢(shì)。1995年前，斜面偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)領(lǐng)域僅有十幾件專(zhuān)利申請(qǐng)，該階段中斜面偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)均作為蛇形機(jī)器人中的關(guān)節(jié)部件，專(zhuān)利申請(qǐng)主要在于蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活性的概念性及原理設(shè)計(jì)。這一階段的主要申請(qǐng)人包括諸如NEC公司，以及進(jìn)行探索性研究的實(shí)驗(yàn)室。

圖1 斜面偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)國(guó)內(nèi)外專(zhuān)利申請(qǐng)量

1995-2000年，隨著電子、材料及機(jī)械制造領(lǐng)域技術(shù)的不斷進(jìn)步，斜面偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)逐步應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人。在這一階段，原有的研究者活躍起來(lái)，同時(shí)更多的斜面偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)感興趣的申請(qǐng)人出現(xiàn)。

2001-2007年，即自精密制造業(yè)迅速發(fā)展以來(lái)，斜面偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)器人領(lǐng)域的專(zhuān)利申請(qǐng)進(jìn)入快速增長(zhǎng)期，2001年之后增長(zhǎng)速度進(jìn)一步加快。在這一時(shí)期，專(zhuān)利申請(qǐng)量增長(zhǎng)十分明顯，特別是隨著日本安川電機(jī)進(jìn)入這一領(lǐng)域，該技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)能力和專(zhuān)利布局能力大幅度提升，該時(shí)期實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的斜面偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)器人產(chǎn)品也逐步增多。國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的研究也逐漸起步，2007年國(guó)內(nèi)申請(qǐng)量達(dá)到頂峰。

2008-2015年，該領(lǐng)域的專(zhuān)利申請(qǐng)進(jìn)入調(diào)整階段，專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量逐漸減少。這可能一方面受到經(jīng)濟(jì)危機(jī)的影響，另一方面也受到一些新技術(shù)的沖擊，如并聯(lián)機(jī)器人領(lǐng)域的不斷發(fā)展以及機(jī)器人關(guān)節(jié)相關(guān)配件性能的提升。

3 偏置式旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)器人的現(xiàn)狀分析

從全球的專(zhuān)利數(shù)據(jù)來(lái)看，偏置式旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)研究主要集中在結(jié)構(gòu)的緊湊度、強(qiáng)度、轉(zhuǎn)動(dòng)能力、可達(dá)空間、關(guān)節(jié)柔性、中空軸組裝以及線性控制等方面。但是國(guó)內(nèi)申請(qǐng)較為側(cè)重在關(guān)節(jié)中空結(jié)構(gòu)的申請(qǐng)上，而國(guó)外最為注重的是關(guān)節(jié)的緊湊性和柔性的申請(qǐng)方面。這是由于我國(guó)對(duì)基礎(chǔ)部件的研究起步較晚引起的，且關(guān)節(jié)中空結(jié)構(gòu)的直接影響也使得國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人過(guò)多地關(guān)注在關(guān)節(jié)中空結(jié)構(gòu)上。

3.1 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)緊湊度

US4657472A是KUKA公司首次提出的一種機(jī)械臂的頭部組件，該組件包括三個(gè)部分，末段部分可以相對(duì)中段部分有傾斜角度的旋轉(zhuǎn)，從而使得整個(gè)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)緊湊。隨后，KUKA公司對(duì)于上述設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，DE3545068A1的技術(shù)方案進(jìn)一步解決了機(jī)械臂上斜面偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的擺動(dòng)問(wèn)題，通過(guò)對(duì)傾斜的驅(qū)動(dòng)軸進(jìn)行補(bǔ)償，增強(qiáng)了驅(qū)動(dòng)精度。US2003010148A1中的機(jī)械臂由于斜面偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)被通過(guò)兩種軸反向機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)，使得機(jī)械臂的控制簡(jiǎn)化。CN1771115A是日本川崎重工提出的一種關(guān)節(jié)式機(jī)械手，其關(guān)節(jié)包括同軸關(guān)節(jié)和傾斜關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)式機(jī)械手，增強(qiáng)了關(guān)節(jié)之間的緊湊性。

3.2 關(guān)節(jié)強(qiáng)度

US4841795A是一種可旋轉(zhuǎn)通用副的工作頭組件，該工作頭組件包括支撐心軸和支撐臂，該具有通用副的關(guān)節(jié)中是由一組軸承與旋轉(zhuǎn)齒輪組成的，該種結(jié)構(gòu)具有較高的強(qiáng)度。US2002166403A1是CHOSET提出的一種緊湊機(jī)器化的斜面偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。

3.3 關(guān)節(jié)柔性化

HITACHI提出了一種具有至少2個(gè)自由度的手腕機(jī)構(gòu)EP0200202A2，該手腕機(jī)構(gòu)被放置在一個(gè)工業(yè)機(jī)器人手臂的頂端，手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)軸的部件間的夾角不超過(guò)90°。US4904148A是一種具有可彎折關(guān)節(jié)的工業(yè)機(jī)器人，其運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)表面與縱向軸相傾斜，傾斜的運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)表面位于中間臂的兩側(cè)，并與之外部邊緣交叉。

3.4 關(guān)節(jié)中空軸組裝

EP0299551A1是具有軸向旋轉(zhuǎn)中空軸組裝而成的斜面偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這種布置使多關(guān)節(jié)的工業(yè)機(jī)器人增加了若干自由度，并具有用于服務(wù)的軸向腔體。同時(shí)EP0873826A2也提供了一種簡(jiǎn)化和中空軸的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)以連接機(jī)器人以及工具。CN201863207U是鴻富錦精密工業(yè)提出了一種三自由度空心手腕，包括具有轉(zhuǎn)動(dòng)軸線斜交的三個(gè)關(guān)節(jié)，并且設(shè)有內(nèi)部中空管道，所有管線從手腕的內(nèi)部穿過(guò)連接到工具端尾部。鴻富錦精密工業(yè)又通過(guò)CN102527560A對(duì)噴涂機(jī)器人臂部件進(jìn)行改進(jìn)，其內(nèi)部形成一個(gè)供連接至噴涂機(jī)構(gòu)的管線穿設(shè)的通道，上述具有斜面偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的噴涂機(jī)器人臂部件可避免管線暴露于噴涂環(huán)境中被污染。

4 斜面偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)器人的趨勢(shì)預(yù)測(cè)

為了更真實(shí)地模擬生物體的動(dòng)作和適應(yīng)環(huán)境要求，因此斜面偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)對(duì)機(jī)器人動(dòng)作的準(zhǔn)確性具有關(guān)鍵的作用。隨著伺服驅(qū)動(dòng)、控制和傳感技術(shù)等機(jī)電技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人斜面偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)呈現(xiàn)出新的特征和趨勢(shì)。

4.1 關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的系列化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化

美國(guó)、日本和德國(guó)等國(guó)家一直致力于研究具有斜面偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)模塊化的蛇形機(jī)器人，其可以根據(jù)用戶(hù)需求、地形、目標(biāo)、運(yùn)動(dòng)等組合出成千上萬(wàn)種型號(hào)，通過(guò)按需配置可以縮短設(shè)計(jì)周期，降低成本，促進(jìn)機(jī)器人跨越式發(fā)展。

4.2 關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)小型化

隨著機(jī)器人面對(duì)的使用環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，具有高負(fù)載，大力矩、小體積、重量輕的直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)展促進(jìn)了關(guān)節(jié)的小型化發(fā)展。斜面偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)應(yīng)從機(jī)構(gòu)、控制電路、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳感器等系統(tǒng)配置部件的改進(jìn)入手，如復(fù)合型通用副，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)出符合實(shí)際應(yīng)用的伺服系統(tǒng)，達(dá)到最佳的耦合和匹配，從而更好地滿(mǎn)足了機(jī)器人高精度、小體積、低重量的要求。

4.3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的新應(yīng)用

隨著新型驅(qū)動(dòng)器的發(fā)展，如具有人工肌肉，記憶合金，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)等，以及一些通過(guò)微/納操作系統(tǒng)的斜面偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)也會(huì)在不久的將來(lái)不斷出現(xiàn)。

[1]王光建,梁錫昌,蔣建東.機(jī)器人關(guān)節(jié)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].機(jī)械傳動(dòng).2004(04):1-5.

[2]范建會(huì),趙新華,李彬.一種新型三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)及其工作空間分析[J].天津理工大學(xué)學(xué)報(bào).2013(05):16-20.

范建會(huì)/1982年生/男/天津人/碩士/研究方向?yàn)闄C(jī)器人