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        一體化機(jī)器人關(guān)節(jié)的研制及應(yīng)用

        2020-12-23 22:38:19金力金湖
        裝備維修技術(shù) 2020年13期
        關(guān)鍵詞:研發(fā)模塊化

        金力 金湖

        摘要:對國內(nèi)外一體化關(guān)節(jié)及協(xié)作機(jī)器人進(jìn)行研究,概述國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,研制了集高負(fù)質(zhì)比減速機(jī)、中空電機(jī)、力矩傳感器、雙編碼器和智能驅(qū)動器于一體的多系列一體化機(jī)器人關(guān)節(jié),開展了負(fù)載和精度測試試驗,并與國內(nèi)外主要一體化關(guān)節(jié)性能進(jìn)行對比?;谝惑w化關(guān)節(jié)搭建了二軸、六軸和七軸機(jī)器人,實現(xiàn)機(jī)器人各關(guān)節(jié)分布式控制,解決機(jī)器人研發(fā)制造的模塊化、適用性和重構(gòu)性。

        關(guān)鍵詞:機(jī)器人關(guān)節(jié);協(xié)作機(jī)器人;研發(fā);模塊化

        引言:

        機(jī)電控一體化機(jī)器人關(guān)節(jié)是人機(jī)協(xié)作機(jī)器人的核心組成單元,作為機(jī)器人核心零部件之一,也是人機(jī)協(xié)作機(jī)器人的重要研究方向。目前,世界制造業(yè)對柔性、智能、個性化制造有著強(qiáng)勁的需求,協(xié)作機(jī)器人作為機(jī)器人的重要分支,自誕生以來,已取得了高速發(fā)展,產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程不斷加速,應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。人機(jī)協(xié)作型機(jī)器人具有人機(jī)優(yōu)勢互補、操作靈巧、工作效率高等突出優(yōu)點,必將成為未來柔性制造中不可替代的重要部分。除制造業(yè)以外,先進(jìn)的人機(jī)協(xié)作機(jī)器人還可廣泛應(yīng)用于服務(wù)業(yè)、3C 電子、汽車零部件等多個行業(yè)領(lǐng)域及核能、載人航天、探月等特殊領(lǐng)域,具有廣闊發(fā)展前景。

        一體化機(jī)器人關(guān)節(jié)主要分為“T型”和“I型”結(jié)構(gòu),其中“T型”結(jié)構(gòu)安裝面與輸出面垂直,具備一定的防塵防水等級,“I型”結(jié)構(gòu)安裝面與輸出面平行,結(jié)構(gòu)更緊湊,一般嵌入式安裝于機(jī)器人殼體內(nèi)部?;谝惑w化機(jī)器人關(guān)節(jié)搭建的六軸/七軸協(xié)作臂,具有模塊化的特點,方便機(jī)器人的安裝與維護(hù)。

        1、一體化機(jī)器人關(guān)節(jié)設(shè)計

        1.1一體化機(jī)器人關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)

        一體化機(jī)器人關(guān)節(jié),主要由力矩電機(jī)、諧波減速機(jī)、絕對值編碼器、增量編碼器、伺服驅(qū)動器和扭矩傳感器組成,以下對各部分概要闡述。

        1.2無框力矩電機(jī)

        一體化機(jī)器人關(guān)節(jié)采用無框力矩電機(jī),電機(jī)定子與關(guān)節(jié)殼體之間一般通過耐高溫樹脂膠粘接或過盈配合連接。電機(jī)轉(zhuǎn)子與電機(jī)軸之間一般通過樹脂膠粘接。無框力矩電機(jī)較大的直徑長度比和較多數(shù)目的磁極,保證了電機(jī)的大扭矩輸出性能和低轉(zhuǎn)速特性,其轉(zhuǎn)子中空結(jié)構(gòu),方便關(guān)節(jié)的內(nèi)部走線。

        1.3定制諧波減速機(jī)

        高精度、高傳動比諧波減速機(jī)是一體化機(jī)器人關(guān)節(jié)的核心傳動部件,其可實現(xiàn)大傳動比、小體積、高精度傳動。減速機(jī)結(jié)構(gòu)一般選用一體式高扭矩加長凸輪軸結(jié)構(gòu),柔輪為中空翻邊結(jié)構(gòu),無框力矩電機(jī)轉(zhuǎn)子直接連接在加長凸輪軸上。也有使用“三組件(柔輪、鋼輪、波發(fā)生器)”諧波減速機(jī),在結(jié)構(gòu)上使關(guān)節(jié)整體更加緊湊,但存在由裝配精度不高而產(chǎn)生異響和振動的風(fēng)險。

        1.4中空編碼器

        一體化機(jī)器人關(guān)節(jié)大部分采用雙編碼器方案,增量編碼+單圈絕對值編碼器,其中增量編碼器檢測電機(jī)端,絕對值編碼器檢測減速機(jī)輸出端,雙編碼器結(jié)構(gòu)方案可通過伺服控制來補償諧波減速機(jī)的背隙,提高關(guān)節(jié)輸出的旋轉(zhuǎn)精度。采用多圈絕對值單編碼器方案的一體化關(guān)節(jié),優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單,但是需要編碼器電池供電,關(guān)節(jié)的機(jī)械精度完全由諧波減速機(jī)自身來保證,目前常用的編碼器有:透射/反射式式光電增量編碼器、電容式絕對值編碼器、磁絕對值編碼器,編碼器位數(shù)一般選用16-18位。

        1.5 關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動器

        關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動器采用基于FPGA+ARM+DSP分布式CPU架構(gòu)的設(shè)計,全數(shù)字式驅(qū)動控制技術(shù),硬件結(jié)構(gòu)簡單,參數(shù)方便調(diào)整,可集成復(fù)雜的電機(jī)控制算法和智能化控制功能,如增益自動調(diào)整、網(wǎng)絡(luò)通訊等功能,EtherCAT主從站通信技術(shù)保證了機(jī)械臂各個關(guān)節(jié)高實時性、高可靠性。

        1.6 關(guān)節(jié)力矩傳感器

        力矩傳感器用于準(zhǔn)確測量一體化關(guān)節(jié)輸出端力矩,從而更好地實現(xiàn)機(jī)器人的力矩控制、碰撞檢測、阻抗控制等先進(jìn)動力學(xué)控制算法。對于安裝力矩傳感器的關(guān)節(jié),都需要采用進(jìn)行力矩標(biāo)定測試,從而精確擬合出關(guān)節(jié)的力矩系數(shù)。

        1.7關(guān)節(jié)制動器

        一體化機(jī)器人關(guān)節(jié)使用摩擦片式制動器,如LBRiiwa、遨博機(jī)器人關(guān)節(jié),使用齒銷式制動器,如優(yōu)傲機(jī)器人、科爾摩根關(guān)節(jié)等,也有無制動器的關(guān)節(jié),如KinovaJaco和Fetch機(jī)器人的關(guān)節(jié)。

        2、一體化機(jī)器人研制與測試

        基于一體化關(guān)節(jié)設(shè)計技術(shù),研制了“T型”和“I型”結(jié)構(gòu)系列關(guān)節(jié),都采用雙編碼器結(jié)構(gòu)形式,關(guān)節(jié)型號包括14、17、20、20、32五個系列。關(guān)節(jié)負(fù)載和定位精度是關(guān)節(jié)的兩個基本指標(biāo),通過對關(guān)節(jié)的試驗測試,得到關(guān)節(jié)的參數(shù)如表所示。

        3、一體化機(jī)器人關(guān)節(jié)應(yīng)用

        基于研制的一體化機(jī)器人關(guān)節(jié),搭建了六軸和七軸機(jī)械臂,六軸機(jī)械臂配置三臺25型和三臺14型“T型”一體化關(guān)節(jié),臂展850mm負(fù)載5Kg,七軸機(jī)械臂配置三臺25型、一臺20型和三臺14“I型”型一體化關(guān)節(jié),臂展920mm負(fù)載4Kg,機(jī)械臂各關(guān)節(jié)之間采用總線EtherCAT總線通信,關(guān)節(jié)內(nèi)部中空走線,通過對機(jī)械臂的精度和負(fù)載測試,性能達(dá)到設(shè)計要求。

        4、結(jié)語

        本文提出一體化機(jī)器人關(guān)節(jié)“T型”和“I型”兩大結(jié)構(gòu)類型分類,通過對一體化機(jī)器人關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的分析及主要零部件的研究,得出了一體化關(guān)節(jié)的一般設(shè)計方法。研制及測試了兩種系列關(guān)節(jié),開展六軸/七軸機(jī)械臂的應(yīng)用,提出以一體化機(jī)器人關(guān)節(jié)設(shè)計及應(yīng)用的幾個注意點:1) 諧波減速機(jī)選型與力矩電機(jī)參數(shù)要匹配,避免電機(jī)過載超過諧波的額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩,或電機(jī)扭矩低導(dǎo)致關(guān)節(jié)扭矩不夠;2)關(guān)節(jié)編碼器選型要參考關(guān)節(jié)的環(huán)境和電磁兼容性能,如光電編碼器要防止粉塵污染,磁編碼器要做電磁屏蔽,電容式編碼器要防止過熱等;3)摩擦片式關(guān)節(jié)制動器與光電編碼器搭配使用要充分考慮摩擦片性能,防止摩擦產(chǎn)生粉塵;4)反射式光編碼器安裝容差比透射式光編碼器高,更容易安裝調(diào)試;5)一體化關(guān)節(jié)在機(jī)械臂上的應(yīng)用,要保證各軸之間屏蔽與接地,各關(guān)節(jié)的伺服參數(shù)調(diào)試影響機(jī)械臂的整體性能,如機(jī)械臂抖動和精度等。

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