一種機器人用的關節驅動裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種機器人用的關節驅動裝置，包括有直流伺服電機、行星齒輪減速機和皮帶輪減速機，所述直流伺服電機的輸出連接行星齒輪減速機，所述行星齒輪減速機通過同步輪與皮帶輪減速機連接，所述行星齒輪減速機的減速比為200:1，所述皮帶輪減速機采用直徑比為3:1的兩個鋁合金輪及采用雙支承結構的關節軸承，所述鋁合金輪安裝在關節軸承上，軸的徑向位置由兩個支承共同限定，每個支承處有起徑向定位作用的向心或角接觸軸承，軸向位置由兩個支承各限制一個方向的軸向位移，或由一個支承限制不同的運轉精度。本實用新型能夠使機器人具有良好的動態特性和運動精度。
【專利說明】
一種機器人用的關節驅動裝置
技術領域
[0001] 本實用新型涉及機器人關節驅動的技術領域，尤其是指一種機器人用的關節驅動 裝置。
【背景技術】
[0002] 要使機器人能夠正常運動和完成作業，最重要的因素是機器人要有優良的驅動機 構。可以說，機器人的驅動機構是它的最重要組成部分之一。因為機器人的運動和作業實際 上就是靠著它的驅動機構。機器人的關節運動主要由的關節驅動裝置來產生，關節各種運 動其實就是關節驅動裝置來操作機器人關節的。由于在機器人中有許多關節驅動裝置，這 些關節驅動裝置的性能直接決定著機器人的性能。因此，為保證機器人具有良好的動態特 性和運動精度，要求這些關節驅動裝置應具有運動精度高、扭轉剛度大、回差小、抗沖擊能 力強、結構緊湊、體積小、重量輕、效率高等優點。為了達到這一目的，各個國家已相繼開發 出了各具特色的關節驅動裝置。
[0003] 隨著機器人技術的發展，機器人的關節驅動裝置種類也越來越多，但大多數的關 節驅動裝置可以分為氣缸驅動裝置、油缸驅動裝置、電機驅動裝置三種。通常用得最多的還 是電機驅動裝置。在電機驅動裝置中，驅動電機大多數都是(直流)步進電機或伺服電機。選 擇步進電機驅動或伺服電機驅動要視機器人的具體應用情況而定，也即:①負載性質，如水 平還是垂直負載等;②電機特性，如轉矩、慣量、轉速、精度、加減速等;③上位控制要求，如 對端口界面和通訊方面的要求;④控制方式，是位置、轉矩還是速度方式。⑤供電電源，是直 流或交流，或電池，電壓范圍等。
[0004] 機器人的關節驅動裝置除了包括步進電機或者伺服電機外，還包括有:減速機構、 關節軸承等。其中，減速機構又可以分為:行星齒輪減速機、皮帶輪減速機、諧波減速機械、 擺線針輪減速機構、滾珠絲杠機構、螺旋傳動機構、同步齒形帶機構。其中，行星齒輪減速機 和皮帶輪減速機是機器人的關節驅動裝置中最常用的減速機構。
[0005] 行星齒輪減速機主要包括:行星輪、太陽輪、外齒圈。行星齒輪減速機因為結構原 因，單級減速最小為3,最大一般不超過10,減速機級數一般不超過3,但有部分大減速比定 制減速機有4級減速。相對其他減速機，行星齒輪減速機具有高剛性，高精度，高傳動效率， 高扭矩/體積比，終身免維護等特點。因為這些特點，行星齒輪減速機多數是安裝在步進電 機和伺服電機上，用來降低轉速，提升扭矩，匹配慣量。行星齒輪減速機的額定輸入轉速最 高可達到18000rpm(與減速機本身大小有關，減速機越大，額定輸入轉速越小）以上，工業級 行星齒輪減速機輸出扭矩一般不超過2000Nm，特制超大扭矩行星齒輪減速機可做到 lOOOONm以上。工作溫度在-25°C到100°C左右，通過潤滑脂可改變其工作溫度。關于行星齒 輪減速機的幾個概念:①級數:行星齒輪的套數。由于一套行星齒輪無法滿足較大的傳動 比，有時需要2套或者3套來滿足擁護較大傳動比的要求。由于增加了行星齒輪的數量，所以 2級或3級減速機的長度會有所增加，效率會有所下降。②回程間隙：將輸出端固定，輸入端 順時針和逆時針方向旋轉，使輸入端產生額定扭矩± 2 %扭矩時，減速機輸入端有一個微小 角位移，此角位移就是回程間隙。單位是"分"，就是一度的六十分之一，也有人稱之為背隙。 正是由于行星齒輪減速機是一種具有廣泛通用性的新性減速機，整機具有結構尺寸小，輸 出扭矩大，速比在、效率高、性能安全可靠等特點。更重要的是，機器人所使用的驅動電機均 為直流伺服電機，而行星齒輪減速機能夠與伺服電機一起使用，這是一種降低轉速，提升扭 矩，匹配慣量的最佳選擇。
【發明內容】
[0006] 本實用新型的目的在于克服現有技術的不足與缺點，提供一種機器人用的關節驅 動裝置，能夠使機器人具有良好的動態特性和運動精度。
[0007] 為實現上述目的，本實用新型所提供的技術方案為：一種機器人用的關節驅動裝 置，所述關節驅動裝置為采用直流伺服電機加兩級減速的驅動機構，包括有直流伺服電機、 行星齒輪減速機和皮帶輪減速機，所述直流伺服電機的輸出連接行星齒輪減速機，所述行 星齒輪減速機通過同步輪與皮帶輪減速機連接，所述行星齒輪減速機的減速比為200:1，所 述皮帶輪減速機采用直徑比為3:1的兩個鋁合金輪及采用雙支承結構的關節軸承，所述鋁 合金輪安裝在關節軸承上，軸的徑向位置由兩個支承共同限定，每個支承處有起徑向定位 作用的向心或角接觸軸承，軸向位置由兩個支承各限制一個方向的軸向位移，或由一個支 承限制不同的運轉精度。
[0008] 所述直流伺服電機與行星齒輪減速機之間通過一個法蘭連接。
[0009] 所述支承采用角接觸軸承和圓錐滾子軸承成對安裝。
[0010] 本實用新型與現有技術相比，具有如下優點與有益效果：
[0011] 本實用新型能夠使關節具有運動精度高、扭轉剛度大、回差小、抗沖擊能力強、結 構緊湊、體積小、重量輕、效率高等優點，從而使機器人具有良好的動態特性和運動精度。
【附圖說明】
[0012] 圖1為本實用新型的關節驅動裝置用在仿人機器人上的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0013] 下面結合具體實施例對本實用新型作進一步說明。
[0014] 本發明所述的關節驅動裝置，具體是采用直流伺服電機加兩級減速的驅動機構， 包括有直流伺服電機、行星齒輪減速機和皮帶輪減速機。所述直流伺服電機采用速度全范 圍可調、位置/轉速/轉矩等閉環控制方式、以及采用抗干擾能力強的光電型旋轉編碼器，具 體是選用上海瑞克科技發展有限公司的50SYXB-02,該電機的額定輸出功率為40W，額定電 壓為24V，額定轉速為2000RPM，輸出力矩為0.2NM;該直流伺服電機的輸出連接行星齒輪減 速機，所述行星齒輪減速機通過同步輪與皮帶輪減速機連接，所述行星齒輪減速機的減速 比為200:1，所述皮帶輪減速機采用直徑比為3:1的兩個鋁合金輪及采用雙支承結構的關節 軸承，關節總減速比設計為600:1，因此，各關節所能提供的最大連續力矩為120NM。所述鋁 合金輪是安裝在相應的關節軸承上，軸的徑向位置由兩個支承共同限定，每個支承處有起 徑向定位作用的向心或角接觸軸承，軸向位置由兩個支承各限制一個方向的軸向位移，或 由一個支承限制不同的運轉精度。
[0015] 下面以仿人機器人大腿和小腿之間的關節為例，如圖1所示，因為在仿人機器人的 步行建模中，把仿人機器人的大腿看作是一個質點，該質點位于仿人機器人大腿的中點，因 此，兩級減速機的安裝要盡量靠近仿人機器人大腿的中點以滿足建模的需要，直流伺服電 機1和行星齒輪減速機2之間通過一個法蘭3連接，行星齒輪減速機2與皮帶輪減速機10連 接。行星齒輪減速機2的輸出軸穿過仿人機器人的大腿4,軸的末端裝上直徑小的同步輪5 (小輪）。仿人機器人的關節9 一端與大腿4連接，另一端與小腿6連接，帶動關節9運動的軸穿 過大腿4,末端安裝上直徑較大的同步輪7(大輪）。兩個同步輪5、7之間通過帶齒的傳動皮帶 8連接。
[0016] 行星齒輪減速機設計主要應考慮其結構類型、安裝形式、承載能力、輸出轉速、工 作條件等因素。行星齒輪減速機的承載能力是在額定轉速下，每天工作10小時，每小時啟動 數少于10次，平穩無沖擊條件下得出，所以應按以下步驟設計。
[0017] 第一步，計算用扭矩和傳動比，選擇型號和安全系數
[0018] ①根據負載類型和每小時啟停次數和預期工作壽命確定使用系數fs。
[0019] ②根據所需扭矩T2R按下式得出計算用扭矩
[0020] T2c = T2R*fs (1)
[0021 ]式中，T2C是計算用扭矩[Nm]，T2R是實際所需扭矩[Nm]，fs是使用系數。
[0022 ]③由所要求的輸出轉速Π 2和輸入轉速m確定傳動比 [0023] i =ni/n2 (2)
[0024] 式中，i是傳動比，ηι是輸入轉速[r/min]，η2是輸出轉速[r/min]。
[0025] ④確定TC2和i后，在輸入轉速m查找減速機額定值表，選擇最接近計算值的傳動比 并滿足以下條件的減速機型號：
[0026] T2N 彡 Tc2 (3)
[0027] 式中，T2N是額定輸出扭矩[Nm]。
[0028] ⑤安全系數，安全系數可按下表1選擇。
[0029] 表 1
[0031]第二步，校核：
[0032] ①最大轉矩，確認瞬時峰值負荷扭矩和帶負載啟動扭矩不能超過減速機的額定最 大扭矩Max{T2N}。
[0033] ②懸臂載荷，檢查所選配置。輸入軸和輸出軸上懸臂載荷可通過下式求出
[0035] 式中，Fcl-。2是懸臂載荷(N)，C1是表示輸入軸，C2是表示輸出軸，Trl-r2是軸上的扭矩 (Nm)，d是傳動部件的分度圓直徑(鏈輪，齒輪，帶輪等）(mm)，S是轉動速度，Kr = 1是鏈條傳 動，Kr= 1.25是齒輪傳動，Kr = 1.5~2.0是V形帶傳動。
[0036] ③輸出軸。對于作用在軸中點的負載，需要按下式校核：
[0037] Fn2^Fc2*fL (5)
[0038] 式中，Fn2是指輸出軸中點的額定徑向載荷，Fc2是指輸出軸計算用徑向力。
[0039]④輸入軸。根據式(4)和式(5)，可得的載荷Fcl值。
[0040] 第三步，確定選型。經過選型的參數考慮，以及結合仿人機器人，選用的行星齒輪 減速機為PL40雙軸行星齒輪減速機，減速比為三級減速200:1，其實體參數如下表2所示。
[0041] 表 2
[0044]關節驅動裝置中的關節軸承要根據仿人機器人的高度、重量和運動特征進行設 計。本實施例所設計的仿人機器人體重達到80kg，這使得關節軸承的設計難度更大。特別是 對于腳踝、膝蓋這些重要受力關節，更加對起受力和摩擦有著特殊的要求。因此，關節軸承 設計必須考慮以下因素:①選擇合適的軸承類型;②確定合適的軸承尺寸;③配置中其它部 件的結構和設計;④固定軸承的方式;⑤適當的公差配合和軸承的游隙或預緊;⑥適當的密 封系統;⑦潤滑劑的類型和用量;⑧安裝和拆卸的方式。
[0045]在同時承受徑向載荷和軸向載荷的情況下，支承常采用角接觸軸承和圓錐滾子軸 承成對安裝。兩個軸承外圈寬端面相對安裝稱背對背安裝。兩支承力作用點落在支承跨距 之外。這種排列方式因支承跨距大，軸懸臂時剛性好，軸受熱伸長時內、外圈呈脫開趨勢，因 而軸不會卡死，故使用比較廣泛。但如若采用預緊安裝，則在軸受熱時預緊量將會減少。兩 個軸承外圈窄端面相對安裝稱面對面安裝。兩個支承的力作用點落到支承跨距之內。這處 排列方式結構簡單、裝拆、調試均較方便故使用也較廣泛，主要用于短軸和溫升不高的場 合，但要注意一定要留有備用游隙。軸向游隙也不宜過大，過大時會降低軸的運轉精度。當 軸向載荷較大，需多個軸承同時承受時，常采用軸承外圈寬、窄端面相對安裝的串聯方式。 各軸承力作用點均落在軸承的同一側故稱同向排列又稱串聯。采用此種排列方式時要注意 結構上保證每個軸承都能盡量均勻承受載荷。
[0046]以上所述之實施例子只為本實用新型之較佳實施例，并非以此限制本實用新型的 實施范圍，故凡依本實用新型之形狀、原理所作的變化，均應涵蓋在本實用新型的保護范圍 內。
【主權項】
1. 一種機器人用的關節驅動裝置，其特征在于:所述關節驅動裝置為采用直流伺服電 機加兩級減速的驅動機構，包括有直流伺服電機、行星齒輪減速機和皮帶輪減速機，所述直 流伺服電機的輸出連接行星齒輪減速機，所述行星齒輪減速機通過同步輪與皮帶輪減速機 連接，所述行星齒輪減速機的減速比為200:1，所述皮帶輪減速機采用直徑比為3:1的兩個 鋁合金輪及采用雙支承結構的關節軸承，所述鋁合金輪安裝在關節軸承上，軸的徑向位置 由兩個支承共同限定，每個支承處有起徑向定位作用的向心或角接觸軸承，軸向位置由兩 個支承各限制一個方向的軸向位移，或由一個支承限制不同的運轉精度。2. 根據權利要求1所述的一種機器人用的關節驅動裝置，其特征在于:所述直流伺服電 機與行星齒輪減速機之間通過一個法蘭連接。3. 根據權利要求1所述的一種機器人用的關節驅動裝置，其特征在于:所述支承采用角 接觸軸承和圓錐滾子軸承成對安裝。
【文檔編號】B25J17/02GK205704263SQ201620533337
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年6月2日
【發明人】岑宇鈿, 肖南峰
【申請人】華南理工大學