曾祥彪，孫令真，陳伏華，王秀敏，林祥智

（廣州華立科技職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 511325）

1 引言

多關(guān)節(jié)機(jī)器人是工業(yè)生產(chǎn)中常見(jiàn)的機(jī)器人形態(tài)之一，其中六軸關(guān)節(jié)機(jī)器人由于作業(yè)范圍較廣且具有較為靈活的機(jī)動(dòng)性能，因此在自動(dòng)裝配、噴漆、搬運(yùn)等各種復(fù)雜作業(yè)環(huán)境下通常采用六軸關(guān)節(jié)機(jī)器人[1]。為了避免各個(gè)軸或手臂轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)快的問(wèn)題，六軸關(guān)節(jié)機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)處通常設(shè)置有減速機(jī)[2]。但六軸機(jī)器人的減速機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中常常存在不穩(wěn)定的問(wèn)題，進(jìn)而造成機(jī)器人作業(yè)時(shí)工作不平穩(wěn)。針對(duì)這一問(wèn)題，文章提出了鏈帶式六軸關(guān)節(jié)機(jī)器人并軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)方案[3]。

2 鏈帶式六軸關(guān)節(jié)機(jī)器人的主體結(jié)構(gòu)

鏈帶式六軸關(guān)節(jié)機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。鏈帶式六軸關(guān)節(jié)傳動(dòng)機(jī)器人包括基座、轉(zhuǎn)動(dòng)座、第一手臂、第一關(guān)節(jié)、第二手臂、第二關(guān)節(jié)、操作手?；显O(shè)置有用于驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)座轉(zhuǎn)動(dòng)的第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)動(dòng)座上設(shè)置有用于驅(qū)動(dòng)第一手臂轉(zhuǎn)動(dòng)的第二驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，第二手臂上設(shè)置有用于驅(qū)動(dòng)第一關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的第三驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，第一關(guān)節(jié)上設(shè)置有用于驅(qū)動(dòng)第二手臂轉(zhuǎn)動(dòng)的第四驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，第二手臂上設(shè)置有用于驅(qū)動(dòng)第二關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的第五驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，第二關(guān)節(jié)上設(shè)置有用于驅(qū)動(dòng)操作手轉(zhuǎn)動(dòng)的第六驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。第一、二、三、四、五、六驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)均包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)和對(duì)應(yīng)的減速機(jī)之間均通過(guò)傳送帶或傳送鏈傳動(dòng)連接。轉(zhuǎn)動(dòng)座包括用于與基座轉(zhuǎn)動(dòng)裝配的轉(zhuǎn)動(dòng)部以及外延至基座外側(cè)的外延部，第一手臂轉(zhuǎn)動(dòng)裝配在外延部上，在作業(yè)過(guò)程中與轉(zhuǎn)動(dòng)座之間呈銳角，這樣避免了六軸關(guān)節(jié)機(jī)器人在作業(yè)過(guò)程中重心外懸量過(guò)大的情況，控制六軸關(guān)節(jié)機(jī)器人的重心始終處于靠近基座的位置。

3 第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)至第六驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)原理

鏈帶式六軸機(jī)器人在使用時(shí)，第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)座轉(zhuǎn)動(dòng)，第二驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)第一手臂擺動(dòng)，第三驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)第一關(guān)節(jié)擺動(dòng)，第四驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)第二手臂進(jìn)行周向方向的自轉(zhuǎn)，第五驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)第二關(guān)節(jié)擺動(dòng)，第六驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)操作手進(jìn)行周向方向的自轉(zhuǎn)。第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的減速機(jī)設(shè)置在第一防護(hù)殼內(nèi)，第一防護(hù)殼為正方體狀并由四塊正方形板拼接而成；第一手臂整體為H型。

圖1 鏈帶式六軸關(guān)節(jié)機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)圖

4 鏈帶式關(guān)節(jié)機(jī)器人并軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

鏈帶式關(guān)節(jié)機(jī)器人的設(shè)計(jì)主要包括第一、四、五、六驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的并軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與第二、三驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的同軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。鏈帶式六軸關(guān)節(jié)機(jī)器人并軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

4.1 并軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 鏈帶式六軸關(guān)節(jié)機(jī)器人并軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖

第一、二、三、四、五、六驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)均包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速機(jī)之間通過(guò)傳動(dòng)帶傳動(dòng)連接。第一、四、五、六驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為并軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速機(jī)分別稱為并軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)和并軸減速機(jī)。所謂并軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，即并軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)的傳動(dòng)軸與并軸減速機(jī)的并軸主動(dòng)軸平行。由于第一、四、五、六驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)基本相同，僅是規(guī)格和型號(hào)之間存在差異，以下僅以第一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為例對(duì)并軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。如圖2所示，并軸減速機(jī)設(shè)置有并軸主動(dòng)輪，并軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出軸上安裝有驅(qū)動(dòng)齒輪，并軸主動(dòng)輪通過(guò)傳動(dòng)帶與驅(qū)動(dòng)齒輪傳動(dòng)連接，并軸主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)中心（即圓心）位置轉(zhuǎn)動(dòng)裝配有并軸主動(dòng)軸，并軸主動(dòng)軸和并軸主動(dòng)輪之間裝配有軸承，并軸主動(dòng)軸的一端即為動(dòng)力輸出端。并軸主動(dòng)軸的偏心位置轉(zhuǎn)動(dòng)裝配有兩個(gè)并軸從動(dòng)軸，兩個(gè)并軸從動(dòng)軸關(guān)于并軸主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)中心對(duì)稱，其與并軸主動(dòng)輪之間也裝配有軸承。各并軸從動(dòng)軸上均裝配有兩個(gè)并軸公轉(zhuǎn)輪，分別位于并軸主動(dòng)輪的兩側(cè)；并軸主動(dòng)軸上安裝有兩個(gè)并軸從動(dòng)輪，兩個(gè)并軸從動(dòng)輪分別位于并軸主動(dòng)輪的兩側(cè)。位于同一側(cè)的兩個(gè)并軸公轉(zhuǎn)輪均通過(guò)傳動(dòng)帶傳動(dòng)裝配在對(duì)應(yīng)的并軸從動(dòng)輪上。并軸主動(dòng)輪上還設(shè)置有四個(gè)并軸撐頂軸，分別位于同一矩形的四個(gè)拐角處；各并軸撐頂軸上均設(shè)置有兩個(gè)并軸撐頂輪，分別位于并軸主動(dòng)輪的兩側(cè)。并軸撐頂輪能夠撐頂并軸主動(dòng)輪和對(duì)應(yīng)并軸公轉(zhuǎn)輪之間的傳動(dòng)帶。

并軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)還包括兩個(gè)分別設(shè)置在并軸主動(dòng)輪兩側(cè)的并軸連接板，各并軸從動(dòng)軸、各并軸撐頂軸的兩端分別安裝在對(duì)應(yīng)的并軸連接板上。其中，各并軸從動(dòng)軸的兩端均通過(guò)軸承轉(zhuǎn)動(dòng)裝配在對(duì)應(yīng)的并軸連接板上，而各并軸撐頂軸的兩端均通過(guò)頂絲固定在對(duì)應(yīng)的并軸連接板上；并軸連接板上設(shè)置有供各并軸撐頂軸插入的通孔，當(dāng)并軸撐頂軸插入后，通過(guò)從各通孔的側(cè)壁旋入頂絲即可實(shí)現(xiàn)對(duì)并軸撐頂軸端部的固定。各并軸連接板與并軸主動(dòng)輪之間均固定有兩個(gè)并軸加強(qiáng)板，同一側(cè)的兩個(gè)并軸加強(qiáng)板關(guān)于轉(zhuǎn)動(dòng)中心對(duì)稱；各并軸加強(qiáng)板的兩側(cè)均通過(guò)螺絲進(jìn)行固定。

4.2 并軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)原理

并軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)，并軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)帶帶動(dòng)并軸主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，并軸主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)又會(huì)帶動(dòng)各并軸從動(dòng)軸和各并軸公轉(zhuǎn)輪進(jìn)行公轉(zhuǎn)，并軸公轉(zhuǎn)輪的公轉(zhuǎn)又會(huì)帶動(dòng)對(duì)應(yīng)的并軸從動(dòng)輪進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)并軸主動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣并軸主動(dòng)軸即可從輸出端輸出動(dòng)力。

4.3 并軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)

第一、四、五、六驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)均為并軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速機(jī)并列布置。并軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的減速機(jī)設(shè)置有并軸主動(dòng)輪，并軸主動(dòng)輪的圓心位置轉(zhuǎn)動(dòng)裝配有并軸主動(dòng)軸，偏心位置轉(zhuǎn)動(dòng)裝配有多個(gè)并軸從動(dòng)軸；并軸主動(dòng)軸上設(shè)置有并軸從動(dòng)輪，各并軸從動(dòng)軸上均設(shè)置有并軸公轉(zhuǎn)輪，并軸公轉(zhuǎn)輪與并軸從動(dòng)輪之間傳動(dòng)連接。并軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的減速機(jī)還包括兩個(gè)分別設(shè)置在并軸主動(dòng)輪兩側(cè)的并軸連接板，各并軸從動(dòng)軸的端部均轉(zhuǎn)動(dòng)裝配在對(duì)應(yīng)的并軸連接板上，并軸主動(dòng)輪與對(duì)應(yīng)的并軸連接板之間均安裝有并軸加強(qiáng)板。此種結(jié)構(gòu)通過(guò)設(shè)置并軸連接板和并軸加強(qiáng)板使得并軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的減速機(jī)形成一個(gè)整體。并軸主動(dòng)輪上還設(shè)置有多個(gè)并軸撐頂軸，各并軸撐頂軸均安裝有并軸撐頂輪，兩端分別通過(guò)頂絲固定在對(duì)應(yīng)的并軸連接板上。并軸撐頂輪的設(shè)置能夠撐頂傳動(dòng)帶或傳動(dòng)鏈，從而保證傳動(dòng)的良好運(yùn)行，避免了傳動(dòng)過(guò)程中打滑的問(wèn)題；而并軸撐頂軸的設(shè)置還起到了加強(qiáng)減速機(jī)結(jié)構(gòu)的作用，使得減速機(jī)成為一個(gè)整體。

5 結(jié)論

關(guān)節(jié)機(jī)器人并軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)部件的整體設(shè)計(jì)，保證驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)具有良好的傳動(dòng)性能，避免了傳動(dòng)過(guò)程中打滑的問(wèn)題，還起到了加強(qiáng)減速機(jī)結(jié)構(gòu)的作用。因并軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用空心的管狀結(jié)構(gòu)，重量輕，縮減了材料成本，可實(shí)現(xiàn)空中布導(dǎo)線（俗稱空中走線），更有利于減速機(jī)作業(yè)時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)，提高六軸關(guān)節(jié)機(jī)器人作業(yè)時(shí)的穩(wěn)定性。