□ 胡艷凱 □ 徐瑞超

陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院 西安 710300

1 設(shè)計(jì)背景

在“中國(guó)制造2025”政策引導(dǎo)下,機(jī)器人智能化得到了迅速發(fā)展,眾多高校、科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)加大了對(duì)機(jī)器人產(chǎn)品的研發(fā)力度[1-3]。調(diào)研和分析目前應(yīng)用比較廣泛的機(jī)器人產(chǎn)品,發(fā)現(xiàn)主要存在三方面問(wèn)題[4-5]。第一,目前市場(chǎng)上的機(jī)器人雖然功能強(qiáng)大,但是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為傳統(tǒng),對(duì)機(jī)器人腰部的研究和設(shè)計(jì)不多,大部分用機(jī)器人上肢與腿部的配合來(lái)代替腰部的功能。事實(shí)上,機(jī)器人腰部結(jié)構(gòu)對(duì)整體穩(wěn)定性的提升至關(guān)重要,可以補(bǔ)償由上肢運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的質(zhì)心偏移,提高整機(jī)穩(wěn)定性[6-7]。第二,機(jī)器人產(chǎn)品的穩(wěn)定性和核心部件的利用效率不高,復(fù)雜的控制系統(tǒng)使機(jī)器人整體穩(wěn)定性較差,維修困難。一些產(chǎn)品的核心部件成本高昂,但只能完成某一個(gè)特定動(dòng)作,核心部件的利用率低,使用性能無(wú)法充分發(fā)揮。第三,機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新性不高,大都是利用已存在的傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu),不能與先進(jìn)的軟件匹配,導(dǎo)致機(jī)器人功能的發(fā)揮不穩(wěn)定,產(chǎn)品的質(zhì)量和使用壽命受到影響。

筆者對(duì)機(jī)器人腰部進(jìn)行了創(chuàng)新性研究,設(shè)計(jì)了一種機(jī)器人腰部旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu),可以搭載不同的本體結(jié)構(gòu),適應(yīng)不同的工作環(huán)境。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

筆者所設(shè)計(jì)的機(jī)器人腰部旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)為僅由一個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),在機(jī)器人運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),不改變伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)向,控制電磁離合器的狀態(tài),即可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人左右旋轉(zhuǎn)。機(jī)器人腰部旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)通過(guò)直齒輪傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力,通過(guò)錐齒輪傳動(dòng)改變運(yùn)動(dòng)的傳遞方向,搭配控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)器人腰部旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)采用創(chuàng)新性設(shè)計(jì),突破了傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制,利用電磁離合器作為核心調(diào)速元件,更好地控制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng),利用齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比固定、傳遞運(yùn)動(dòng)直接、效率高等特點(diǎn),充分地發(fā)揮出各結(jié)構(gòu)零部件的優(yōu)勢(shì)。

機(jī)器人腰部旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)主要由腰部底盤(pán)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)、腰部蓋板四部分組成。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由雙軸伺服電機(jī)、正轉(zhuǎn)離合器、反轉(zhuǎn)離合器組成。運(yùn)動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)主要由錐齒輪和直齒輪構(gòu)成,通過(guò)控制伺服電機(jī)及離合器,實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn),通過(guò)錐齒輪和直齒輪將運(yùn)動(dòng)傳遞到腰部蓋板,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)固定在機(jī)器人腰部底盤(pán)上。機(jī)器人腰部旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.正轉(zhuǎn)支撐軸;2.正轉(zhuǎn)輸入齒輪;3.正轉(zhuǎn)離合器齒輪;4.正轉(zhuǎn)輸出齒輪;5.正轉(zhuǎn)離合器;6.正轉(zhuǎn)離合器支架;7.正轉(zhuǎn)輸出軸;8.蓋板支架;9.反轉(zhuǎn)輸出軸;10.反轉(zhuǎn)離合器支架;11.反轉(zhuǎn)離合器;12.反轉(zhuǎn)離合器齒輪;13.反轉(zhuǎn)輸出齒輪;14.反轉(zhuǎn)支撐軸;15.反轉(zhuǎn)輸入齒輪;16.電機(jī)支架;17.電機(jī);18.軸套;19.底盤(pán);20.推力球軸承;21.蓋板;22.內(nèi)齒圈

腰部底盤(pán)主要用于支撐驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)及腰部蓋板,可以降低整個(gè)結(jié)構(gòu)的質(zhì)心,提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。腰部蓋板由蓋板、內(nèi)齒圈、蓋板支架、推力球軸承組成,內(nèi)齒圈與蓋板內(nèi)圈通過(guò)過(guò)盈配合連接,推力球軸承安裝在蓋板上,通過(guò)蓋板支架將蓋板支撐在電機(jī)支架上。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,根據(jù)不同的控制命令,可以使蓋板正反轉(zhuǎn)動(dòng)。

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由正轉(zhuǎn)離合器齒輪、正轉(zhuǎn)離合器、正轉(zhuǎn)離合器支架、正轉(zhuǎn)輸出軸、反轉(zhuǎn)輸出軸、反轉(zhuǎn)離合器支架、反轉(zhuǎn)離合器、反轉(zhuǎn)離合器齒輪、電機(jī)支架、雙軸伺服電機(jī)、軸套組成。當(dāng)正轉(zhuǎn)離合器處于通電吸合狀態(tài),反轉(zhuǎn)離合器處于斷電分離狀態(tài)時(shí),運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力扭矩通過(guò)雙軸伺服電機(jī)傳遞到正轉(zhuǎn)離合器齒輪上,繼續(xù)傳遞到運(yùn)動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu),使機(jī)器人腰部正轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于反轉(zhuǎn)離合器斷電,此時(shí)只能傳遞運(yùn)動(dòng),不能產(chǎn)生動(dòng)力扭矩,因此反轉(zhuǎn)離合器齒輪處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)。當(dāng)正轉(zhuǎn)離合器處于斷電分離狀態(tài),反轉(zhuǎn)離合器處于通電吸合狀態(tài)時(shí),運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的傳遞正好相反,此時(shí)正轉(zhuǎn)離合器齒輪處于空轉(zhuǎn)狀態(tài),反轉(zhuǎn)離合器齒輪將運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞到運(yùn)動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu),使機(jī)器人腰部反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。雙軸伺服電機(jī)通過(guò)軸套分別與正轉(zhuǎn)離合器、反轉(zhuǎn)離合器相連,整個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)電機(jī)支架及輔助零部件固定在底盤(pán)上。

運(yùn)動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)主要包括正轉(zhuǎn)支撐軸、正轉(zhuǎn)輸入齒輪、正轉(zhuǎn)輸出齒輪、反轉(zhuǎn)輸出齒輪、反轉(zhuǎn)支撐軸、反轉(zhuǎn)輸入齒輪等零部件。當(dāng)正轉(zhuǎn)離合器處于通電吸合狀態(tài),反轉(zhuǎn)離合器處于斷電分離狀態(tài)時(shí),運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力經(jīng)過(guò)正轉(zhuǎn)離合器齒輪、正轉(zhuǎn)輸入齒輪、正轉(zhuǎn)輸出齒輪,傳遞到內(nèi)齒圈,帶動(dòng)機(jī)器人腰部正轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),此時(shí)反轉(zhuǎn)離合器齒輪處于空運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)正轉(zhuǎn)離合器處于斷電分離狀態(tài),反轉(zhuǎn)離合器處于通電吸合狀態(tài)時(shí),運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力經(jīng)過(guò)反轉(zhuǎn)離合器齒輪、反轉(zhuǎn)輸入齒輪、反轉(zhuǎn)輸出齒輪,傳遞到內(nèi)齒圈,帶動(dòng)機(jī)器人腰部反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),此時(shí)正轉(zhuǎn)離合器齒輪處于空運(yùn)行狀態(tài)。正轉(zhuǎn)輸入齒輪、正轉(zhuǎn)輸出齒輪通過(guò)平鍵固定在正轉(zhuǎn)支撐軸上,反轉(zhuǎn)輸出齒輪、反轉(zhuǎn)輸入齒輪通過(guò)平鍵固定在反轉(zhuǎn)支撐軸上,正轉(zhuǎn)支撐軸和反轉(zhuǎn)支撐軸通過(guò)軸承及輔助零部件與底盤(pán)連接,使兩個(gè)支撐軸能夠在底盤(pán)上轉(zhuǎn)動(dòng)。

機(jī)器人腰部結(jié)構(gòu)在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí)為對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)。當(dāng)正轉(zhuǎn)離合器通電吸合,反轉(zhuǎn)離合器處于斷電分離狀態(tài)時(shí),運(yùn)動(dòng)依次通過(guò)雙軸伺服電機(jī)、正轉(zhuǎn)離合器齒輪、正轉(zhuǎn)輸入齒輪、正轉(zhuǎn)輸出齒輪,傳遞到內(nèi)齒圈,帶動(dòng)蓋板正轉(zhuǎn),此時(shí)反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)部分不參與動(dòng)力傳遞。當(dāng)正轉(zhuǎn)離合器斷電分離,反轉(zhuǎn)離合器處于通電吸合狀態(tài)時(shí),運(yùn)動(dòng)依次通過(guò)雙軸伺服電機(jī)、反轉(zhuǎn)離合器齒輪、反轉(zhuǎn)輸入齒輪、反轉(zhuǎn)輸出齒輪,傳遞到內(nèi)齒圈,帶動(dòng)蓋板反轉(zhuǎn),此時(shí)正轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)部分不參與動(dòng)力傳遞。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

根據(jù)所設(shè)計(jì)的機(jī)器人腰部旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)及功能,對(duì)機(jī)器人轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行理論計(jì)算。各齒輪參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 齒輪參數(shù)

電機(jī)的型號(hào)為86BYG250,額定扭矩T1為8.5 N·m,機(jī)器人腰部旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)負(fù)載扭矩T為:

T=ηiT1/n

(1)

式中:n為安全因數(shù),n=1.2;η為傳遞效率,η=0.95;i為齒輪傳動(dòng)比。

經(jīng)過(guò)計(jì)算,得到機(jī)器人腰部旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的負(fù)載扭矩為35.63 N·m。

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)了一種機(jī)器人腰部旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu),在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行創(chuàng)新,利用離合器作為核心部件,搭配齒輪傳動(dòng),實(shí)現(xiàn)腰部旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的正反轉(zhuǎn)動(dòng)作。機(jī)器人腰部旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)屬于閉式齒輪傳動(dòng),驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)在相對(duì)密閉的空間內(nèi)工作,位于封閉的底盤(pán)與蓋板之間,傳動(dòng)效率高,具有良好的潤(rùn)滑條件,處于清潔的工作環(huán)境中,穩(wěn)定性較高,并且具有合理的工作壽命。

筆者設(shè)計(jì)的機(jī)器人腰部旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍有一定的開(kāi)放性,可以作為關(guān)節(jié)搭載機(jī)械手臂,應(yīng)用在企業(yè)或工廠,用于搬運(yùn)貨物;也可以搭載機(jī)器人上肢和下肢作為仿人機(jī)器人的腰部結(jié)構(gòu),提高仿人機(jī)器人整體的穩(wěn)定性及質(zhì)心偏移的補(bǔ)償性;還可以搭載平板小車(chē)及攝像頭,實(shí)現(xiàn)巡查或監(jiān)測(cè)功能。