机器人一体化关节包括什么部件？

点击联系发帖人 时间：2022-06-27 12:41

六关节机器人

轻量化操作臂是为了便于灵活操作，与未知环境和人发生交互作用而特意设计的，具有轻质量、高负载自重比、高速、多自由度并且与人类手臂相似尺寸等特征，是下一代共融机器人的主要发展方向。轻量化操作臂系统设计方面，目前普遍采用模块化的机电设计方法：每个关节模块都是独立的智能驱动控制单元，利用高效率的电机和高负载自重比的减速器（一般为谐波减速器）进行驱动关节设计，关节内部集成力矩和位置传感器，且通常采用传感器冗余设计。轻量化操作臂的研究重点一是为了实现轻量化和低能耗的系统设计，二是为了保证交互安全性和柔顺性的柔顺控制。

实验室解决了轻量化操作臂系统设计研发中的两个关键问题：高效率电机的设计和高集成度、结构紧凑的模块化关节设计。基于实验室自主研发的高转矩密度力矩电机，并结合谐波减速器完成了如图1所示的模块化关节整体结构的设计。由于谐波减速器本身的柔性会影响驱动关节模块的运动控制精度，因此除了在电机端安装一个增量式位置编码器外，还在输出轴端安装一个绝对位置编码器。为了实现驱动关节模块以及操作臂的柔顺控制，驱动关节模块输出轴端安装一个转矩传感器，保证每个驱动关节模块具有感知外部载荷（或输出力矩）的能力，其它的必要零部件还包括安装在电机端的制动器和驱动控制板。关节各个零部件的装配图如图

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制动器在保障设备的安全可靠中一直起着至关重要的作用。近年来随着我国工业自动化程度的不断提升,人机协作的水平已经到达了新的高度,对协作机器人关节制动器也提出了更高的要求,因此对其进行研究具有非常重要的现实意义。本文针对7轴轻型协作机器人的一体化关节,研制了一款比传统制动器轴向尺寸小、质量轻的双面电磁失电制动器。首先,根据协作机器人一体化关节尺寸确定了制动器的设计指标,并选取了区别于传统电磁盘式制动器的双面制动结构方案。根据设计需要进行了关节制动器的材料选择,对关节制动器零部件主要尺寸进行了确定与校核。其次,利用ANSYS Workbench对关节制动器主要受力零部件进行了有限元分析,验证了结构的可靠性。根据仿真结果,基于保证性能的前提下,对制动器的零部件进行了轻量化处理。优化设计了制动副的方式,实现了转子的彻底轻量化与制动副轴向占用空间的减小,最终得到优化后的关节制动器。使用Ansoft Maxwell对关节制动器电磁铁的性能进行了仿真校核,验证了设计的合理性。对电磁铁主要特性参数电磁吸力的影响因素进行了分析,得到其变化程度与磁感应强度成平方正比,而磁感应强度又受到工作气隙与通电电流的影响。最后,进行了关节制动器的制作与性能测试实验。对关节制动器的线圈进行了绕制,并灌封了电磁铁,配合其他零部件进行安装,得到了完整的关节制动器样机。对关节制动器的静态和动态性能进行了测试。结果得到,在静态时,制动器能够在机器人所要求的5kg负载下正常工作,并且可达到所设计的制动力矩;在动态时,制动器的制动过程主要分为3个阶段,且可在电机达到额定力矩时完成制动过程,完全满足设计指标。

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协作机器人在设计上有低压、轻量化需求，因此通常将伺服驱动器内置于关节，于关节内完成底层电气设备连接，以简化整机走线，降低配套设备重量。该类设计被称为一体化关节。

工业机器人多采用伺服电机（传动+传感）+电气柜（模块化驱动器+控制器）的设计架构，零部件高度标准化、模块化。协作机器人采用一体化关节（传动+传感+集成驱动器）+控制器的设计架构，概念本身高度模块化，但实际一体化关节的设计却存在严重的零散化、非标化问题。

协作机器人一体化关节内部结构较为复杂，除驱动器、电机、减速器、制动器、（单个）编码器等基础零部件外，通常内置更多传感设备，例如双编码器构造、力矩传感器甚至附加弹性件的SEA设计配合力觉、功能安全性、低刚度下的运动精度等需求。这些零部件来自于不同领域、不同厂商。机器人或关节设计厂商往往难以在各领域具备成熟的专业条件，却需要对各零散零部件进行集成甚至定制，使得本体集成设计成为了前期研发的重点和难点，桎梏了面向应用的核心竞争力。

可以预期，为真正降低一体化关节的设计成本，模块化、标准化会成为必然趋势。而如何对各零部件进行模块化集成，如何构建标准化产品，能够既满足不同协作机器人产品的共同需求，又满足差异性需求是一个关键点。

我们特邀Synaption中国区技术负责人唐陈诚先生做客机器人大讲堂，分享协作机器人一体化关节技术现状与展望。

Synapticon在与诸多协作机器人厂商、零部件主流玩家的合作基础上，基于SOMANET伺服驱动技术，推出了Circulo集成式伺服驱动器，将驱动器、双编码器、制动器等进行高性能集成，以期解决行业痛点。

·于上海交通大学获得学士、硕士学位，毕业于机器人研究所。

·负责数个国内外机器人科学研发项目，2018年加入德国Synapticon负责机器人驱动技术应用与集成。

设计架构：从工业机器人到协作机器人
难点与趋势：协作机器人一体化关节设计
面向协作机器人的Circulo集成伺服产品

主办单位：机器人大讲堂、哈工大芜湖机器人产业技术研究院

直播时间：2020年9月10日（周三）晚19:30

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Synapticon是一家创新的嵌入式技术公司，总部位于德国，并于上海、硅谷等地设有分部。凭借灵活、高性能的产品生态，公司为协作机器人、工业机器人、特种自动化等提供全面的运动控制技术方案。

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