一种机器人用的关节驱动装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种机器人用的关节驱动装置，包括有直流伺服电机、行星齿轮减速机和皮带轮减速机，所述直流伺服电机的输出连接行星齿轮减速机，所述行星齿轮减速机通过同步轮与皮带轮减速机连接，所述行星齿轮减速机的减速比为200:1，所述皮带轮减速机采用直径比为3:1的两个铝合金轮及采用双支承结构的关节轴承，所述铝合金轮安装在关节轴承上，轴的径向位置由两个支承共同限定，每个支承处有起径向定位作用的向心或角接触轴承，轴向位置由两个支承各限制一个方向的轴向位移，或由一个支承限制不同的运转精度。本实用新型能够使机器人具有良好的动态特性和运动精度。
【专利说明】
一种机器人用的关节驱动装置
技术领域
[0001] 本实用新型涉及机器人关节驱动的技术领域，尤其是指一种机器人用的关节驱动 装置。
【背景技术】
[0002] 要使机器人能够正常运动和完成作业，最重要的因素是机器人要有优良的驱动机 构。可以说，机器人的驱动机构是它的最重要组成部分之一。因为机器人的运动和作业实际 上就是靠着它的驱动机构。机器人的关节运动主要由的关节驱动装置来产生，关节各种运 动其实就是关节驱动装置来操作机器人关节的。由于在机器人中有许多关节驱动装置，这 些关节驱动装置的性能直接决定着机器人的性能。因此，为保证机器人具有良好的动态特 性和运动精度，要求这些关节驱动装置应具有运动精度高、扭转刚度大、回差小、抗冲击能 力强、结构紧凑、体积小、重量轻、效率高等优点。为了达到这一目的，各个国家已相继开发 出了各具特色的关节驱动装置。
[0003] 随着机器人技术的发展，机器人的关节驱动装置种类也越来越多，但大多数的关 节驱动装置可以分为气缸驱动装置、油缸驱动装置、电机驱动装置三种。通常用得最多的还 是电机驱动装置。在电机驱动装置中，驱动电机大多数都是(直流)步进电机或伺服电机。选 择步进电机驱动或伺服电机驱动要视机器人的具体应用情况而定，也即:①负载性质，如水 平还是垂直负载等;②电机特性，如转矩、惯量、转速、精度、加减速等;③上位控制要求，如 对端口界面和通讯方面的要求;④控制方式，是位置、转矩还是速度方式。⑤供电电源，是直 流或交流，或电池，电压范围等。
[0004] 机器人的关节驱动装置除了包括步进电机或者伺服电机外，还包括有:减速机构、 关节轴承等。其中，减速机构又可以分为:行星齿轮减速机、皮带轮减速机、谐波减速机械、 摆线针轮减速机构、滚珠丝杠机构、螺旋传动机构、同步齿形带机构。其中，行星齿轮减速机 和皮带轮减速机是机器人的关节驱动装置中最常用的减速机构。
[0005] 行星齿轮减速机主要包括:行星轮、太阳轮、外齿圈。行星齿轮减速机因为结构原 因，单级减速最小为3,最大一般不超过10,减速机级数一般不超过3,但有部分大减速比定 制减速机有4级减速。相对其他减速机，行星齿轮减速机具有高刚性，高精度，高传动效率， 高扭矩/体积比，终身免维护等特点。因为这些特点，行星齿轮减速机多数是安装在步进电 机和伺服电机上，用来降低转速，提升扭矩，匹配惯量。行星齿轮减速机的额定输入转速最 高可达到18000rpm(与减速机本身大小有关，减速机越大，额定输入转速越小）以上，工业级 行星齿轮减速机输出扭矩一般不超过2000Nm，特制超大扭矩行星齿轮减速机可做到 lOOOONm以上。工作温度在-25°C到100°C左右，通过润滑脂可改变其工作温度。关于行星齿 轮减速机的几个概念:①级数:行星齿轮的套数。由于一套行星齿轮无法满足较大的传动 比，有时需要2套或者3套来满足拥护较大传动比的要求。由于增加了行星齿轮的数量，所以 2级或3级减速机的长度会有所增加，效率会有所下降。②回程间隙：将输出端固定，输入端 顺时针和逆时针方向旋转，使输入端产生额定扭矩± 2 %扭矩时，减速机输入端有一个微小 角位移，此角位移就是回程间隙。单位是"分"，就是一度的六十分之一，也有人称之为背隙。 正是由于行星齿轮减速机是一种具有广泛通用性的新性减速机，整机具有结构尺寸小，输 出扭矩大，速比在、效率高、性能安全可靠等特点。更重要的是，机器人所使用的驱动电机均 为直流伺服电机，而行星齿轮减速机能够与伺服电机一起使用，这是一种降低转速，提升扭 矩，匹配惯量的最佳选择。
【发明内容】
[0006] 本实用新型的目的在于克服现有技术的不足与缺点，提供一种机器人用的关节驱 动装置，能够使机器人具有良好的动态特性和运动精度。
[0007] 为实现上述目的，本实用新型所提供的技术方案为：一种机器人用的关节驱动装 置，所述关节驱动装置为采用直流伺服电机加两级减速的驱动机构，包括有直流伺服电机、 行星齿轮减速机和皮带轮减速机，所述直流伺服电机的输出连接行星齿轮减速机，所述行 星齿轮减速机通过同步轮与皮带轮减速机连接，所述行星齿轮减速机的减速比为200:1，所 述皮带轮减速机采用直径比为3:1的两个铝合金轮及采用双支承结构的关节轴承，所述铝 合金轮安装在关节轴承上，轴的径向位置由两个支承共同限定，每个支承处有起径向定位 作用的向心或角接触轴承，轴向位置由两个支承各限制一个方向的轴向位移，或由一个支 承限制不同的运转精度。
[0008] 所述直流伺服电机与行星齿轮减速机之间通过一个法兰连接。
[0009] 所述支承采用角接触轴承和圆锥滚子轴承成对安装。
[0010] 本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
[0011] 本实用新型能够使关节具有运动精度高、扭转刚度大、回差小、抗冲击能力强、结 构紧凑、体积小、重量轻、效率高等优点，从而使机器人具有良好的动态特性和运动精度。
【附图说明】
[0012] 图1为本实用新型的关节驱动装置用在仿人机器人上的结构示意图。
【具体实施方式】
[0013] 下面结合具体实施例对本实用新型作进一步说明。
[0014] 本发明所述的关节驱动装置，具体是采用直流伺服电机加两级减速的驱动机构， 包括有直流伺服电机、行星齿轮减速机和皮带轮减速机。所述直流伺服电机采用速度全范 围可调、位置/转速/转矩等闭环控制方式、以及采用抗干扰能力强的光电型旋转编码器，具 体是选用上海瑞克科技发展有限公司的50SYXB-02,该电机的额定输出功率为40W，额定电 压为24V，额定转速为2000RPM，输出力矩为0.2NM;该直流伺服电机的输出连接行星齿轮减 速机，所述行星齿轮减速机通过同步轮与皮带轮减速机连接，所述行星齿轮减速机的减速 比为200:1，所述皮带轮减速机采用直径比为3:1的两个铝合金轮及采用双支承结构的关节 轴承，关节总减速比设计为600:1，因此，各关节所能提供的最大连续力矩为120NM。所述铝 合金轮是安装在相应的关节轴承上，轴的径向位置由两个支承共同限定，每个支承处有起 径向定位作用的向心或角接触轴承，轴向位置由两个支承各限制一个方向的轴向位移，或 由一个支承限制不同的运转精度。
[0015] 下面以仿人机器人大腿和小腿之间的关节为例，如图1所示，因为在仿人机器人的 步行建模中，把仿人机器人的大腿看作是一个质点，该质点位于仿人机器人大腿的中点，因 此，两级减速机的安装要尽量靠近仿人机器人大腿的中点以满足建模的需要，直流伺服电 机1和行星齿轮减速机2之间通过一个法兰3连接，行星齿轮减速机2与皮带轮减速机10连 接。行星齿轮减速机2的输出轴穿过仿人机器人的大腿4,轴的末端装上直径小的同步轮5 (小轮）。仿人机器人的关节9 一端与大腿4连接，另一端与小腿6连接，带动关节9运动的轴穿 过大腿4,末端安装上直径较大的同步轮7(大轮）。两个同步轮5、7之间通过带齿的传动皮带 8连接。
[0016] 行星齿轮减速机设计主要应考虑其结构类型、安装形式、承载能力、输出转速、工 作条件等因素。行星齿轮减速机的承载能力是在额定转速下，每天工作10小时，每小时启动 数少于10次，平稳无冲击条件下得出，所以应按以下步骤设计。
[0017] 第一步，计算用扭矩和传动比，选择型号和安全系数
[0018] ①根据负载类型和每小时启停次数和预期工作寿命确定使用系数fs。
[0019] ②根据所需扭矩T2R按下式得出计算用扭矩
[0020] T2c = T2R*fs (1)
[0021 ]式中，T2C是计算用扭矩[Nm]，T2R是实际所需扭矩[Nm]，fs是使用系数。
[0022 ]③由所要求的输出转速Π 2和输入转速m确定传动比 [0023] i =ni/n2 (2)
[0024] 式中，i是传动比，ηι是输入转速[r/min]，η2是输出转速[r/min]。
[0025] ④确定TC2和i后，在输入转速m查找减速机额定值表，选择最接近计算值的传动比 并满足以下条件的减速机型号：
[0026] T2N 彡 Tc2 (3)
[0027] 式中，T2N是额定输出扭矩[Nm]。
[0028] ⑤安全系数，安全系数可按下表1选择。
[0029] 表 1
[0031]第二步，校核：
[0032] ①最大转矩，确认瞬时峰值负荷扭矩和带负载启动扭矩不能超过减速机的额定最 大扭矩Max{T2N}。
[0033] ②悬臂载荷，检查所选配置。输入轴和输出轴上悬臂载荷可通过下式求出
[0035] 式中，Fcl-。2是悬臂载荷(N)，C1是表示输入轴，C2是表示输出轴，Trl-r2是轴上的扭矩 (Nm)，d是传动部件的分度圆直径(链轮，齿轮，带轮等）(mm)，S是转动速度，Kr = 1是链条传 动，Kr= 1.25是齿轮传动，Kr = 1.5~2.0是V形带传动。
[0036] ③输出轴。对于作用在轴中点的负载，需要按下式校核：
[0037] Fn2^Fc2*fL (5)
[0038] 式中，Fn2是指输出轴中点的额定径向载荷，Fc2是指输出轴计算用径向力。
[0039]④输入轴。根据式(4)和式(5)，可得的载荷Fcl值。
[0040] 第三步，确定选型。经过选型的参数考虑，以及结合仿人机器人，选用的行星齿轮 减速机为PL40双轴行星齿轮减速机，减速比为三级减速200:1，其实体参数如下表2所示。
[0041] 表 2
[0044]关节驱动装置中的关节轴承要根据仿人机器人的高度、重量和运动特征进行设 计。本实施例所设计的仿人机器人体重达到80kg，这使得关节轴承的设计难度更大。特别是 对于脚踝、膝盖这些重要受力关节，更加对起受力和摩擦有着特殊的要求。因此，关节轴承 设计必须考虑以下因素:①选择合适的轴承类型;②确定合适的轴承尺寸;③配置中其它部 件的结构和设计;④固定轴承的方式;⑤适当的公差配合和轴承的游隙或预紧;⑥适当的密 封系统;⑦润滑剂的类型和用量;⑧安装和拆卸的方式。
[0045]在同时承受径向载荷和轴向载荷的情况下，支承常采用角接触轴承和圆锥滚子轴 承成对安装。两个轴承外圈宽端面相对安装称背对背安装。两支承力作用点落在支承跨距 之外。这种排列方式因支承跨距大，轴悬臂时刚性好，轴受热伸长时内、外圈呈脱开趋势，因 而轴不会卡死，故使用比较广泛。但如若采用预紧安装，则在轴受热时预紧量将会减少。两 个轴承外圈窄端面相对安装称面对面安装。两个支承的力作用点落到支承跨距之内。这处 排列方式结构简单、装拆、调试均较方便故使用也较广泛，主要用于短轴和温升不高的场 合，但要注意一定要留有备用游隙。轴向游隙也不宜过大，过大时会降低轴的运转精度。当 轴向载荷较大，需多个轴承同时承受时，常采用轴承外圈宽、窄端面相对安装的串联方式。 各轴承力作用点均落在轴承的同一侧故称同向排列又称串联。采用此种排列方式时要注意 结构上保证每个轴承都能尽量均匀承受载荷。
[0046]以上所述之实施例子只为本实用新型之较佳实施例，并非以此限制本实用新型的 实施范围，故凡依本实用新型之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本实用新型的保护范围 内。
【主权项】
1. 一种机器人用的关节驱动装置，其特征在于:所述关节驱动装置为采用直流伺服电 机加两级减速的驱动机构，包括有直流伺服电机、行星齿轮减速机和皮带轮减速机，所述直 流伺服电机的输出连接行星齿轮减速机，所述行星齿轮减速机通过同步轮与皮带轮减速机 连接，所述行星齿轮减速机的减速比为200:1，所述皮带轮减速机采用直径比为3:1的两个 铝合金轮及采用双支承结构的关节轴承，所述铝合金轮安装在关节轴承上，轴的径向位置 由两个支承共同限定，每个支承处有起径向定位作用的向心或角接触轴承，轴向位置由两 个支承各限制一个方向的轴向位移，或由一个支承限制不同的运转精度。2. 根据权利要求1所述的一种机器人用的关节驱动装置，其特征在于:所述直流伺服电 机与行星齿轮减速机之间通过一个法兰连接。3. 根据权利要求1所述的一种机器人用的关节驱动装置，其特征在于:所述支承采用角 接触轴承和圆锥滚子轴承成对安装。
【文档编号】B25J17/02GK205704263SQ201620533337
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年6月2日
【发明人】岑宇钿, 肖南峰
【申请人】华南理工大学