斜面偏转机器人关节领域技术综述

范建会

国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心，天津, 300304

斜面偏转机器人关节领域技术综述

范建会

国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心，天津, 300304

随着精密制造的不断深化，斜面偏转关节通过其结构紧凑、强度高、柔性好以及布线方便的特点，逐步成为机器人关节领域研究中的一个重要分支，特别是在工业机器人和仿生机器人领域被广泛应用。

机器人；斜面偏转

1 机器人关节的分类

按照传动机构可分为：齿轮传动、蜗轮蜗杆传动、链条传动、带传动、连杆机构、绳索传动、谐波减速传动以及摆线针轮减速传动[1]。仿生机器人是指模仿生物、从事生物特点工作的机器人。仿生机器人是机器人领域一个重要分支也是近年来的研究热点，大量斜面偏转关节技术应用于工业设计中，其主要特点是冗余自由度多，机构复杂，多由回转关节组成，斜面偏转关节是功能关节的常用选择部件。

2 回转关节的发展现状

2.1 回转关节的主要技术分支

工业机器人经过几十年的发展，在汽车制造、农业、医疗救援、军事和空间探索等众多领域得到了广泛的应用，生产商推出了具有斜面偏转关节的双臂机器人，能够完成工件装配、服务等复杂的任务。

为了使机器人具有更多的自由度以具有更高的适应性，并可以很大程度上缩小整体结构尺寸，目前利用蛇的仿生原理获得的两自由度运动关节研究前景广阔。第一代两自由度旋转关节包括两个简单的旋转副并连接至其他旋转关节，从而形成蛇形机器人，这种设计使机器人的体积和质量明显降低。随着技术的发展，将具有驱动能力的通用副设置在新式的两自由度的旋转关节中，但不能满足体积和扭曲的要求。而斜面偏转关节的出现解决了以上问题，它使用了斜面双旋转副作为整体部件，并具有关节中通用副的不规则变化以及相对小的负荷体积比。NEC公司的蛇形机器人（US4683406A）是最具有偏置式旋转关节开拓性的相关技术，它使用相对大的通用副防止来自于两个凹槽的任何相对扭曲，但该关节依然笨重，其通用副不能对两组件的转速进行线性传递，使运动副难于控制，且偏移速度不是常量。

1995年，美国飞行器推进器实验室开发出了一种10自由度蛇形机器人，所有关节均直接由电机控制，电机均安装于机器人内部。然而，在JPL机器人中，为了在蛇形机器人内部布线使用了中空式的通用副，但该通用副会使整个机器人出现刚度低、易破碎的缺点。之后，美国西北太平洋国际实验室设计了一种具有14自由度的机械手，这种设计采用具有简单丝杠结构的通用副来驱动双旋转副，关节刚度增强，但成本较高、鲁棒性差。

2.2 斜面偏转关节的专利申请量趋势分析

图1示出了斜面偏转关节近30年的国内外专利申请量趋势。1995年前，斜面偏转关节领域仅有十几件专利申请，该阶段中斜面偏转关节均作为蛇形机器人中的关节部件，专利申请主要在于蛇形机器人运动灵活性的概念性及原理设计。这一阶段的主要申请人包括诸如NEC公司，以及进行探索性研究的实验室。

图1 斜面偏转关节国内外专利申请量

1995-2000年，随着电子、材料及机械制造领域技术的不断进步，斜面偏转关节逐步应用于工业机器人。在这一阶段，原有的研究者活跃起来，同时更多的斜面偏转关节感兴趣的申请人出现。

2001-2007年，即自精密制造业迅速发展以来，斜面偏转关节机器人领域的专利申请进入快速增长期，2001年之后增长速度进一步加快。在这一时期，专利申请量增长十分明显，特别是随着日本安川电机进入这一领域，该技术领域的研发能力和专利布局能力大幅度提升，该时期实现产业化的斜面偏转关节机器人产品也逐步增多。国内在该领域的研究也逐渐起步，2007年国内申请量达到顶峰。

2008-2015年，该领域的专利申请进入调整阶段，专利申请数量逐渐减少。这可能一方面受到经济危机的影响，另一方面也受到一些新技术的冲击，如并联机器人领域的不断发展以及机器人关节相关配件性能的提升。

3 偏置式旋转关节机器人的现状分析

从全球的专利数据来看，偏置式旋转关节结构研究主要集中在结构的紧凑度、强度、转动能力、可达空间、关节柔性、中空轴组装以及线性控制等方面。但是国内申请较为侧重在关节中空结构的申请上，而国外最为注重的是关节的紧凑性和柔性的申请方面。这是由于我国对基础部件的研究起步较晚引起的，且关节中空结构的直接影响也使得国内申请人过多地关注在关节中空结构上。

3.1 关节结构紧凑度

US4657472A是KUKA公司首次提出的一种机械臂的头部组件，该组件包括三个部分，末段部分可以相对中段部分有倾斜角度的旋转，从而使得整个机械臂的结构紧凑。随后，KUKA公司对于上述设计进行改进，DE3545068A1的技术方案进一步解决了机械臂上斜面偏转关节的摆动问题，通过对倾斜的驱动轴进行补偿，增强了驱动精度。US2003010148A1中的机械臂由于斜面偏转关节被通过两种轴反向机构的动力源驱动，使得机械臂的控制简化。CN1771115A是日本川崎重工提出的一种关节式机械手，其关节包括同轴关节和倾斜关节的关节式机械手，增强了关节之间的紧凑性。

3.2 关节强度

US4841795A是一种可旋转通用副的工作头组件，该工作头组件包括支撑心轴和支撑臂，该具有通用副的关节中是由一组轴承与旋转齿轮组成的，该种结构具有较高的强度。US2002166403A1是CHOSET提出的一种紧凑机器化的斜面偏转关节。

3.3 关节柔性化

HITACHI提出了一种具有至少2个自由度的手腕机构EP0200202A2，该手腕机构被放置在一个工业机器人手臂的顶端，手腕的转动轴的部件间的夹角不超过90°。US4904148A是一种具有可弯折关节的工业机器人，其运动关节表面与纵向轴相倾斜，倾斜的运动关节表面位于中间臂的两侧，并与之外部边缘交叉。

3.4 关节中空轴组装

EP0299551A1是具有轴向旋转中空轴组装而成的斜面偏转关节，这种布置使多关节的工业机器人增加了若干自由度，并具有用于服务的轴向腔体。同时EP0873826A2也提供了一种简化和中空轴的标准结构以连接机器人以及工具。CN201863207U是鸿富锦精密工业提出了一种三自由度空心手腕，包括具有转动轴线斜交的三个关节，并且设有内部中空管道，所有管线从手腕的内部穿过连接到工具端尾部。鸿富锦精密工业又通过CN102527560A对喷涂机器人臂部件进行改进，其内部形成一个供连接至喷涂机构的管线穿设的通道，上述具有斜面偏转关节的喷涂机器人臂部件可避免管线暴露于喷涂环境中被污染。

4 斜面偏转关节机器人的趋势预测

为了更真实地模拟生物体的动作和适应环境要求，因此斜面偏转关节对机器人动作的准确性具有关键的作用。随着伺服驱动、控制和传感技术等机电技术的不断发展，机器人斜面偏转关节呈现出新的特征和趋势。

4.1 关节机构的系列化、模块化、标准化

美国、日本和德国等国家一直致力于研究具有斜面偏转关节模块化的蛇形机器人，其可以根据用户需求、地形、目标、运动等组合出成千上万种型号，通过按需配置可以缩短设计周期，降低成本，促进机器人跨越式发展。

4.2 关节机构小型化

随着机器人面对的使用环境越来越复杂，具有高负载，大力矩、小体积、重量轻的直接驱动电机的发展促进了关节的小型化发展。斜面偏转关节应从机构、控制电路、驱动电机、传感器等系统配置部件的改进入手，如复合型通用副，通过优化设计出符合实际应用的伺服系统，达到最佳的耦合和匹配，从而更好地满足了机器人高精度、小体积、低重量的要求。

4.3 传动机构和驱动机构的新应用

随着新型驱动器的发展，如具有人工肌肉，记忆合金，压电陶瓷驱动等，以及一些通过微/纳操作系统的斜面偏转关节机构也会在不久的将来不断出现。

[1]王光建,梁锡昌,蒋建东.机器人关节的发展现状与趋势[J].机械传动.2004(04):1-5.

[2]范建会,赵新华,李彬.一种新型三自由度并联机构逆运动学及其工作空间分析[J].天津理工大学学报.2013(05):16-20.

范建会/1982年生/男/天津人/硕士/研究方向为机器人