机器人腰部旋转结构的设计

□ 胡艳凯 □ 徐瑞超

陕西国防工业职业技术学院 智能制造学院 西安 710300

1 设计背景

在“中国制造2025”政策引导下,机器人智能化得到了迅速发展,众多高校、科研机构、企业加大了对机器人产品的研发力度[1-3]。调研和分析目前应用比较广泛的机器人产品,发现主要存在三方面问题[4-5]。第一,目前市场上的机器人虽然功能强大,但是结构设计较为传统,对机器人腰部的研究和设计不多,大部分用机器人上肢与腿部的配合来代替腰部的功能。事实上,机器人腰部结构对整体稳定性的提升至关重要,可以补偿由上肢运动产生的质心偏移,提高整机稳定性[6-7]。第二,机器人产品的稳定性和核心部件的利用效率不高,复杂的控制系统使机器人整体稳定性较差,维修困难。一些产品的核心部件成本高昂,但只能完成某一个特定动作,核心部件的利用率低,使用性能无法充分发挥。第三,机器人结构设计创新性不高,大都是利用已存在的传统机械结构,不能与先进的软件匹配,导致机器人功能的发挥不稳定,产品的质量和使用寿命受到影响。

笔者对机器人腰部进行了创新性研究,设计了一种机器人腰部旋转结构,可以搭载不同的本体结构,适应不同的工作环境。

2 结构设计

笔者所设计的机器人腰部旋转结构主要特点为仅由一个伺服电机驱动,在机器人运转时,不改变伺服电机的转向,控制电磁离合器的状态,即可实现机器人左右旋转。机器人腰部旋转结构通过直齿轮传递运动和动力,通过锥齿轮传动改变运动的传递方向,搭配控制系统实现机器人的转动。机器人腰部旋转结构采用创新性设计,突破了传统机械结构的限制,利用电磁离合器作为核心调速元件,更好地控制机构运动,利用齿轮传动的传动比固定、传递运动直接、效率高等特点,充分地发挥出各结构零部件的优势。

机器人腰部旋转结构主要由腰部底盘、驱动机构、运动传递机构、腰部盖板四部分组成。驱动机构主要由双轴伺服电机、正转离合器、反转离合器组成。运动传递机构主要由锥齿轮和直齿轮构成,通过控制伺服电机及离合器,实现正转和反转,通过锥齿轮和直齿轮将运动传递到腰部盖板,实现机器人的转动。运动传递机构固定在机器人腰部底盘上。机器人腰部旋转结构如图1所示。

1.正转支撑轴;2.正转输入齿轮;3.正转离合器齿轮;4.正转输出齿轮;5.正转离合器;6.正转离合器支架;7.正转输出轴;8.盖板支架;9.反转输出轴;10.反转离合器支架;11.反转离合器;12.反转离合器齿轮;13.反转输出齿轮;14.反转支撑轴;15.反转输入齿轮;16.电机支架;17.电机;18.轴套;19.底盘;20.推力球轴承;21.盖板;22.内齿圈

腰部底盘主要用于支撑驱动机构、运动传递机构及腰部盖板,可以降低整个结构的质心,提高结构稳定性。腰部盖板由盖板、内齿圈、盖板支架、推力球轴承组成,内齿圈与盖板内圈通过过盈配合连接,推力球轴承安装在盖板上,通过盖板支架将盖板支撑在电机支架上。在运动过程中,根据不同的控制命令,可以使盖板正反转动。

驱动机构由正转离合器齿轮、正转离合器、正转离合器支架、正转输出轴、反转输出轴、反转离合器支架、反转离合器、反转离合器齿轮、电机支架、双轴伺服电机、轴套组成。当正转离合器处于通电吸合状态,反转离合器处于断电分离状态时,运动和动力扭矩通过双轴伺服电机传递到正转离合器齿轮上,继续传递到运动传递机构,使机器人腰部正转运动。由于反转离合器断电,此时只能传递运动,不能产生动力扭矩,因此反转离合器齿轮处于空转状态。当正转离合器处于断电分离状态,反转离合器处于通电吸合状态时,运动和动力的传递正好相反,此时正转离合器齿轮处于空转状态,反转离合器齿轮将运动和动力传递到运动传递机构,使机器人腰部反转运动。双轴伺服电机通过轴套分别与正转离合器、反转离合器相连,整个驱动机构通过电机支架及辅助零部件固定在底盘上。

运动传递机构主要包括正转支撑轴、正转输入齿轮、正转输出齿轮、反转输出齿轮、反转支撑轴、反转输入齿轮等零部件。当正转离合器处于通电吸合状态,反转离合器处于断电分离状态时,运动和动力经过正转离合器齿轮、正转输入齿轮、正转输出齿轮,传递到内齿圈,带动机器人腰部正转运动,此时反转离合器齿轮处于空运行状态。当正转离合器处于断电分离状态,反转离合器处于通电吸合状态时,运动和动力经过反转离合器齿轮、反转输入齿轮、反转输出齿轮,传递到内齿圈,带动机器人腰部反转运动,此时正转离合器齿轮处于空运行状态。正转输入齿轮、正转输出齿轮通过平键固定在正转支撑轴上,反转输出齿轮、反转输入齿轮通过平键固定在反转支撑轴上,正转支撑轴和反转支撑轴通过轴承及辅助零部件与底盘连接,使两个支撑轴能够在底盘上转动。

机器人腰部结构在正转和反转时为对称设计。当正转离合器通电吸合,反转离合器处于断电分离状态时,运动依次通过双轴伺服电机、正转离合器齿轮、正转输入齿轮、正转输出齿轮,传递到内齿圈,带动盖板正转,此时反转机构部分不参与动力传递。当正转离合器断电分离,反转离合器处于通电吸合状态时,运动依次通过双轴伺服电机、反转离合器齿轮、反转输入齿轮、反转输出齿轮,传递到内齿圈,带动盖板反转,此时正转机构部分不参与动力传递。

3 结构计算

根据所设计的机器人腰部旋转结构及功能,对机器人转动进行理论计算。各齿轮参数见表1。

表1 齿轮参数

电机的型号为86BYG250,额定扭矩T1为8.5 N·m,机器人腰部旋转结构负载扭矩T为:

T=ηiT1/n

(1)

式中:n为安全因数,n=1.2;η为传递效率,η=0.95;i为齿轮传动比。

经过计算,得到机器人腰部旋转结构的负载扭矩为35.63 N·m。

4 结束语

笔者设计了一种机器人腰部旋转结构,在结构上进行创新,利用离合器作为核心部件,搭配齿轮传动,实现腰部旋转结构的正反转动作。机器人腰部旋转结构属于闭式齿轮传动,驱动机构和运动传递机构在相对密闭的空间内工作,位于封闭的底盘与盖板之间,传动效率高,具有良好的润滑条件,处于清洁的工作环境中,稳定性较高,并且具有合理的工作寿命。

笔者设计的机器人腰部旋转结构应用范围有一定的开放性,可以作为关节搭载机械手臂,应用在企业或工厂,用于搬运货物;也可以搭载机器人上肢和下肢作为仿人机器人的腰部结构,提高仿人机器人整体的稳定性及质心偏移的补偿性;还可以搭载平板小车及摄像头,实现巡查或监测功能。