机器人底座旋转结构的设计

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 机器人产品存在的问题

近些年,随着世界科技水平和科研实力的不断提高,机器人行业不断涌现出新技术、新产品,机器人的稳定性和实用性也越来越高,机器人实现了走出实验室,融入人们日常生活的目标[1-2]。在这一背景下,各种各样的机器人产品进入市场。当前,机器人产品虽然种类繁多,但是质量良莠不齐。市场调研发现,目前市场上的机器人产品主要存在三方面问题[3-7]。

(1) 机器人产品稳定性和实用性存在缺陷。机器人产品功能性与自身结构的匹配度不高,使机器人整机的稳定性和鲁棒性降低,最终导致研发制造成本高,后期维护维修难度大。

(2) 机器人产品能够完成的功能越来越强大,如拥有视觉、触觉、自主学习特征,机器人的动作也由原来的简单行走动作变化到跑步避障、跳跃等灵活动作,由此机器人整机的灵活性大大提升,自由度数量从几个到几十个,甚至上百个,控制系统设计相当烦琐复杂,对机器人结构提出了很高的稳定性要求[8],并且一个简单的动作需要通过冗余烦琐的驱动系统来控制实现。

(3) 机器人产品的结构创新性不高。机器人功能的实现基于机器人的机械结构,结构创新不足会制约机器人行业的进一步发展。采用人工智能软件并不能改善现有状况[9]。另一方面,机器人的结构和驱动控制系统匹配度不高,会导致机器人完成动作的质量和效率不高。

2 机器人底座旋转结构设计

笔者设计了一种机器人底座旋转结构,有一定的开放性,可搭载并辅助配合机械手臂完成各种动作,也可作为机器人腰部结构,实现正反旋转动作,并且控制系统简单。利用双向输出轴伺服电机搭载电磁离合器,通过齿轮传动,实现机器人底座旋转结构的正反旋转。整个机器人底座旋转结构属于开放式传动,传动效率高,性能稳定,而且维修方便。此外,基于机器人底座旋转结构设计的控制系统简单,仅控制电磁离合器和伺服电机转速,即可完成机器人的既定动作。

机器人底座旋转结构包括机器人底板、伺服电机驱动单元、正反向旋转单元、盖板等主要部分。工作时,伺服电机启动,将运动传递至电磁离合器输出轴。电磁离合器搭载锥齿轮,通过控制电磁离合器的吸合或分离,可实现运动的传递或分离。当电磁离合器吸合时,运动通过锥齿轮传递,并改变运动传递的方向,最终可实现机器人底座旋转结构的正反向旋转。若搭载机械手臂,则机器人底座旋转结构可辅助机械手臂完成动作。若搭载仿人机器人上半身,则机器人底座旋转结构可作为腰部结构,配合上半身完成动作。

机器人底座旋转结构如图1所示。

图1 机器人底座旋转结构

3 工作原理

双轴伺服电机产生运动和动力,双向传递到反转电磁离合器和正转电磁离合器。两个电磁离合器分别通过平键连接正转电磁离合器齿轮和反转电磁离合器齿轮。当反转电磁离合器处于断电分离状态时,电磁离合器吸盘吸力为零,正转电磁离合器处于通电吸合状态。此时,双轴伺服电机产生的运动和动力将传递到正转电磁离合器齿轮中,然后通过正转过渡齿轮、正转齿轮及内齿圈改变运动的传递方向,实现盖板转动,最终使运动执行机构正向旋转。这一过程中,反转电磁离合器处于断电分离状态,反转电磁离合器轴一直空转。当双轴伺服电机开始旋转后,正转电磁离合器处于断电分离状态,正转电磁离合器轴空转,反转电磁离合器处于通电吸合状态,通过反转过渡齿轮、反转电磁离合器齿轮及内齿圈传递并改变运动的传递方向,最终实现运动执行机构反向旋转。这一过程中,正转电磁离合器处于断电分离状态,正转电磁离合器轴一直空转。

4 最大负载计算

机器人底座旋转结构各齿轮参数见表1。

表1 齿轮参数

根据表1计算机器人底座旋转结构的传动比i为3.5。选择的双轴伺服电机额定输出扭矩T为7.5 N·m,由此计算机器人底座的最大负载T0为:

T0=ρiT/N=21 N·m

式中:ρ为传动效率,ρ取0.96;N为安全因数,N取1.2。

5 结束语

笔者设计了一种机器人底座旋转结构,在传统的轮系传动上进行创新,利用齿轮搭载电磁离合器,通过切换电磁离合器状态,实现运动的传递或分离,将运动传递到与机器人盖板连接的锥齿轮,实现正反旋转。对机器人底座的最大负载进行了计算,得到最大负载为21 N·m。

机器人底座旋转结构为开放式传动,在运转时,易于观察内部工作状态,结构简单可靠,运动传递精确,控制系统简单易操作,仅要求对伺服电机转速和电磁离合器开关状态进行控制,稳定性高。

机器人底座旋转结构可以搭载不同的执行机构,并提供正反两个方向的旋转,为下一步研究奠定了基础。机器人底座旋转结构可以适应不同的工作场合,能够辅助工作人员完成相应的工作。