工業(yè)機(jī)器人的傳動

工業(yè)機(jī)器人的傳動裝置與一般機(jī)械的傳動裝置的選用和計算大致相同。 但工業(yè)機(jī)器人的傳動系統(tǒng)要求結(jié)構(gòu)緊湊、 重量輕、轉(zhuǎn)動慣量和體積小, 要求消除傳動間隙, 提高其運(yùn)動和位置精度。工業(yè)機(jī)器人傳動裝置除齒輪傳動、蝸桿傳動、 鏈傳動和行星齒輪傳動外, 還常用滾珠絲桿、 諧波齒輪、鋼帶、 同步齒形帶和繩輪傳動。

表1工業(yè)機(jī)器人常用傳動方式的比較與分析

新型的驅(qū)動方式

1. 磁致伸縮驅(qū)動

鐵磁材料和亞鐵磁材料由于磁化狀態(tài)的改變, 其長度和體積都要發(fā)生微小的變化, 這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮。

20世紀(jì)60年代發(fā)現(xiàn)某些稀土元素在低溫時磁伸率達(dá)3000×10-6～10 000×10-6,人們開始關(guān)注研究有適用價值的大磁致伸縮材料。

研究發(fā)現(xiàn),TbFe2(鋱鐵)、SmFe2(釤鐵)、DyFe2(鏑鐵)、 HoFe2(鈥鐵)、TbDyFe2(鋱鏑鐵)等稀土－鐵系化合物不僅磁致伸縮值高, 而且居里點高于室溫, 室溫磁致伸縮值為1000×10-6～2500×10-6, 是傳統(tǒng)磁致伸縮材料如鐵、鎳等的10～100倍。 這類材料被稱為稀土超磁致伸縮材料(Rear Earth Giant MagnetoStrictive Materials, 縮寫為RE-GMSM)。

這一現(xiàn)象已用于制造具有微英寸量級位移能力的直線電機(jī)。為使這種驅(qū)動器工作, 要將被磁性線圈覆蓋的磁致伸縮小棒的兩端固定在兩個架子上。當(dāng)磁場改變時, 會導(dǎo)致小棒收縮或伸展, 這樣其中一個架子就會相對于另一個架子產(chǎn)生運(yùn)動。一個與此類似的概念是用壓電晶體來制造具有毫微英寸量級位移的直線電機(jī)。

美國波士頓大學(xué)已經(jīng)研制出了一臺使用壓電微電機(jī)驅(qū)動的機(jī)器人——“機(jī)器螞蟻”?！皺C(jī)器螞蟻”的每條腿是長1 mm或不到1 mm的硅桿， 通過不帶傳動裝置的壓電微電機(jī)來驅(qū)動各條腿運(yùn)動。這種“機(jī)器螞蟻”可用在實驗室中收集放射性的塵埃以及從活著的病人體中收取患病的細(xì)胞。

2.形狀記憶金屬

有一種特殊的形狀記憶合金叫做Biometal(生物金屬), 它是一種專利合金, 在達(dá)到特定溫度時縮短大約4%。 通過改變合金的成分可以設(shè)計合金的轉(zhuǎn)變溫度, 但標(biāo)準(zhǔn)樣品都將溫度設(shè)在90℃左右。

在這個溫度附近, 合金的晶格結(jié)構(gòu)會從馬氏體狀態(tài)變化到奧氏體狀態(tài),并因此變短。然而,與許多其他形狀記憶合金不同的是,它變冷時能再次回到馬氏體狀態(tài)。如果線材上負(fù)載低的話,上述過程能夠持續(xù)變化數(shù)十萬個循環(huán)。

實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變的常用熱源來自于當(dāng)電流通過金屬時,金屬因自身的電阻而產(chǎn)生的熱量。結(jié)果是,來自電池或者其他電源的電流輕易就能使生物金屬線縮短。

這種線的主要缺點在于它的總應(yīng)變僅發(fā)生在一個很小的溫度范圍內(nèi),因此除了在開關(guān)情況下以外, 要精確控制它的拉力很困難,同時也很難控制位移。

圖1 形狀記憶金屬制作的末端操作器

3.靜電驅(qū)動器

圖2是一個帶有電阻器移動子的三相靜電驅(qū)動器的工作原理圖。

圖2 三相靜電驅(qū)動器工作原理

這種執(zhí)行器有下列特征:

(1) 因為移動子中沒有電極, 所以不必確定與定子的相對位置, 定子電極的間距可以非常小。

(2) 因為驅(qū)動時會產(chǎn)生浮力,所以摩擦力小,在停止時由于存在著吸引力和摩擦力, 因此可以獲得比較大的保持力。

(3) 因為構(gòu)造簡單, 所以可以實現(xiàn)以薄膜為基礎(chǔ)的大面積多層化結(jié)構(gòu)。

基于上述各點, 把這種執(zhí)行器作為實現(xiàn)人工筋肉的一種方法, 受到了人們的關(guān)注。

4.超聲波電機(jī)

超聲波電機(jī)的工作原理是用超聲波激勵彈性體定子，使其表面形成橢圓運(yùn)動， 由于其上與轉(zhuǎn)子(或滑塊)接觸， 在摩擦的作用下轉(zhuǎn)子獲得推力輸出。如圖2.78所示， 可以認(rèn)為定子按照角頻率ω0，進(jìn)行超聲波振動， 在預(yù)壓W作用下， 轉(zhuǎn)子被推動。

超聲波電機(jī)的負(fù)載特性與DC電機(jī)相似， 相對于負(fù)載增加， 轉(zhuǎn)速有垂直下降的趨勢，將超聲波電機(jī)與DC電機(jī)進(jìn)行比較， 它的特點有：① 可望達(dá)到低速、 高效率； ② 同樣的尺寸， 能得到大的轉(zhuǎn)矩； ③ 能保持大轉(zhuǎn)矩； ④ 無電磁噪聲； ⑤ 易控制； ⑤ 外形的自由度大等。

圖3超聲波電機(jī)的工作原理圖

驅(qū)動傳動方式的應(yīng)用

1. Movemaster EX RV-M1的驅(qū)動傳動

圖4 為三菱裝配機(jī)器人Movemaster EX RV-M1的驅(qū)動傳動簡圖。

該機(jī)器人采用電動方式驅(qū)動, 有5個自由度, 分別為腰部旋轉(zhuǎn)、肩部旋轉(zhuǎn)、肘部的轉(zhuǎn)動、手腕的俯仰與翻轉(zhuǎn)。各關(guān)節(jié)均由直流伺服電機(jī)驅(qū)動,其中,腰部旋轉(zhuǎn)部分與腕關(guān)節(jié)的翻轉(zhuǎn)為直接驅(qū)動。為了減小慣性矩,肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)的俯仰都采用同步帶傳動。實驗室常用的末端操作器(在零件裝配時有開閉動作)采用直流電機(jī)驅(qū)動。

圖4 三菱裝配機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖

1)腰部轉(zhuǎn)動(J1軸)

(1)腰部(J1軸)由基座內(nèi)的電機(jī)①和調(diào)諧齒輪②驅(qū)動。

(2) J1軸限位(極限)開關(guān)③裝在基座頂部。

2)肩部(J2軸)旋轉(zhuǎn)

(1) 肩部(J2軸)由肩關(guān)節(jié)處的調(diào)諧齒輪⑥驅(qū)動, 由連接在J2軸電機(jī)④上的同步帶⑤帶動旋轉(zhuǎn)。

(2) 電磁制動閘⑦裝在調(diào)諧齒輪⑥的輸入軸上, 以防止斷電時肩部由于自重而下轉(zhuǎn)。

(3) J2軸限位開關(guān)⑧裝在肩殼內(nèi)上臂處。

3)肘部伸展(J3軸)

(1) J3軸電機(jī)⑨的轉(zhuǎn)動由同步帶B10傳送至調(diào)諧齒輪B21。

(2) 調(diào)諧齒輪B21上J3軸輸出軸的轉(zhuǎn)動由J3軸的驅(qū)動連桿傳送至肘部的軸上,從而帶動前臂伸展。

(3) 電磁制動閘B12裝在調(diào)諧齒輪B21的輸入軸上。

(4) J3軸限位開關(guān)B13安裝在肩殼內(nèi)上臂處。

4)腕部俯仰(J4軸)

(1) J4軸的電機(jī)B14安裝在前臂內(nèi)。J4軸同步帶B15將該電機(jī)的轉(zhuǎn)動傳送到調(diào)諧齒輪B16上,從而帶動腕殼旋轉(zhuǎn)。

(2) J4軸的限位開關(guān)B17安裝在前臂下側(cè)。

5)腕部轉(zhuǎn)動(J5軸)

(1) J5軸電機(jī)B18和J5軸調(diào)諧齒輪B19安裝在腕殼內(nèi)的同一軸上, 由它們帶動手爪安裝法蘭旋轉(zhuǎn)。

(2) J5軸的限位開關(guān)B20安裝在前臂下。

2. PUMA 562機(jī)器人傳動

PUMA 562機(jī)器人有6個自由度, 其傳動方式如圖5所示。由圖可看出:

電機(jī)1通過兩對齒輪Z1、Z2、Z3、Z4傳動帶動立柱回轉(zhuǎn)。

電機(jī)2通過聯(lián)軸器、 一對圓錐齒輪Z5、Z6和一對圓柱齒輪Z7、Z8帶動齒輪Z9, 齒輪Z9繞與立柱固聯(lián)的齒輪Z10轉(zhuǎn)動, 于是形成了大臂相對于立柱的回轉(zhuǎn)。

電機(jī)3通過兩個聯(lián)軸器和一對圓錐齒輪Z1、Z2、 兩對圓柱齒輪Z13、Z14,Z15、Z16(Z16固聯(lián)于小臂上)驅(qū)動小臂相對于大臂回轉(zhuǎn)。

圖5 PUMA 562機(jī)器人的傳動示意圖

電機(jī)4先通過一對圓柱齒輪Z17、 Z18、 兩個聯(lián)軸器和另一對圓柱齒輪Z19、Z20(Z20固聯(lián)于手腕的套筒上)驅(qū)動手腕相對于小臂回轉(zhuǎn)。

電機(jī)5通過聯(lián)軸器、 一對圓柱齒輪Z21、Z22、一對圓錐齒輪Z23、Z24(Z24固聯(lián)于手腕的球殼上)驅(qū)動手腕相對于小臂(亦即相對于手腕的套筒)擺動。

電機(jī)6通過聯(lián)軸器、 兩對圓錐齒輪Z25、Z26,Z27、Z28和一對圓柱齒輪Z29、Z30驅(qū)動機(jī)器人的機(jī)械接口(法蘭盤)相對于手腕的球殼回轉(zhuǎn)。