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1、第28卷第4期机器人关节的发展现状与趋势1文章编号:1004-2539(2004)04-0001-05机器人关节的发展现状与趋势(重庆大学机械传动国家重点实验室,重庆400044)王光建梁锡昌蒋建东摘要机器人关节是机器人的基础部件,其性能的好坏直接影响机器人的性能。本文根据机器人关节的功能特点,驱动方式,应用场合和主要结构等进行了分类;介绍了典型的机器人关节结构形式,对工业机器人和拟人机器人的关节结构进行了较为详细的介绍;随着数字伺服技术等电子技术的发展,机器人关节也在不断发展。机器人关节呈现出大力矩
2、、高精度、反应灵敏、小型化,机电一体化,标准化和模块化等趋势,以适应机器人技术发展的需要。关键词机器人发展关节驱动器1.2仿人机器人的关节的分类引言仿人机器人可以进行双足移动,具有很好的适应机器人操作机是由一系列连杆通过旋转或移动关性,是当代科技的研究热点之一。主要特点是冗余自节相互连接组成的多自由度机构。一个关节系统包括由度多,机构复杂,由回转关节组成。仿人机器人关节驱动器、传动器和控制器,属于机器人的基础部件,是可以分为上肢关节(肩、肘、腕、多指手),下肢关节(踝、整个机器人伺服系统中的一个重要环
3、节,其结构、重膝、髋)。量、尺寸对机器人性能有直接影响。1.3微型机器人关节1机器人关节的分类微型机器人是利用集成电路微细加工工艺,如光刻技术将驱动器,关节传动装置及传感器控制器和电关节是各杆件间的结合部分,是实现机器人各种源等集成在很小的多晶硅上,微型静电马达、压电超声运动的运动副,由于机器人的种类很多,其功能要求不马达和微型传动机构等已经应用于关节系统。同,关节的配置和传动系统的形式都不同。1.1工业机器人关节的分类2工业机器人关节的发展现状工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人
4、,其关节的分类见图1,可以根据输出工业机器人常见的关节形式有移动关节和转动关运动形式,传动机构,驱动器,有无减速器和运动副的节。应用最多的工业机器人是多关节机器人,它由多[1][2]不同对机器人关节进行分类。个回转关节和连杆组成,模拟人的肩关节、肘关节和腕齿轮齿条普通丝杆或滚珠丝杆关节等的作用。其关节与仿人机器人的肩、肘、腰关节移动关节:液压缸气压缸直线电机或音圈电机等不同的是自由度个数。通常前者的肩、肘、腰关节的谐波减速器摆线针轮(RV)运动形式齿轮传动:自由度为1。力矩电机传动皮带钢带齿形带、2.
5、1移动关节转动关节带、链或绳传动:钢绳、链轮移动关节采用直线驱动方式传递运动,包括直角连杆机构(摆动):丝杆连杆或滑块连杆坐标结构的驱动,圆柱坐标结构的径向驱动和垂直升齿轮传动蜗轮蜗杆传动链条传动带传动传动机构:连杆机构绳索传动谐波减速传动,降驱动,以及极坐标结构的径向伸缩驱动。直线运动关节摆线针轮(RV)减速传动可以直接由气缸或液压缸和活塞产生,也可以采用齿电驱动关节:直流伺服交流伺服步进电机轮齿条、丝杆、螺母等传动元件把旋转运动转换成直线气压驱动关节:气缸伸缩软管气压马达驱动器形式液压驱动关节运动
6、。产生移动关节直线运动的方式有以下几种:旋转马达活塞液压缸特种驱动关节:(形状记忆合金SMA、人工肌肉等)2.1.1齿轮齿条装置效率高,精度好,刚度好,缺有无减速器:直接驱动间接驱动点是回差大;运动副形式:转动副移动副螺旋副球面副2.1.2丝杆(滑动或滚珠)效率、精度高,速比大;图1机器人关节分类2.1.3液压缸功率大,结构简单,响应快,无减速2机械传动2004年装置,能直接与被驱动的杆件相连,但需要液压源,易示,输入轴经齿轮传动传给行星齿轮,完成一级减速;产生泄漏;与行星轮相连的曲柄轴是第二级减速的
7、输入轴,RV外2.1.4气压缸能源、结构较简单,但速度不易控齿轮支承在曲柄偏心处的滚动轴承上,当行星轮转一制,精度不高。周时,曲柄轴和RV齿轮被箱体内侧滚针挤压,受其反2.1.5直线电机或音圈电机驱动精度高,但力矩作用力作用,RV齿轮逐齿向输入运动的反方向运动。较小。特点是速比大,同轴线、结构紧凑,效率高,其最显著的2.2回转关节特点是刚性好、转动惯量小,固有频率高,振动小,适用回转关节是连接相邻杆件,如手臂与机座,手臂与于操作机上的第一级旋转关节(如腰关节),在频繁加、手腕,并实现相对回转或摆动的关
8、节机构,由驱动器、减速的运动过程中可以提高响应速度并降低能量消回转轴和轴承组成。多数电机能直接产生旋转运动,耗。但常需各种齿轮、链、皮带传动或其他减速装置,以获取较大的转矩。旋转运动传递和转换方式有以下几种2.2.1齿轮传动特点是响应快,转矩大,刚性好,可实现转向改变和复合传动,轴间距不大。在图2所示的手臂机构中,两个电动机输出后,分别经过蜗轮蜗杆和齿轮减速后通过中间齿轮传递运动,中间齿轮上图4摆线针轮(RV)传动面具有相互垂直的轮齿,可以使臂关节分别绕
