工業(yè)機(jī)器人叉型手腕的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

徐會(huì)正

（清研同創(chuàng)機(jī)器人（天津）有限公司，天津，300300）

0 引言

隨著工業(yè)機(jī)器人需求量的日益劇增，國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展也非常迅速，但相對于工業(yè)機(jī)器人“四大家族”還存在一定的差距，特別是機(jī)械本體方面的差距。工業(yè)機(jī)器人本體設(shè)計(jì)主要在于手腕的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本文就工業(yè)機(jī)器人常用的叉型手腕機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述。

1 工業(yè)機(jī)器人叉型手腕機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

工業(yè)機(jī)器人的手腕結(jié)構(gòu)有多種形式，包括中空手腕結(jié)構(gòu)（3R），如圖1a[1]；Lemma手腕結(jié)構(gòu)（BBR），如圖1b[1]；叉臂手腕結(jié)構(gòu)（RBR），如圖1c[1]；此外，還有各種各樣的變形手腕結(jié)構(gòu)形式等。本節(jié)主要介紹工業(yè)機(jī)器人手腕常用的叉型結(jié)構(gòu)。

圖1 工業(yè)機(jī)器人手腕結(jié)構(gòu)類型

1.1 常用的叉型手腕結(jié)構(gòu)

工業(yè)機(jī)器人叉型手腕結(jié)構(gòu)中常用的叉型結(jié)構(gòu)傳動(dòng)原理如圖2。該傳動(dòng)結(jié)構(gòu)是眾多機(jī)器人普遍采用的傳動(dòng)方式，特別是國產(chǎn)機(jī)器人廠家最初設(shè)計(jì)的樣機(jī)都是此種傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)也有一些變形，如四軸傳動(dòng)的同步帶可以是齒輪傳動(dòng)，五、六軸的同步帶傳動(dòng)也可以是齒輪傳動(dòng)，而且可能是二級(jí)或者三級(jí)齒輪傳動(dòng)，以省去五軸或六軸的減速器，降低成本。

四軸減速器可以是中空減速器，方便穿纜走線。若不是中空減速器，需要增加一連接件，采用普遍應(yīng)用的U形走線方式來穿過五、六軸電機(jī)的線纜。

圖2 常用的叉型手腕結(jié)構(gòu)傳動(dòng)簡圖

機(jī)器人常用叉型手腕結(jié)構(gòu)具體實(shí)施方案可參考圖3[2]（五、六軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu)），圖4是四軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu)[3]。

圖3 機(jī)器人常用叉型手腕結(jié)構(gòu)

圖4 四軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 簡單實(shí)用的叉型手腕結(jié)構(gòu)

在叉型手腕中還有一種經(jīng)常被采用的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，該傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡單實(shí)用，是國產(chǎn)機(jī)器人常采用的傳動(dòng)方式之一，其傳動(dòng)原理如圖5所示。

圖5 簡單實(shí)用的叉型手腕結(jié)構(gòu)傳動(dòng)簡圖

該手腕結(jié)構(gòu)與圖2結(jié)構(gòu)相比，減少了一對錐齒輪，因此設(shè)計(jì)難度和制造加工裝配難度降低，同時(shí)降低噪聲，但會(huì)使手腕殼的體積增大；在圖5中，“11”處的五軸同步帶傳動(dòng)也可以是齒輪傳動(dòng)方式等。

這種手腕結(jié)構(gòu)的具體實(shí)施方案見圖6[2]，該方案中五軸減速機(jī)與五軸電機(jī)直聯(lián)，可以減少機(jī)器人小臂的橫向?qū)挾?，但這只適用于低負(fù)載的機(jī)器人結(jié)構(gòu)（6kg以下），此外，該方案中連桿結(jié)構(gòu)可以去掉，只保留同步帶傳動(dòng)。若末端負(fù)載超過6kg，最好將五軸減速器設(shè)計(jì)到五軸的旋轉(zhuǎn)中心處，這樣更能保證機(jī)器人的精度。

在國內(nèi)，采用該手腕類似結(jié)構(gòu)的機(jī)器人公司有山東時(shí)代新紀(jì)元機(jī)器人有限公司（以下簡稱山東時(shí)代新紀(jì)元）、上海新時(shí)達(dá)機(jī)器人有限公司（以下簡稱上海新時(shí)達(dá)）、南京埃斯頓自動(dòng)化股份有限公司（以下簡稱南京埃斯頓）、歡顏機(jī)器人（上海）有限公司（以下簡稱上海歡顏）、山東泰開機(jī)器人有限公司、華數(shù)機(jī)器人有限公司等。

圖6 簡單實(shí)用的叉型手腕結(jié)構(gòu)

1.3 中空叉型手腕結(jié)構(gòu)

叉型手腕還包括一種中空的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)允許外部線纜或氣管從手腕中心位置穿過，以減少與外圍工裝等的干涉，提高機(jī)器人的活動(dòng)范圍。其傳動(dòng)原理見圖7。

圖7 中空叉型手腕結(jié)構(gòu)傳動(dòng)簡圖（外嚙合）

該中空叉型手腕結(jié)構(gòu)相對于前兩種手腕結(jié)構(gòu)稍顯復(fù)雜，增加了六軸中空結(jié)構(gòu)。具體實(shí)施方案如圖8a[4]、8b[4]與圖9a[5]、9b[5]，這兩種傳動(dòng)方案的主要區(qū)別在于：前者六軸傳動(dòng)軸末端的直齒輪傳動(dòng)為外嚙合，而后者為內(nèi)嚙合。

采用該種類似手腕結(jié)構(gòu)的機(jī)器人品牌有安川電機(jī)（中國）有限公司（以下簡稱安川電機(jī)）、時(shí)代新紀(jì)元機(jī)器人、上海歡顏、成都卡諾普自動(dòng)化控制技術(shù)有限公司等。

圖8 一種外嚙合中空叉型手腕結(jié)構(gòu)

圖9 一種內(nèi)嚙合中空叉型手腕結(jié)構(gòu)

1.4 叉型手腕結(jié)構(gòu)變形——單臂

該種結(jié)構(gòu)的機(jī)器人手腕應(yīng)用也較多，最典型的當(dāng)屬日本FANUC株式會(huì)社的M-10iA/20iA機(jī)器人系列，其傳動(dòng)原理如圖10所示。國內(nèi)機(jī)器人公司也有應(yīng)用該類似結(jié)構(gòu)的手腕，如圖11[6]所示（圖注略）。

圖10 日本FANUC叉型手腕單臂結(jié)構(gòu)簡圖

圖11 國內(nèi)機(jī)器人公司叉型手腕單臂結(jié)構(gòu)

另外還有該手腕的變形結(jié)構(gòu)，即將六軸電機(jī)直接放置在六軸位置處，一般為偏置結(jié)構(gòu)，六軸電機(jī)與減速機(jī)直聯(lián)，其傳動(dòng)原理如圖12所示，圖中“13”、“17”處的同步帶傳動(dòng)也可以是齒輪傳動(dòng)方式。應(yīng)用該手腕結(jié)構(gòu)的機(jī)器人負(fù)載小到4kg，大到350kg，跨度非常大。該手腕五、六軸的電機(jī)一般布置在機(jī)器人手腕內(nèi)或小臂中。

采用該類似手腕結(jié)構(gòu)的機(jī)器人公司有川崎重工業(yè)株式會(huì)社、那智不二越株式會(huì)社等。

圖12 叉型手腕單臂結(jié)構(gòu)簡圖

1.5 叉型手腕結(jié)構(gòu)——電機(jī)后置

該種手腕結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)原理如圖13、圖14所示，這兩種傳動(dòng)方式的主要區(qū)別是五軸的旋轉(zhuǎn)中心軸位置不同，相對而言，這種傳動(dòng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。圖14的具體實(shí)施方案參考圖15[7]。

圖13 叉臂手腕結(jié)構(gòu)傳動(dòng)簡圖一

圖14 叉臂手腕結(jié)構(gòu)傳動(dòng)簡圖二

圖15 一種叉臂手腕結(jié)構(gòu)圖

采用該種類似手腕結(jié)構(gòu)的機(jī)器人品牌主要有安川電機(jī)、FANUC、ABB（中國）有限公司（以下簡稱ABB）、庫卡機(jī)器人有限公司、上海新時(shí)達(dá)、南京埃斯頓、埃夫特智能裝備股份有限公司、南京熊貓電子股份有限公司、廣州數(shù)控設(shè)備有限公司等。

圖16所示為ABB公司的叉型手腕傳動(dòng)原理簡圖，采用該手腕結(jié)構(gòu)的機(jī)器人型號(hào)有ABB IRB52、IRB4600等。

圖16 ABB叉型手腕傳動(dòng)原理簡圖

2 結(jié)論

工業(yè)機(jī)器人叉型手腕結(jié)構(gòu)包括很多類型，也有許多變形形式，在對其進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須要考慮機(jī)器人的用途與使用環(huán)境，同時(shí)結(jié)合公司現(xiàn)有狀況，設(shè)計(jì)出合理的機(jī)器人手腕結(jié)構(gòu)。