轻型机械臂模块关节机械设计方案

机械臂是指高精度，高速点胶机器手，机械臂是一个多输入多输出、高度非线性、强耦合的复杂系统。因其独特的操作灵活性， 已在工业装配， 安全防爆等领域得到广泛应用。

机械臂是一个复杂系统， 存在着参数摄动、外界干扰及未建模动态等不确定性。因而机械臂的建模模型也存在着不确定性，对于不同的任务， 需要规划机械臂关节空间的运动轨迹，从而级联构成末端位姿。

机器人系统是由视觉传感器、机械臂系统及主控计算机组成，其中机械臂系统又包括模块化机械臂和灵巧手两部分。整个系统的构建模型如图1 所示

轻型机械臂模块关节机械设计方案

电机：直流无刷电机，参数为供电电压，额定电流，极对数，额定扭矩，额定转速，电机尺寸；

谐波减速器：谐波减速器是关节动力传动中的关键部件，关节刚轮的大小基本上决定了整个关节的径向尺寸，要求谐波减速器的尺寸要尽可能小，同时保证较高的旋转精度；

增量式编码器：基于电机端的增量式编码器来控制电机的速度环实现相对简单，可靠性高。

制动器：为防止意外断电时机械臂由于重力继续运动，需要在关节设计时加入制动将转轴抱死，为能够快速可靠的制动，制动器的制动力矩要大于电机的最大输出力矩。

绝对编码器：绝对式编码器用于测量关节输出轴转过的角度，绝对式编码器包含单圈绝对式和多圈绝对式。

轴承：轴承对转轴和输出轴进行支承，轴承的安装和旋转精度将会直接影响关节的传动效率和转动精度，关节传动轴通过一对深沟球轴承进行支承，关节输出轴采用精度更高的交叉滚子轴承支承，减小整个关节质量并提高传动精度。

模块化关节由电机、减速器、传感器、制动器、控制器和电器接口组成。为缩小关节体积，减小质量，关节采用扭矩大体积小的电机，选用安装方便质量较轻的谐波减速器作为传动机构。

速度传感器（增量编码器）安装在转动轴一端，位置传感器（绝对编码器）安装在输出轴上，控制关节的速度与位置。核心部件都已标出，关节传动路线简单高效，安装拆卸方便，基本上所有的零件均以壳体作为定位，在关节后端留出足够的空间用来安装控制器和制动器。

关节与关节之间通过径向螺钉孔进行连接。所有需要加工的零件均采用 7075 硬质铝合金进行加工，根据安装需要确定各零件的表面粗糙度和形位误差以及配合公差。在两类关节设计的过程中为减少特定传感器定制的成本，通过调节零件的尺寸，减少增量式编码器和绝对式编码器的种类。

关节动力来自于转轴，转轴套入电机转子，转轴一端通过 61806 轴承支承在壳体上，另一端通过 61809 轴承支承在定定子套筒上。转轴末端连接谐波减速器的波发生器，将动力传递至谐波减速器。钢轮和定子套筒固定在壳体上，定子套筒末端开口设计用于电机信号线的穿过。

动力经过谐波减速器减速增矩后由柔轮进行输出，柔轮与输出轴刚性连接通过交叉滚子轴承支承在壳体上，作为整个关节的动力输出。转轴大端连接转接头安装增量式编码器磁环和制动器衔铁，用于实现电机速度测量和失电制动。为保证谐波减速器的安装精度，相邻零件间均采用止口定位。关节采用增量式编码器测量转动轴关节速度，采用绝对式编码器测量输出轴关节角度。