柔多關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人從傳動(dòng)角度可以另述為4到6關(guān)節(jié)工業(yè)手臂。作為人類手臂的延伸，廣泛用于搬運(yùn)，打磨，焊接，沖壓等工作。多關(guān)機(jī)工業(yè)機(jī)器人可以單獨(dú)工作，也可以多臺(tái)協(xié)調(diào)工作。其可以作為生產(chǎn)機(jī)械的主體單獨(dú)完成任務(wù)，也可以配合機(jī)床，塑膠機(jī)械，自動(dòng)化生產(chǎn)線等其它機(jī)械完成上下料工作。始初我國沒有此類設(shè)備的制造能力，少量的生產(chǎn)需求全靠歐洲和日本廠商提供或者跟隨我國引進(jìn)生產(chǎn)線配套進(jìn)入國內(nèi)。隨著中國產(chǎn)業(yè)升級(jí)對(duì)自動(dòng)化，少人化的不斷推進(jìn)，國內(nèi)對(duì)多關(guān)節(jié)機(jī)械手臂的需求越來越大。我國多關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)械手臂的研發(fā)及生產(chǎn)企業(yè)也如雨后春筍般遍地開花。

作為機(jī)械人制造企業(yè)而言，要從機(jī)械本體，傳動(dòng)機(jī)械機(jī)構(gòu)，減速機(jī)構(gòu)，平衡儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)，伺服電機(jī)，伺服驅(qū)動(dòng)器，控制電腦系統(tǒng)等各個(gè)方面分別從總體到局部加以研究，方能設(shè)計(jì)制造出一個(gè)合適的產(chǎn)品。作為一個(gè)產(chǎn)業(yè)，單靠單一企業(yè)的能力很難承擔(dān)機(jī)械手臂所需的所有關(guān)鍵零部件，一個(gè)專業(yè)人員也無法掌握所有關(guān)鍵的技術(shù)，因?yàn)閷I(yè)分工已經(jīng)非常之細(xì)了。本人及所在的企業(yè)專門從事伺服電機(jī)的研究，設(shè)計(jì)和制造。公司從2009年開始立項(xiàng)，研究機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)特性，并特別關(guān)注機(jī)械手臂所需伺服電機(jī)的特點(diǎn)，歷時(shí)8年，開發(fā)出適合此類設(shè)備的GK系列伺服電機(jī)。在R-GK6，R-GK8基礎(chǔ)上新推出的R-GK9系列永磁伺服電機(jī)就是專門針對(duì)6關(guān)節(jié)機(jī)械手臂應(yīng)用而開發(fā)的。與原有系列產(chǎn)品相比，新一代的產(chǎn)品使用了新的材料及最新的磁場(chǎng)設(shè)計(jì)技術(shù)，使得電機(jī)功率密度更高，體積也更為小巧。

下面就僅從伺服電機(jī)在6關(guān)節(jié)機(jī)器人上的應(yīng)用角度談?wù)剬?duì)機(jī)器人電機(jī)的一點(diǎn)看法及經(jīng)驗(yàn)分享。由于水平所限，文中難免疏漏錯(cuò)誤，望讀者見諒，權(quán)且視為拋磚引玉，提起大家討論這個(gè)專題的興致。

機(jī)械手臂機(jī)構(gòu)構(gòu)造

多關(guān)節(jié)機(jī)械手最多有7個(gè)自由度。第七軸通常在應(yīng)用二次開發(fā)時(shí)接入，機(jī)械手本體制造常涉及到4軸或6軸。其結(jié)構(gòu)如下圖所示。

機(jī)械手臂電機(jī)的慣量特點(diǎn)從圖中可以看出，J1，J2軸負(fù)擔(dān)整個(gè)機(jī)構(gòu)的重量，在手臂工作過程中，機(jī)構(gòu)會(huì)隨機(jī)打開和收縮。從J1,J2電機(jī)的應(yīng)用角度來看，負(fù)載的機(jī)械慣量是實(shí)時(shí)變化的。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，負(fù)載的慣量變化范圍在7倍以內(nèi)。J3，J4，J5負(fù)載的機(jī)械慣量也是變化的，只是變化的范圍沒有J1和J2大。這樣從控制的角度的角度來看，對(duì)電機(jī)的要求是慣量要足夠大，系統(tǒng)才容易進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)。所以軸1，軸2要選用大慣量電機(jī)，軸3，軸4，軸5選用中慣量電機(jī)。軸6的電機(jī)一般安裝在機(jī)械手臂內(nèi)部，更看重小體積，低發(fā)熱的功率密度特性。以上就是6關(guān)節(jié)機(jī)械手臂不同軸在電機(jī)選型方面對(duì)慣量的要求。

關(guān)節(jié)手臂電機(jī)的工作特性及要求

多關(guān)節(jié)機(jī)械手各電機(jī)是多軸聯(lián)動(dòng)工作的，總體上屬于S3間歇工作制，從某一個(gè)動(dòng)作的完成來看，屬于恒扭矩高加減速性質(zhì)。為了減小工作機(jī)構(gòu)的體積，往往通過小體積大速比的RV減速箱鏈接傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。這樣對(duì)高速響應(yīng)的機(jī)器人而言，必然要求高速，高響應(yīng)，小體積的電機(jī)，為了配合高慣量，軸1到軸3的電機(jī)從外形上看必然是比較粗短的。

安全機(jī)械抱閘的需求

6關(guān)節(jié)機(jī)械手電機(jī)大多需要機(jī)械抱閘來保證安全，由于受到重力和運(yùn)動(dòng)慣性的影響，抱閘力矩的安全系數(shù)要較通用機(jī)械的要求為大，按使用環(huán)境的不同安全系數(shù)要求也從1.5到2.0不等?？傊魏吻闆r下要保證不能夠溜車。另外，為了保證機(jī)械手臂的總體安全性，抱閘信號(hào)從控制系統(tǒng)直接給出，而不是從伺服驅(qū)動(dòng)器給出。具體控制信號(hào)的協(xié)調(diào)和抱閘的保護(hù)就不再這里展開了。

伺服電機(jī)編碼器和可靠重復(fù)定位

由于多軸聯(lián)動(dòng)的空間運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，關(guān)節(jié)電機(jī)選擇多圈絕對(duì)位置編碼器最好。目前流行由齒輪機(jī)構(gòu)保證的多圈位置記憶型編碼器和由電池供電通過電路記憶多圈位置型兩類。從長(zhǎng)期便于維護(hù)的角度來看，第一類編碼器是比較好的，但從初次投入成本考慮，第二類編碼器是比較合適的。

表1和表2分別是通常機(jī)器人伺服電機(jī)的選型匯總，以及登奇GK9伺服電機(jī)常用產(chǎn)品，這些產(chǎn)品廣泛使用在國內(nèi)知名廠商和部分國外機(jī)器人制造廠商的機(jī)械手臂上。具體的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量基于不同的機(jī)械設(shè)計(jì)做針對(duì)性調(diào)整?？傊瑱C(jī)械手臂是一個(gè)高度機(jī)電一體化集成的機(jī)構(gòu)，需要機(jī)械工程師和伺服電機(jī)提供單位緊密溝通，才能開發(fā)出最為合理的產(chǎn)品。