2.2　工业机器人传动机构设计

工业机器人传动机构，也是驱动机构，主要用于把驱动元件的运动传递到机器人的关节和动作部位。按实现的运动方式，驱动机构可分为直线驱动机构和旋转驱动机构两种。驱动机构的运动可以由不同的驱动方式来实现。

2.2.1　驱动方式

机器人常用的驱动方式主要有液压驱动、气压驱动和电气驱动三种基本类型。工业机器人出现的初期，由于其大多采用曲柄机构和连杆机构等，所以较多使用液压与气压驱动方式。但随着对机器人作业速度要求越来越高，以及机器人的功能日益复杂化，目前采用电气驱动的机器人所占比例越来越大。但在需要功率很大的应用场合，或运动精度不高、有防爆要求的场合，液压、气压驱动仍应用较多。

（1）液压驱动方式

液压驱动的特点是功率大，结构简单，可省去减速装置，能直接与被驱动的杆件相连，响应快，伺服驱动具有较高的精度，但需要增设液压源，而且易产生液体泄漏，故目前多用于特大功率的机器人系统。

液压驱动有以下几个优点：

①液压容易达到较高的单位面积压力（常用油压为2.5～6.3MPa），液压设备体积较小，可以获得较大的推力或转矩。

②液压系统介质的可压缩性小，系统工作平稳可靠，并可得到较高的位置精度。

③在液压传动中，力、速度和方向比较容易实现自动控制。

④液压系统采用油液作介质，具有防锈蚀和自润滑性能，可以提高机械效率，系统的使用寿命长。

液压驱动的不足之处如下：

①油液的黏度随温度变化而变化，会影响系统的工作性能，且油温过高时容易引起燃烧爆炸等危险。

②液体的泄漏难以克服，要求液压元件有较高的精度和质量，故造价较高。

③需要相应的供油系统，尤其是电液伺服系统要求严格的滤油装置， 否则会引起故障。

（2）气压驱动方式

气压驱动的能源、结构都比较简单，但与液压驱动相比，同体积条件下功率较小，而且速度不易控制，所以多用于精度不高的点位控制系统。

与液压驱动相比，气压驱动的优点如下：

①压缩空气黏度小，容易达到高速（1m/s）。

②利用工厂集中的空气压缩机站供气，不必添加动力设备，且空气介质对环境无污染，使用安全，可在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射、振动等恶劣工作环境中工作。

③气动元件工作压力低，故制造要求也比液压元件低，价格低廉。

④空气具有可压缩性，使气动系统能够实现过载自动保护，提高了系统的安全性和柔软性。

气压驱动的不足之处如下：

①压缩空气常用压力为0.4～0.6MPa，若要获得较大的动力，其结构就要相对增大。

②空气压缩性大，工作平稳性差，速度控制困难，要实现准确的位置控制很困难。

③压缩空气的除水是一个很重要的问题，处理不当会使钢类零件生锈，导致机器失灵。

④排气会造成噪声污染。

（3）电气驱动

电气驱动是指利用电动机直接或通过机械传动装置来驱动执行机构，其所用能源简单，机构速度变化范围大，效率高，速度和位置精度都很高，且具有使用方便、噪声低和控制灵活等特点。电气驱动在机器人中得到了广泛的应用。

根据选用电动机及配套驱动器的不同，电气驱动系统大致分为步进电动机驱动系统、直流伺服电动机驱动系统和交流伺服电动机驱动系统等。步进电动机多为开环控制，控制简单但功率不大，多用于低精度、小功率机器人系统；直流伺服电动机易于控制，有较理想的机械特性，但其电刷易磨损，且易形成火花；交流伺服电动机结构简单，运行可靠，没有电刷等易磨损元件，外形尺寸小，能在重载下高速运行，加速性能好，能实现动态控制与平滑运动，但控制较复杂。目前，常用的交流伺服电动机有交流永磁伺服电动机、感应异步电动机、无刷直流电动机等。交流伺服电动机已逐渐成为机器人的主流驱动方式。

2.2.2　直线驱动机构

机器人采用的直线驱动方式包括直角坐标结构的X、Y、Z三个方向的驱动，圆柱坐标结构的径向驱动和垂直升降驱动，以及极坐标结构的径向伸缩驱动。直线运动可以直接由气压缸或液压缸和活塞产生，也可以采用齿轮齿条、丝杠、螺母等传动元件由旋转运动转换而得到。

（1）齿轮齿条装置

通常齿条是固定不动的。当齿轮转动时，齿轮轴连同拖板沿齿条方向做直线运动。这样，齿轮的旋转运动就转换成为拖板的直线运动。拖板是由导杆或导轨支承的。该装置的回转误差较大。

（2）普通丝杠

普通丝杠驱动采用了一个旋转的精密丝杠，它驱动一个螺母沿丝杠轴向移动，从而将丝杠的旋转运动转换成螺母的直线运动。由于普通丝杠的摩擦力较大，效率低，惯性大，在低速时容易产生爬行现象，精度低，回差大，所以在机器人中很少采用。

（3）滚珠丝杠

在机器人中经常采用滚珠丝杠，这是因为滚珠丝杠的摩擦力很小且运动响应速度快。由于滚珠丝杠螺母的螺旋槽里放置了许多滚珠，丝杠在传动过程中所受的是滚动摩擦力，摩擦力较小，因此传动效率高，同时可消除低速运动时的爬行现象。在装配时施加一定的预紧力，可消除回转误差。

滚珠丝杠里的滚珠从钢套管中出来，进入经过研磨的导槽，转动2～3圈以后，返回钢套管。滚珠丝杠的传动效率可以达到90%，所以只需要使用极小的驱动力，并采用较小的驱动连接件，就能够传递运动。通常，人们还使用两个背靠背的双螺母对滚珠丝杠进行预加载，以消除丝杠和螺母之间的间隙，提高运动精度。

（4）液压（气压）缸

液压（气压）缸是将液压泵（空气压缩机）输出的压力能转换为机械能并做直线往复运动的执行元件，使用液压（气压）缸可以很容易地实现直线运动。液压（气压）缸主要由缸筒、缸盖、活塞、活塞杆和密封装置等部件构成，活塞杆和缸筒采用精密滑动配合，压力油（压缩空气）从液压（气压）缸一端进去，把活塞推向液压（气压）缸的另一端，从而实现直线运动。通过调节进入液压（气压）缸液压油（压缩空气）的流动方向和流量，可以控制液压（气压）的流动方向和流量，还可以控制液压（气压）缸的运动方向和速度。

早期的许多机器人都是采用由伺服阀控制的液压缸产生直线运动的。液压缸功率大，结构紧凑。虽然高性能的伺服阀价格较贵，但采用伺服阀时不需要把旋转运动转换成直线运动，可以节省转换装置的费用。目前，高效专用设备和自动线大多采用液压驱动，因此配合其作业的机器人可直接使用主设备的动力源。

2.2.3　旋转驱动机构

多数普通电动机和伺服电动机都能够直接产生旋转运动，但其输出力矩比所要求力矩小，转速比所要求的转速高，因此需要采用减速机、皮带传动装置或其他运动传动机构，把较高的转速转换成较低的转速，并获得较大的力矩。有时也采用液压缸或气压缸为动力源，这就需要把直线运动转换成旋转运动。运动的传递和转换必须高效率地完成，并且不能有损于机器人系统所需要的特性，特别是定位精度、重复定位精度和可靠性。通过下列设备可以实现运动的传递和转换。

（1）齿轮机构

齿轮机构是由两个或两个以上的齿轮组成的传动机构。它不但可以传递运动角位移和角速度，而且可以传递力和力矩。现以具有两个齿轮的齿轮机构为例，说明其中的传动转换关系。其中一个齿轮装在输入轴上，另一个齿轮装在输出轴上，可以得到输入、输出运动的若干关系式。为了简化分析，假设齿轮工作时没有能量损失，齿轮的转动惯量和摩擦力略去不计。

使用齿轮机构应注意以下两点：

①齿轮机构的引入会减小系统的等效转动惯量，从而使驱动电动机的响应时间缩短，这样，伺服系统就更加容易控制。由式（2-1）可知，输出轴的转动惯量转换到驱动电动机上，等效转动惯量的下降与输入、输出齿轮齿数比的平方成正比。

　　（2-1）

式中，J_θ为系统总的等效转动惯量；J₀为输出轴系统的总转动惯量，kg·m²；J_i为输入轴系统的总转动惯量，kg·m²。

②齿轮间隙误差将导致机器人手臂的定位误差增加，而且，假如不采取补偿措施，间隙误差还会引起伺服系统的不稳定。

（2）同步带传动

同步带传动用来传递平行轴间的运动或将回转运动转换成直线运动，在机器人中的作用主要为前者。同步带和带轮的接触面都制成相应的齿形，靠啮合传递功率。同步带的主要材料是氯丁橡胶，中间用钢、玻璃纤维等拉伸刚度大的材料做加强层，齿面覆盖有耐磨性能好的尼龙布。用来传递轻载荷的同步带可用聚氯基甲酯制造。

同步带传动的优点是传动时无滑动，传动比准确，传动平稳，传动比范围大，初始拉力小，轴及轴承不易过载。但是，这种传动机构的制造及安装要求严格，对带的材料要求也较高，因而成本较高。同步带传动是低惯性传动，适合电动机和高减速比减速器之间的传动。

2.2.4　机器人中主要使用的减速器

在实际应用中，驱动电动机的转速非常高，达到每分钟几千转，但机械本体的动作较慢，减速后要求输出转速为每分钟几百转，甚至低至每分钟几十转，所以减速器在机器人的驱动中是必不可少的。由于机器人的特殊结构，对减速器提出了较高要求，减速比要大，要达数百，重量要轻，结构要紧凑，精度要高，回转误差要小。目前，在工业机器人中主要使用的减速器是谐波齿轮减速器和RV减速器两种。

2.2.4.1　谐波齿轮减速器

虽然谐波齿轮已问世多年，但直到近年来人们才开始广泛地使用它。目前，有60%～70%的机器人旋转关节使用的是谐波齿轮传动。

谐波齿轮由刚性齿轮、谐波发生器和柔性齿轮三个主要零件组成，如图2-1所示。工作时，刚性齿轮固定安装，各齿均布于圆周上，具有外齿圈的柔性齿轮沿刚性齿轮的内齿圈转动。柔性齿轮比刚性齿轮少2个齿，所以柔性齿轮沿刚性齿轮每转一圈就反方向转过2个齿的相应转角。谐波发生器具有椭圆形轮廓，装在其上的滚珠用于支承柔性齿轮，谐波发生器驱动柔性齿轮旋转并使之发生塑性变形。转动时，柔性齿轮的椭圆形端部只有少数齿与刚性齿轮啮合，只有这样，柔性齿轮才能相对于刚性齿轮自由地转过一定的角度。通常，刚性齿轮固定，谐波发生器作为输入端，柔性齿轮与输出轴相连。

由于自然形成的预加载谐波发生器啮合齿数较多，齿的啮合比较平稳，谐波齿轮传动的齿隙几乎为零，因此传动精度高，回差小。但是，由于柔性齿轮的刚度较差，承载后会出现较大的扭转变形，从而会引起一定的误差。不过，对于多数应用场合，这种变形将不会引起太大的问题。

谐波齿轮传动的特点如下：

①结构简单，体积小，重量轻。

②传动比范围大，单级谐波减速器传动比可在50～300之间，优选在75～250之间。

③运动精度高，承载能力大。由于是多齿啮合，与相同精度的普通齿轮相比，其运动精度能提高四倍左右，承载能力也大大提高。

④运动平稳，无冲击，噪声小。

⑤齿侧间隙可以调整。

2.2.4.2　RV减速器

RV减速器由第一级渐开线圆柱齿轮行星减速机构和第二级摆线针轮行星减速机构两部分组成，为一封闭差动轮系。RV减速器具有结构紧凑、传动比大、振动小、噪声低、能耗低的特点，日益受到国内外的广泛关注。与机器人中常用的谐波齿轮减速器相比，具有高得多的疲劳强度、刚度和寿命，而且回差精度稳定，不像谐波齿轮减速器那样随着使用时间增长运动精度会显著降低，故RV减速器在高精度机器人传动中得到了广泛的应用。

（1）结构组成

RV减速器的结构与传动简图如图2-2所示，其主要由如下几个构件组成。

①中心轮　中心轮（太阳轮）1与输入轴连接在起，以传递输入功率，且与行星轮2相互啮合。

②行星轮　行星轮2与曲柄轴3相连接，n个（n≥2，图2-2中为3个）行星轮均匀地分布在一个圆周上。它起着功率分流的作用，即将输入功率分成n路传递给摆线针轮行星机构。

③曲柄轴　曲柄轴3一端与行星轮2相连接，另一端与支承圆盘8相连接，两端用圆锥滚子轴承支承。它是摆线轮4的旋转轴，既带动摆线轮进行公转，同时又支承摆线轮产生自转。

④摆线轮　摆线轮4的齿廓通常为短幅外摆线的内侧等距曲线。为了实现径向力的平衡，一般采用两个结构完全相同的摆线轮，通过偏心套安装在曲柄轴的曲柄处，且偏心相位差为180°。在曲柄轴3的带动下，摆线轮4与针轮相啮合，既产生公转，又产生自转。

⑤针齿销　数量为N个的针齿销固定安装在针轮壳体上，构成针轮，与摆线轮4相啮合而形成摆线针轮行星传动。

⑥针轮壳体（机架） 针齿销的安装壳体。通常针轮壳体6固定，输出轴7旋转。如果输出轴固定，则针轮壳体旋转，两者之间由内置轴承支承。

⑦输出轴　输出轴7与支承圆盘8相互连接成为一个整体，在支承圆盘8上均匀分布多个曲柄轴的轴承孔和输出块9的支承孔（图中各为3个）。在三对曲柄轴支承轴承推动下，通过输出块和支承圆盘把摆线轮上的自转矢量以1∶1的传动比传递出来。

（2）工作原理

驱动电动机的旋转运动由中心轮1传递给n个行星轮2，进行第一级减速。行星轮2的旋转运动传给曲柄轴3，使摆线轮4产生偏心运动。当针轮固定（与机架连成一体）时，摆线轮4一边随曲柄轴3产生公转，一边与针轮相啮合。由于针轮固定，摆线轮在与针轮啮合的过程中，产生一个绕输出轴7旋转的反向自转运动，这个运动就是RV减速器的输出运动。

通常摆线轮的齿数比针齿销数少一个，且齿距相等。如果曲柄轴旋转一圈，摆线轮与固定的针轮相啮合，沿与曲柄轴相反的方向转过一个针齿销，形成自转。摆线轮的自转运动通过支承圆盘上的输出块带动输出轴运动，实现第二级减速输出。

（3）RV减速器的主要特点

RV减速器具有两级减速装置，曲轴采用了中心圆盘支承结构的封闭式摆线针轮行星传动机构。其主要特点是传动比大，承载能力大，刚度大，运动精度高，传动效率高，回差小。

①传动比大　通过改变第一级减速装置中中心轮和行星轮的齿数，可以方便地获得范围较大的传动比，其常用的传动比范围为I=57～192。

②承载能力大　由于采用了n个均匀分布的行星轮和曲柄轴，可以进行功率分流。而且采用了具有圆盘支承装置的输出机构，故其承载能力大。

③刚度大　由于采用了圆盘支承装置，改善了曲柄轴的支承情况，从而使得其传动轴的扭转刚度增大。

④运动精度高　由于系统的回转误差小，因此可获得较高的运动精度。

⑤传动效率高　除了针轮的针齿销支承部分外，其他构件均为滚动轴承支承，传动效率高，传动效率η=0.85～0.92。

⑥回差小　各构件间所产生的摩擦和磨损较小，间隙小，传动性能好。