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UR机器人关节剖析

发布时间:2020-08-29

最近我在观察机器人产业的过程中,把关注点放在了协作机器人上。一方面,以UR为代表的协作机器人近几年来市场表现不俗;另一方面,UR机器人的本体结构确实有诸多创新点。说句实在话,在机械设计这个发展得比较成熟的行当里面,能做到一点创新就已经了不起了。但是,天才的UR联合创始人Esben Østergaard居然能够做到多项机构和结构创新,令我等佩服得五体投地。首先是机构上的创新,UR机器人首次突破了传统工业机器人的PUMA型,但这不是本文关注的重点。借工作之便,我手头刚好有一个维修替换下来的UR机器人关节。本文剖析UR关节里面的诸多创新之处,以飨大家。

薄壁件的壳罩密封

为了减重,UR关节的壳体件采用很薄的壁厚,但这给壳罩的密封设计带来挑战。在传统的密封设计方法中,一般采取在壳罩和壳体的接触面上挖一道密封槽。这就要求壳体和壳罩的接触面具有一定的宽度,而这对部件的减重是不利的。UR关节的壳罩四周注塑有一道密封槽,里面嵌入O型圈,而与之接触的壳体则将薄薄的壳臂直接压入壳罩的密封槽,从而实现良好的密封。

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不过,在这个巧妙的壳罩密封设计之余,还是存在一丝遗憾的,就是壳罩的螺钉没能实现较好的密封。建议在螺钉头的肩部垫上一层橡胶圈或毡圈。

迂回形状的镂空板有什么作用?

初次看到这个奇怪形状的铝板,不禁在猜这究竟有什么作用?从结构上直观看来,它只是起到固定过孔电缆的入孔端的作用。如果只是一个简单的固定支撑功能,那么实在没有必要耗费功夫加工成这么一个复杂的形状。从形状上看,有点像应变片的载体,但是上面又没有贴应变片。

UR机器人
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经过一番思考,我突然想通了。请先允许我赞叹一句。这真是一个巧妙绝伦的设计!这是奠定Esben Østergaard在我心目中的设计天才地位的第一基石。下面我来给大家简单阐述一下这一个设计的原理。

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过孔电缆一端固定在输出端的中心,另一端固定在挠性板的中心,从而保持一定程度的绷直状态。在初始状态下,由于两端的支撑作用,过孔电缆的中间段不会与中空管的内壁接触。在关节旋转过程中,过孔电缆的一端会随着输出端一起旋转的,另一端随机架保持不动。我们知道,线束在扭转时,两端之间的距离会缩短一些。这时挠性板的轴向弹性作用会补偿电缆的缩短距离而不至于给电缆施加较大的拉力。当关节回到初始位置,挠性板在自身弹性的作用下将电缆的输入端拉回初始状态。因此,不管关节处于初始状态还是旋转状态,过孔电缆始终处于一定程度的绷直状态。只有绷直状态才能保证中间段不会与狭小的中空管的内壁接触,从而避免了接触磨损。

双编码器

UR机器人关节配有两个编码器,如图所示,其中一个是电机编码器,另一个是关节编码器。电机编码器位于更靠近关节输入端的位置,与电机转子相连,用于测量转子当前位置。关节编码器通过中空管与关节输出端相连,用于测量关节输出的角度。我的推测是,这两个编码器都是单圈绝对式编码器。如有不对,请广大同仁指正。

UR机器人
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为什么需要两个编码器呢?我们知道,现在主流的工业机器人关节每个里面只含有一个单圈绝对式编码器,计圈则用记忆电池。由于关节内部是一个热场,记忆电池不能置于关节内部,只能用线引出来。在协作机器人关节里面,热场效应比工业机器人关节更明显。由于中空走线的限制,记忆电池只好去掉了。那么随之而来的一个问题是,电机的圈数如何记忆?UR机器人关节采用了一个关节编码器,与关节输出端连接。单圈绝对式的关节编码器如何计电机的旋转圈数呢?这里有一个前提,就是假设关节的输出角度不会超过±180°。关节编码器读出的角度值乘上减速机的速比,然后除以360°,取整就得到电机的旋转圈数。电机编码器读出的角度是电机转子在单圈内的角度。两个编码器的数据合成就可以得到电机转子的绝对位置。

再次强调一下,上述推断的前提是机器人关节的输出角度范围在±180°之内。我查询了一下,UR机器人关节的运动范围为±360°。可是,3关节因自身碰撞的限制而不可能超过±180°。又查询了一下,遨博机器人关节的运动范围为±175°。关于我所推测的双编码器原理逻辑上的冲突,因信息来源和时间有限我先不做结论。欢迎知道的同仁提供信息或指正。

电磁插销式抱闸

UR机器人关节没有采用主流工业机器人关节电机里面的电磁刹车片式抱闸,创新性地采用了电磁插销式抱闸。先介绍一下电磁插销式抱闸的工作原理。

下面通过几张图片来认识一下电磁插销式抱闸的相关零部件。


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梅花形叉脚与电机轴相连。在电磁铁未通电的状态下,导向销在复位弹簧的作用下弹起,其肩部刚好可以挡住梅花形叉脚。这时抱闸处于闭合状态。在电磁铁通电或手动按下状态下,导向销下沉,其肩部低于梅花形叉脚。这时抱闸出于打开状态。

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电磁插销式抱闸相比电磁刹车片式抱闸有下列优点:1.轴向尺寸更紧凑;2.电磁线圈发热量更小,散热效果也更好;3.成本更低。但是,电磁插销式抱闸也有一个缺点就是抱闸定位效果不好,电机有一个60°的活动角度范围。

关节快换式连接

UR机器人关节的连接从外部是看不到螺钉的,同时还可以实现快换,这也是Esben Østergaard的天才设计之一。下面我们就来剖析其精妙之处。因为一个关节同时有两个接口,而且这两个接口在结构尺寸上是配对的,所以可以用同一个关节来介绍关节快换式连接的原理。

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首先将外六角螺钉预拧到连接臂杆的一端,接着将外六角螺钉插入关节输出端面的钥匙孔,轻扭转动约5°,然后对齐轴向止口,合紧,最后从如图所示的狭缝中用外六角力矩扳手拧紧。UR机器人关节的另一个接口的连接与此类似,只不过组成接口的两个端面的位置对调一下。

关节密封

除了前面提到的壳罩密封外,整个关节的密封还包括两个快换式接口的密封。由于这两个接口的形式是相同的,只需关注其中一个接口的密封设计就可以了。

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在关节快换式连接一节中,我们提到有一道外六角扳手的操作间隙。UR机器人关节在输出端面和壳体之间设置了柔性扁型环和特氟龙环来密封。耐磨且摩擦系数小的特氟龙环避免了柔性扁型环与壳体之间的直接摩擦。从摩擦匹配上来说,滑动摩擦主要发生在柔性扁型环与特氟龙环之间。

有知友分析,上述关节密封设计不满足IP54的要求。仅靠柔性扁型环和特氟龙环来防IPx4的水显然是不行的,那么UR的保护等级IP54是否名不符实呢?我们来看下一张图,输出端面上有一道异形密封槽。由此我们可以推断,上述外六角扳手操作间隙不属于关节内部,其防水密封做到了更里面。其实,上述密封设计只是起防尘作用的。

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作者:来朝三博士
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来源:知乎
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