CN104537244A - 一种多自由度机器人腕部电机、减速器的计算与选型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多自由度机器人腕部电机、减速器的计算与选型方法，属于机器人技术与应用领域。该方法在机器人机械本体已设计完成的基础上，根据机器人的设计指标—最大运动速度、手腕允许力矩、手腕允许惯量，在确定电机、减速器系列的情况下，计算电机、减速器参数并选取电机、减速器型号；在对电机及减速器系列无要求的情况下，只计算电机及减速器的参数。该电机与减速器选型方法主要针对多自由度机器人腕部电机、减速器的计算与选型，具有选型范围广、计算快、效率高、选型准确等特点，克服计算选型参数、查询设计手册的计算量大、效率低的缺点。

Description

一种多自由度机器人腕部电机、减速器的计算与选型方法

技术领域

本发明属于机器人技术与应用领域，涉及到一种机器人腕部关节的电机、减速器的计算与选型方法，该方法主要针对多自由度机器人的腕部关节，使得多自由度机器人的腕部电机和减速器能满足性能要求。

背景技术

机器人的应用情况是一个国家工业自动化水平的重要标志，机器人已经迅速渗透到许多领域并呈现出强劲的发展态势，如工业、农业、航空航天、海洋以及国防等。机器人的应用越来越广泛，对机器人性能的要求也越来越高，而机器人的性能，如定位精度、速度以及加速度等，都与电机、减速器的选用息息相关。选用最符合性能要求电机、减速器，既是机器人正常工作运行的保证，又能降低机器人成本，避免电机、减速器在性能上的浪费。

传统的电机、减速器选型通常是先按照工作条件计算出输出功率、传动比、输出转速、输出转矩等参数，再依据这些确定的参数尽量选用接近理想输出功率、减速比等参数的电机、减速器，而这个过程依靠人为的查询机械设计手册，初选，然后验算选取的电机、减速器的型号是不是符合初选要求，而往往初选的时候会考虑多种电机减速器进行对比，这就加大了查询手册和计算的工作量，人为操作起来难度大，效率也比较低。

随着对机器人的需求量不断增加以及电机、减速器的种类、品牌、型号越来越多，纯粹依靠工作经验丰富的技术人员选择电机、减速器已经不符合高速发展的选型技术要求；而电机、减速器销售人员也不可能都具有机械行业的专业素养，对电机、减速器的各个特征参数和选型的结果不能提供很客观的建议，难以说服客户选择较为符合要求的电机减速器。

综上所述，电机、减速器计算与选型方法有利于减小机器人设计的难度，减轻设计人员的计算量和工作量，提高设计效率，而且还能提供更多的电机、减速器选型方案，有利于销售人员向用户推销合适的电机、减速器型号。对机器人性能的提高及成本的降低都很有益。

发明内容

为了克服计算选型参数、查询机械产品手册的工作量大、效率低等缺点，本发明提供一种多自由度机器人腕部电机、减速器计算与选型方法。该方法能根据机器人的设计技术指标，计算出最符合性能要求的匹配的电机、减速器参数和型号。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种多自由度机器人腕部电机、减速器计算与选型方法，在机器人机械本体已设计完成的基础上，根据机器人的设计指标—最大运动速度、手腕允许力矩、手腕允许惯量，在确定电机、减速器系列的情况下，计算电机、减速器参数并选取电机、减速器型号；在对电机、减速器系列无要求的情况下，只计算电机、减速器的一些参数。

(一)已确定电机、减速器系列的情况下的计算与选型

(1)建立电机产品数据库和减速器产品数据库

电机数据库的主要参数有：额定输出、额定扭矩、瞬时最大扭矩、最高转速、转子转动惯量、负载电机惯量比等。

减速器数据库的主要参数有：速比值、输出转矩、瞬时最大允许力矩、允许最高输出转速、惯性力矩等。

2)初选电机、减速器

通过下述三个设计指标来确定电机和减速器。这三个设计指标是最大运动速度ω、手腕允许力矩T和手腕允许惯量(即最大允许转动惯量)I。

由于多自由度机器人腕部关节的结构设计原因，电机与减速器并不能直接相连，还需要齿轮机构传递。齿轮机构具有一定的减速比，减速比一般在1-3范围内。因此，电机减速器自动计算与选型还需要提供齿轮减速比i_gear。

最大运动速度ω的单位是度每秒(°/s)，手腕允许力矩T的单位是N·m，由下述公式(1)计算得到输出功率Pe，单位：KW，则由功率范围系数可以确定初选电机的额定输出范围。

$\mathrm{Pe}=\frac{T\·\mathrm{\ω}}{9550\·6}---\left(1\right)$

在选择的某一系列的所有电机额定输出中，在此额定输出范围内的电机即为符合要求的电机，即可以初步确定电机型号，也就得到初选电机的产品数据库，包括所有符合条件的电机的瞬时最大扭矩、最高转速、转子转动惯量、负载电机惯量比等。

由公式(2)和(3)计算得到最小减速比。

i_MIN1＝T/(T_电机额定·0.7·η)         (2)

其中，T为手腕允许力矩，T_电机额定为电机的额定扭矩，η为传动效率，I为手腕允许惯量，N_电机为负载电机惯量比，若电机产品数据库无此参数，则取15，I_电机为电机转动惯量，0.7为经验系数。

比较i_MIN1和i_MIN2，两者之间数值大者即为最小减速比i_MIN。

再由公式(4)确定最大减速比i_MAX：

i_MAX＝N_电机MAX/(ω/6)        (4)

其中N_电机MAX为电机最大转速，ω为最大运动速度。

则由最大、最小减速比除去齿轮减速比，得到即是减速器的减速比。根据实际工况及减速器不同系列的特点，选取合适的减速器系列，即可由减速器减速比初步确定减速器型号，也就得到初选减速器的产品数据库，包括所有符合条件的减速器的输出转矩、瞬时最大允许力矩、允许最高输出转速、惯性力矩等。

3)验证电机减速器

验证条件1：减速器允许力矩大于手腕允许力矩T。

验证条件2：电机的瞬时最大扭矩大于换算到电机轴上的最大扭矩。

验证条件3：电机的最大转速大于换算到电机轴上的最大转速。

这三个验证条件都满足，则这对匹配的电机减速器即满足设计指标的要求；如果有其中任一条件不满足，则该对电机减速器不符合性能要求，不能选用。

4)计算改进后的运动参数

当由以上计算及选型确定一对同时符合条件的的电机、减速器型号时，电机、减速器的性能必然会有所浪费，所以可以根据电机、减速器的性能重新计算机器人腕部的最大运动速度和手腕允许力矩，达到最大程度挖掘机器人性能潜力的目的。

由下述公式(5)得到机器人腕部最大运动速度，则在此电机、减速器的配置下，机器人腕部所能达到的最大运动速度即为该值。

$\mathrm{\ω}=\frac{6n}{i\·i_{\mathrm{gear}}}---\left(5\right)$

其中_n为电机转速，i为减速器减速比，i_gear为齿轮减速比。

由下述公式(6)可得到机器人腕部的允许力矩，则在此电机、减速器的配置下，机器人手腕允许力矩即为该值。

T＝T_电机额定·0.7·η·i_gear·i        (6)

其中，T_电机额定为电机的额定扭矩，η为传动效率，i为减速器减速比，i_gear为齿轮减速比，0.7为经验系数。

(二)未确定电机、减速器系列的情况下的计算

由公式(1)和功率范围系数可以确定初选电机的额定输出范围。

$\mathrm{Pe}=\frac{T\·\mathrm{\ω}}{9550\·6}---\left(1\right)$

选择电机转速，由下述公式(7)计算得到减速器的最大减速比。

$i_{\mathrm{MAX}}=\frac{6n}{\mathrm{\ω}\·i_{\mathrm{gear}}}---\left(7\right)$

其中_n为电机转速，ω为最大运动速度，i_gear为齿轮减速比。

输入电机额定扭矩、转动惯量和电机负载惯量比，由下述公式(8)和(9)计算得到最小减速比。

i_MIN1＝T/(T_电机额定·0.7·η·i_gear)          (8)

其中，T为手腕允许力矩，T_电机额定为电机的额定扭矩，η为传动效率，I为手腕允许惯量，N_电机为负载电机惯量比，I_电机为电机转动惯量，i_gear为齿轮减速比，0.7为经验系数。

比较i_MIN1和i_MIN2，两者较大者即为减速器的最小减速比i_MIN。

由减速比范围，确定减速比，则可根据下述公式(10)得到电机最大允许力矩。

其中，T为手腕允许力矩，i为减速器减速比，i_gear为齿轮减速比。

由以上计算，则可根据电机的功率范围、转速、额定扭矩、转动惯量、电机负载惯量比和最大允许力矩等确定电机；根据减速器的减速比范围、手腕允许力矩等初步确定减速器。

本发明可以根据机器人的设计指标直接计算选择得到符合要求的电机减速器型号，并能按照符合程度的大小进行排序。该方法大大减小了计算工作量，提高了工作效率。数据库扩充简便，可以同时比较不同系列的电机、减速器的优缺点。根据电机、减速器的性能重新计算机器人腕部的最大运动速度和手腕允许力矩，提高机器人腕部的最大运动速度和手腕允许力矩，达到最大程度挖掘机器人性能潜力的目的。如果用户未确定电机、减速器的系列或对电机和减速器的系列没有特殊要求，也可以根据无系列选型计算得到的电机、减速器的一些参数如输出功率，减速比、转速等，以便初步确定电机和减速器。

附图说明

图1是本发明的已确定电机、减速器系列的情况下的计算与选型方法流程图。

图2是本发明的未确定电机、减速器系列的情况下的计算方法流程图。

具体实施方式

实施例1：已确定电机、减速器系列的情况下的计算与选型方法

(1)建立电机、减速器样本数据库

本实施例中采用安川电机和帝人减速器。安川电机的系列有：SGMAH、SGMPH、SGMGH(1500r/min)、SGMGH(1000r/min)、SGMSH、SGMDH、SGMCS(小容量)、SGMCS(中等容量)。参数有：型号、额定输出、额定扭矩、瞬时最大扭矩、最高转速、转子转动惯量、负载电机惯量比等。帝人减速器的系列有：RV-E、RV-C。参数有：型号、速比值、输出转矩、瞬时最大允许力矩、允许最高输出转速、惯性力矩等。

(2)初选电机、减速器

某机器人腕部关节的三个设计指标为：最大运动速度130°/s，手腕允许力矩921N·m，手腕允许惯量78Kg·m²。功率范围系数为1和2。

由公式(1)可得输出功率Pe＝2.09KW，则初选电机的额定输出在2.09-4.18KW之间。根据实际工况及不同系列电机的特点，选取安川SGMGH(1000r/min)系列电机。则有SGMGH-30A和SGMGH-40A两种型号的电机满足要求。

对于SGMGH-30A型号电机，由公式(2)、(3)可得i_MIN＝57.91，由公式(4)可得i_MAX＝92.31。由于该关节的结构设计原因，齿轮减速比为2.8，则减速器减速比范围为20.68-32.97。根据实际工况及不同系列减速器的特点，选取帝人RV-C系列。则有RV-10C和RV-50C两种型号的减速器满足要求。

对于SGMGH-40A型号电机，由公式(2)、(3)可得i_MIN＝43.05，由公式(4)可得i_MAX＝92.31。由于该关节的结构设计原因，齿轮减速比为2.8，则减速器减速比范围为15.38-32.97。根据实际工况及不同系列减速器的特点，选取帝人RV-C系列。则有RV-10C和RV-50C两种型号的减速器满足要求。

(3)电机减速器验证

对于电机SGMGH-30A和减速器RV-10C，减速器允许力矩686N·m，小于手腕允许力矩921N·m，所以该对电机减速器不符合要求。

对电机SGMGH-30A和减速器RV-50C，减速器允许力矩1764N·m，大于手腕允许力矩921N·m；电机瞬时最大扭矩63.7N·m，大于换算到电机轴上的最大扭矩为28.3N·m；电机最高转速2000r/min，大于换算到电机轴上的最大转速1974r/min，对电机减速器符合要求。

对于电机SGMGH-40A和减速器RV-10C，减速器允许力矩686N·m，小于手腕允许力矩921N·m，所以该对电机减速器不符合要求。

对于电机SGMGH-40A和减速器RV-50C，减速器允许力矩1764N·m，大于手腕允许力矩921N·m；电机瞬时最大扭矩107N·m，大于换算到电机轴上的最大扭矩为28.3N·m；电机最高转速2000r/min，大于换算到电机轴上的最大转速1974r/min，所以该对电机减速器符合要求。

综上，共有两对电机减速器符合选型要求：电机SGMGH-30A和减速器RV-50C，电机SGMGH-40A和减速器RV-50C。

当选用电机SGMGH-30A和减速器RV-50C时，最大运动速度可由当初的设计值130°/s提高到131.706°/s，手腕允许力矩可由当初的设计值921N·m提高到1449.05N·m；当选用电机SGMGH-40A和减速器RV-50C时，最大运动速度可由当初的设计值130°/s提高到131.706°/s，手腕允许力矩可由当初的设计值921N·m提高到1949.07N·m。

由上述计算过程可知，电机SGMGH-30A和减速器RV-50C是最符合性能要求的电机减速器型号，电机SGMGH-40A和减速器RV-50C在性能上会有浪费。所以优选选用电机SGMGH-30A和减速器RV-50C。此时，最大运动速度可由当初的设计值130°/s提高到131.706°/s，手腕允许力矩可由当初的设计值921N·m提高到1449.05N·m。

详情请参阅附图1的已确定电机、减速器系列的情况下的计算与选型方法流程图。

实施例2：未确定电机、减速器系列的情况下的计算方法

某机器人腕部关节的三个设计指标为：最大运动速度130°/s，手腕允许力矩921N·m，手腕允许惯量78Kg·m²。功率范围系数为1和2，齿轮减速比为2.8。

由公式(1)可得输出功率Pe＝2.09KW，则电机的额定输出在2.09-4.18KW之间。选择电机转速为2000r/min，则有公式(7)可得最大减速比i_MAX＝32.96。取电机额定扭矩T_电机额定＝28.4N·m，传动效率η＝0.8，负载电机惯量比N_电机＝15，电机转动惯量I_电机＝0.00675Kg·m²，则由公式(8)、(9)可得最小减速比i_MIN＝20.68。在此减速比范围内，取减速比i＝32.54,。则由公式(10)可得电机最大允许力矩T_电机＝10.11N·m。

则由以上计算，选择的电机需满足以下参数要求：额定输出范围为2.09-4.18KW，电机转速为2000r/min，电机额定扭矩大于28.4N·m，负载电机惯量比为15，最大允许扭矩大于10.11N·m。

选择的减速器需满足以下参数要求：减速比为32.54，最大允许力矩大于921N·m。

详情请参阅附图2的未确定电机、减速器系列的情况下的计算方法流程图。

Claims (1)

1.一种多自由度机器人腕部电机、减速器的计算与选型方法，其特征在于，

(一)已确定电机、减速器系列的情况下的计算与选型

1)建立电机产品数据库和减速器产品数据库

电机数据库的主要参数：额定输出、额定扭矩、瞬时最大扭矩、最高转速、转子转动惯量、负载电机惯量比；

减速器数据库的主要参数：速比值、输出转矩、瞬时最大允许力矩、允许最高输出转速、惯性力矩；

2)初选电机、减速器

通过下述三个设计指标来确定电机和减速器：最大运动速度ω、手腕允许力矩T和手腕允许惯量I；齿轮机构的减速比在1-3范围内；

最大运动速度ω的单位是度每秒°/s，手腕允许力矩T的单位是N·m，由下述公式(1)计算得到输出功率Pe，单位：KW，则由功率范围系数确定初选电机的额定输出范围：

$\mathrm{Pe}=\frac{T\·\mathrm{\ω}}{9550.6}---\left(1\right)$

选择的某一系列的所有电机额定输出中，额定输出范围内的电机即为符合要求的电机，即初步确得到初选电机的产品数据库；

由公式(2)和(3)计算得到最小减速比；

i_MIN1＝T/(T_电机额定·0.7·η)                            (2)

其中，T为手腕允许力矩，T_电机额定为电机的额定扭矩，η为传动效率，I为手腕允许惯量，N_电机为负载电机惯量比，若电机产品数据库无此参数，则取15，I_电机为电机转动惯量，0.7为经验系数；

比较i_MIN1和i_MIN2，两者之间数值大者即为最小减速比i_MIN；

再由公式(4)确定最大减速比i_MAX：

i_MAX＝N_电机MAX/(ω/6)                             (4)

其中N_电机MAX为电机最大转速，ω为最大运动速度；

由最大、最小减速比除去齿轮减速比，得到减速器的减速比；

3)验证电机、减速器

验证条件1：减速器允许力矩大于手腕允许力矩T；

验证条件2：电机的瞬时最大扭矩大于换算到电机轴上的最大扭矩；

验证条件3：电机的最大转速大于换算到电机轴上的最大转速；

这三个验证条件都满足，则这对匹配的电机减速器即满足设计指标的要求；如果有其中任一个条件不满足，则该对电机减速器不符合性能要求，不能选用；

4)计算改进后的运动参数

由以上计算及选型确定一对同时符合条件的的电机、减速器型号时，根据电机、减速器的性能重新计算机器人腕部的最大运动速度和手腕允许力矩；

由下述公式(5)得到机器人腕部最大运动速度，则机器人腕部达到的最大运动速度：

$\mathrm{\ω}=\frac{6n}{i\·i_{\mathrm{gear}}}---\left(5\right)$

其中n为电机转速，i为减速器减速比，i_gear为齿轮减速比；

由下述公式(6)得到机器人腕部的允许力矩，则在此电机、减速器的配置下，机器人手腕允许力矩：

T＝T_电机额定·0.7·η·i_gear·i                    (6)

其中，T_电机额定为电机的额定扭矩，η为传动效率，i为减速器减速比，i_gear为齿轮减速比，0.7为经验系数；

(二)未确定电机、减速器系列的情况下的计算

由公式(1)和功率范围系数确定初选电机的额定输出范围；

选择电机转速，由下述公式(7)计算得到减速器的最大减速比：

$i_{\mathrm{MAX}}=\frac{6n}{\mathrm{\ω}\·i_{\mathrm{gear}}}---\left(7\right)$

其中n为电机转速，ω为最大运动速度，i_gear为齿轮减速比；

输入电机额定扭矩、转动惯量和电机负载惯量比，由下述公式(8)和(9)计算得到最小减速比：

i_MIN1＝T/(T_电机额定·0.7·η·i_gear)                   (8)

其中，T为手腕允许力矩，T_电机额定为电机的额定扭矩，η为传动效率，I为手腕允许惯量，N_电机为负载电机惯量比，I_电机为电机转动惯量，i_gear为齿轮减速比，0.7为经验系数；

比较i_MIN1和i_MIN2，两者之间数值大者即为减速器的最小减速比i_MIN；

由减速比范围，确定减速比，则根据下述公式(10)得到电机最大允许力矩：

其中，T为手腕允许力矩，i为减速器减速比，i_gear为齿轮减速比。