CN105479452A - 用于机器人关节伺服电机惯量匹配的电机输出齿轮机构 - Google Patents

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陈赣东
衡豪
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    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/10—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
    • B25J9/102—Gears specially adapted therefor, e.g. reduction gears
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Abstract

本发明公开了用于机器人关节伺服电机惯量匹配的电机输出齿轮机构，包括输出齿轮和齿轮轴，所述输出齿轮套装在齿轮轴上；其特征是：所述输出齿轮在其一个面上带有惯量体，所述惯量体为旋转体且旋转轴与齿轮轴同轴；所述带有惯量体的输出齿轮，其惯量满足以下条件：。本发明电机输出齿轮机构，方便地解决了伺服电机惯量匹配问题。结构简单，易实现。消除了附加惯量盘和输出齿轮之间的传动连接，降低了关节传动系的柔性，有利于关节传动精度的提升。

Description

用于机器人关节伺服电机惯量匹配的电机输出齿轮机构
技术领域
本发明涉及一种机器人关节驱动伺服电机的齿轮系统，尤其是用于机器人关节伺服电机驱动-传动链惯量匹配的电机输出齿轮机构。
背景技术
在机器人本体设计中，由于关节伺服驱动电机的性能表现会受到折算到电机输出轴上的负载惯量和自身转子惯量比值（负惯比）的影响，如，当负惯比超出伺服电机许用范围，则会出现PID参数难以整定或通过PID参数整定无法调节的启停抖动、低速爬行，运行不稳定等现象。此类现象将使得机器人最终无法满足特定应用，而导致整个机器人机械本体设计失效。
因此，在进行关节传动系的设计时，必须考虑上述影响，配置合适的减速比，将负惯比控制在伺服电机许用的范围内（负惯比=负载惯量/（减速比的平方乘以电机转子惯量））。目前，降低负惯比的方法主要有：（1）增大减速比；（2）选用具有大转子惯量的伺服电机；（3）电机转轴上固定附加惯量盘。
上述方法的主要缺陷如下：
（1）增大减速比的方法，一方面机器人关节目标最高转速将随之降低，进而不满足关节速度指标，另一方面，较高的减速比要求须通过选用减速机实现，这将明显提升机器人本体成本，不经济。
（2）选用具有大转子惯量的伺服电机的方法，主要将大幅增加机器人本体成本，也会存在由于质量、尺寸等物理参数的增加而使得机器人性能下降或外观不协调等问题。
（3）电机转轴上固定附加惯量盘的方法，受轴伸影响，增加惯量盘后，电机轴将没有足够的空间装配输出齿轮。中国发明专利申请公开了一种“高惯量马达”（申请号200610002768.8），若按照其说明书图5所示，加装一个惯量盘，则将使得电机输出齿轮与电机转轴之间多一级传动连接。若基于此方法设计，则机器人关节驱动-传动链形成四质量惯性系统（如图1所示），不仅增大了整个传动系的柔性和电机轴挠性，最终也影响机器人关节的高速运行性能；也难以满足机器人关节设计时对关节空间的最小化的追求，甚至许用空间内根本无法增加附加惯量盘。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，在于客服现有技术存在的缺陷，提出了一种电机输出齿轮机构，用于机器人关节伺服电机惯量匹配，使得负惯比限定在伺服电机许用范围内，无需设置独立的惯量盘，消除了附加惯量盘和输出齿轮之间的传动连接，降低了关节传动系的柔性，有利于关节传动精度的提升。
在机器人关节传动系设计中，电机输出齿轮结构一般如图2所示。为了达到增加转子所需惯量的目的，在电机轴上加装一个惯量盘。此时，负惯比的计算公式及上线范围如下：
其中
由此可以推出：
若
（1）
则可以让Ir=0。因此，只要输出齿轮惯量达到一定的值，在机器人关节传动系可以不用加装惯量盘。
基于上述思路，本发明为了实现发明目的，提出了一种用于机器人关节伺服电机惯量匹配的电机输出齿轮机构，包括输出齿轮和齿轮轴，所述输出齿轮套装在齿轮轴上；其特征是：所述输出齿轮在其一个面上带有惯量体，所述惯量体为旋转体且旋转轴与齿轮轴同轴；所述带有惯量体的输出齿轮，其惯量满足以下条件：
。
为了使得输出齿轮的惯量可调节，所述输出齿轮的惯量体为空腔旋转体。
经本方案修改优化后，机器人关节驱动-传动链形成三质量惯性系统，如图8所示。在外形修改的基础上，驱动软件算法中也可同时辅以修改与转子惯量相关的参数，进一步降低伺服PID参数整定范围与难度，更好地实现降低系统负惯比后的电机运行效果。
本发明电机输出齿轮机构，用于机器人关节驱动-传动链，可以方便地解决伺服电机惯量匹配问题。结构简单，易实现。本发明不仅突破了电机轴伸对增加附加惯量盘的限制，也能高效地利用机器人有限的关节空间。消除了附加惯量盘和输出齿轮之间的传动连接，由传统的“四质量惯性系统”（如图1所示）降至“三质量惯性系统”（如图8所示），降低了关节传动系的柔性，有利于关节传动精度的提升。给出了齿轮轴基于惯量需求的修改计算依据；通过公式计算，能够较为精确地调节机器人关节伺服负惯比值，在确保关节运行的性能，如平稳性、精确性等基础上，最大程度满足机器人关节空间要求。避免了附加惯量盘带来的转轴挠性增加对机器人关节运行噪音、精度等方面的不良影响。有效地缓解伺服电机在大负惯比运行情况下的PID参数不易整定现象，和消除PID参数整定无法调节的其他异常现象。
为了确保由于惯量增加带来的连接处的冲击和热量增加，特给出了齿轮轴的抽空设计，如图11所示。
附图说明
图1是现有技术附加惯量盘方式的四质量惯性系统示意图。
图2是现有技术伺服电机输出齿轮结构示意图。
图3是现有技术伺服电机输出齿轮结构安装在关节内的剖面示意图。
图4是本发明中输出齿轮机构与电机输出轴安装示意图。
图5是本发明伺服电机输出齿轮结构安装在关节内的剖面示意图。
图6是本发明输出齿轮机构剖面示意图。图6（a）的输出齿轮的惯量体为曲线旋转体、图6（b）的输出齿轮的惯量体为圆盘组合体
图7本发明中输出齿轮机构剖面示意图（输出齿轮的惯量体为空腔旋转体）。
图8是本发明齿轮机构应用后，机器人关节驱动-传动链“三质量惯性系统”示意图。
图9是伺服电机在大负惯比情况下，经多次PID参数整定后控制器给定速度（a线）和电机反馈速度曲线（b线）对比图。
图10是经发明调整后，结合几次PID参数整定，控制器给定的速度和电机反馈的速度曲线对比图。
图11是降低惯量增加后齿轮轴的散热和防冲击设计结构图。
具体实施方式
下面结合附图和事实例，对本发明作进一步详细说明。
如图6所示，用于机器人关节伺服电机1惯量匹配的电机输出齿轮机构，包括输出齿轮2和齿轮轴，所述输出齿轮套装在齿轮轴上；其特征是：所述输出齿轮在其一个面上带有惯量体，所述惯量体为旋转体且旋转轴与齿轮轴同轴；所述带有惯量体的输出齿轮，其惯量满足以下条件：
。
图6（a）的外形修改方法易于准确地得到式(1)求得的惯量值；图6（b）的外形修改方法有利于齿轮轴的加工。
图7通过设计齿轮轴空腔方式，可配合图6外形修改方式得到目标的惯量值。
经本方案修改优化后，机器人关节驱动-传动链形成三质量惯性系统，如图8所示。此外，在外形修改的基础上，驱动软件算法中也可同时辅以修改与转子惯量相关的参数，进一步降低伺服PID参数整定范围与难度，更好地实现降低系统负惯比后的电机运行效果。
图9是伺服电机在大负惯比情况下，经多次PID参数整定后控制器给定速度（a线）和电机反馈速度曲线（b线）对比图。从上图9可以看出，经PID参数整定后，在速度保持阶段存在明显的“抖动”现象。图10是经本发明调整后，结合几次PID参数整定，控制器给定的速度和电机反馈的速度曲线对比图8。通过图9和图10对比看出，经本发明调整后，速度运行曲线明显趋于稳定，且PID参数整定难度明显降低。因此可以说明，本方案是有效的、可行的。
图11是在齿轮盘面靠经轴出进行整列抽空设计，以提升连接散热性和缓冲作用。

Claims (2)

1.用于机器人关节伺服电机惯量匹配的电机输出齿轮机构，包括输出齿轮和齿轮轴，所述输出齿轮套装在齿轮轴上；其特征是：所述输出齿轮在其一个面上带有惯量体，所述惯量体为旋转体且旋转轴与齿轮轴同轴；所述带有惯量体的输出齿轮，其惯量满足以下条件：
。
2.根据权利要求1所述用于机器人关节伺服电机惯量匹配的电机输出齿轮机构，其特征是：所述输出齿轮的惯量体为空腔旋转体。
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