一种多关节机器人减速机以及电机的选型方法
技术领域
本发明涉及机器人
技术领域
，特别是涉及一种多关节机器人减速机以及电机的选型方法。背景技术
随着工业的发展，机器人因其能进行高强度的工作、适应各种工作环境、动作精度高等优点逐渐替代人工操作而出现在各行各业中。而机器人主要是通过电机带动减速机控制运动，因此机器人的减速机与电机的选型对其性能，例如速度、加速度、精度等，具有重要的意义。
传统上机器人的减速机与电机的选型主要是按照工作条件计算出终端所需的理想输出功率、理想传动比、理想输出转速、理想输出转矩等理想参数，然后根据现有的电机和减速机进行匹配选型并测量实际参数是否在理想参数的公差范围内。然而传统的选型方法具有一定的难度，而且工作量大、精度差。
为此，也出现了一些降低选型工作量的技术方案。请参阅图1，公告号为CN104537244B的专利公开了一种多自由度机器人腕部电机、减速机的计算与选型方法，根据机器人终端的最大运动速度、手腕允许力矩、手腕允许惯量，计算电机、减速器的额定扭矩、最大转矩、额定转速等参数并选取电机、减速器型号，最后验证。
但是，为提高运动的精度，现有的机器人结构与运动方式日益变得复杂，一般设有多个相互连接的关节，各个关节在运动过程中彼此影响，相互关联。因此单单根据终端输出的参数进行选型的方式显然不能适应结构与运动方式日益复杂的机器人减速机与电机的选型，精准度差。
发明内容
基于此，本发明的目的在于，提供一种多关节机器人减速机以及电机的选型方法，以满足结构与运动方式日益变复杂的多关节机器人。
本发明采取的技术方案如下：
一种多关节机器人减速机以及电机的选型方法，包括以下步骤：
设定与所选减速机以及电机连接的单关节的加减速最小时间t、实际加速时间t1、实际减速时间t3、最大转动角a、最大转速nmax；
确定带动关节，所述带动关节包括减速机以及电机所需带动的全部关节；
确认所述单关节的旋转中心轴；
调整所述带动关节中各个关节的姿态，使得所述带动关节整体的重心O’到所述旋转中心O距离最大；
获取转动惯量J、所述重心O’到所述旋转中心轴的垂直距离L以及所述带动关节的总重量M；
根据所述实际加速时间t1、所述实际减速时间t3、所述最大转动角a和所述最大转速nmax计算实际匀速运行时间t2；
根据所述实际加速时间t1、所述实际匀速运行时间t2、所述实际减速时间t3、所述关节总重量M、所述重心距离L、所述转动惯量J以及所述最大转速nmax计算所述加速阶段减速机冲击转矩T1、所述减速阶段减速机冲击转矩T3和所述匀速阶段减速机冲击转矩T2；
对所述加速阶段减速机冲击转矩T1、所述减速阶段减速机冲击转矩T3和所述匀速阶段减速机冲击转矩T2进行加权平均获取平均负载转矩Ta；
根据所述加速阶段减速机冲击转矩T1、所述减速阶段减速机冲击转矩为T3、所述匀速阶段减速机冲击转矩T2以及所述平均负载转矩Ta选取预选减速机；
选取预选减速比b；
进行预选电机的选取，并获取所述预选电机的额定扭矩T额；
测量并获取所述预选电机与所述预选减速机连接并匀速空转时的输出扭矩Tx以计算传动效率η；
根据所述传动效率η对所述加速阶段减速机冲击转矩T1、所述减速阶段减速机冲击转矩为T3、所述匀速阶段减速机冲击转矩T2进行加权平均计算所述电机平均负载转矩Tm；
根据所述电机平均负载转矩Tm与所述预选电机的额定扭矩T额计算电机负载率γ；若所述电机负载率γ小于0.8，则选型结束；若所述电机负载率γ不小于0.8，则重新选取所述预选减速机比b并重新对电机进行选型；若以所述预选减速机所有的减速比b计算均不能满足所述电机负载率γ小于0.8，则重新设定实际加速时间t1、实际减速时间t3并重新选取所述预选减速机和所述预选电机，直至所述电机负载率γ小于0.8。
与现有技术相比较，本发明的多关节机器人减速机以及电机的选型方法根据减速机与电机所要带动的关节以及加减速、匀速过程中对减速机以及电机机型选型，符合多关节机器人实际运行时的负荷状态，所选取的减速机与电机以实际工作紧密关联，适用于结构复杂且运动多变的多关节机器人减速机以及电机选型，提高多关节机器人减速机以及电机选型的精准度。
进一步，预选电机，并获取预选电机的额定扭矩T额包括以下步骤：
根据所述加速阶段减速机冲击转矩T1、所述减速阶段减速机冲击转矩为T3、所述匀速阶段减速机冲击转矩T2以及所述预选减速比b计算电机启动转矩Tc1、电机匀速转矩Tc2和电机制动转矩Tc3；
根据所述最大转速nmax以及所述预选减速比b计算电机最大转速nomax；
根据所述最大转速nmax、所述预选减速比b以及所述实际加速时间t1、所述实际匀速运行时间t2、所述实际减速时间t3获取电机平均转速nα；
根据所述电机启动转矩Tc1、所述电机匀速转矩Tc2、所述电机制动转矩Tc3、所述电机最大转速nomax以及所述电机平均转速nα进行所述预选电机的预选。
通过上述步骤缩小选取预选电机的范围，提高选型的效率和精度。
进一步，所述实际匀速运行时间
进一步，所述加速阶段减速机冲击转矩T1、所述减速阶段减速机冲击转矩T3和所述匀速阶段减速机冲击转矩T2根据以下公式计算获取：
其中，ω为所述最大角速度，单位为rad/min且所述最大角速度ω＝2πnmax/60；在加速阶段，t为所述实际加速时间t1；在匀速阶段，t为所述匀速运行时间t2；在减速阶段，t为所述实际减速时间t3。
进一步，所述平均负载转矩
进一步，根据所述加速阶段减速机冲击转矩T1、所述减速阶段减速机冲击转矩为T3、所述匀速阶段减速机冲击转矩T2以及所述平均负载转矩Ta选定预选减速机时，要求所述预选减速机瞬时最大转矩大于T1、T2；所述预选减速机的启动停止转矩大于T1和T3；所述预选减速机额定转矩大于Ta。
进一步，所述传动效率
进一步，所述电机平均负载转矩
进一步，所述电机负载率
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
图1为现有技术中一种多自由度机器人腕部电机、减速机的计算与选型方法流程示意图；
图2为本发明中一种多关节机器人减速机以及电机的选型方法的流程示意图；
图3为本发明中单关节弯矩分析图；
图4为本发明中单关节受力平衡分析图；
图5为本发明中单关节运动过程示意图；
图6为本发明一个实施例中的多关节机器人结构示意图。
具体实施方式
请参阅图2，本发明的多关节机器人减速机以及电机的选型方法包括以下步骤：
步骤S10：根据需要选型的减速机以及电机所连接的单关节的性能设计要求设计运动过程中加减速最小时间t、实际加速时间t1、实际减速时间t3、需要选型的减速机以及电机所连接的单关节的最大转动角a(单位为rad)、最大转速nmax(单位为r/min)，其中t1、t3均大于加减速最小时间t。
步骤S20：根据所述多关节机器人的多关节连接关系、所述单关节所带动的关节确定带动关节，所述带动关节包括由减速机以及电机带动的全部关节，即所述单关节和随所述单关节运动的关节。
步骤S30：确定所述单关节在所述减速机以及电机直接带动下转动的旋转中心轴a-a’。
步骤S40：确定所述带动关节的重心O’，并调整所述带动关节的姿态以改变所述重心O’的位置，使得所述带动关节处于所述重心O’到所述旋转中心轴a-a’之间的垂直距离最大的姿态。在该姿态下所需的静转矩最大。
当多关节机器人放置到水平面上时，所述重心O’到所述旋转中心轴a-a’之间的垂直距离为在垂直于水平面的方向上，所述重心O’到所述旋转中心轴a-a’距离。
步骤S50：获取转动或弯曲时的转动惯量J、所述重心O’到所述旋转中心轴a-a’之间的垂直距离L以及带动关节总重量M。
其中，所述转动惯量J通过机器人设计图纸结合机械工程手册计算获取，或是通过CAD软件建模后由CAD软件模拟测量。在一个实施例中，所述CAD软件为SolidWorks。
所述重心距离L可通过所述CAD软件建模后在CAD软件中测量。
所述带动关节总重量M包括构成所述单关节以及随所述单关节运动的所有零部件的质量总和，即所述减速机以及电机所带动的全部零部件的质量总和。
步骤S60：计算获取实际匀速运行时间t2
假设所述单关节在加速时间t1内从转速为0加速至最大转速nmax，并在匀速运行时间t2内以最大转速nmax匀速运行后，在减速时间t3内从最大转速nmax降到转速为0，在此过程中所转过的角度为所述单关节最大转动角a。根据速度-位移公式可以得到：
又由于所述最大转速nmax的单位为r/min，所述最大转动角a的单位为rad，根据1rad＝(180/π)°进行单位换算并移项可以得到：
步骤S70：分别计算实际加速时间t1、实际匀速运行时间t2、实际减速时间t3所对应的加速阶段减速机冲击转矩T1，减速阶段减速机冲击转矩T3，匀速阶段减速机冲击转矩T2。
由于动力从电机经减速机传递到所述单关节，再由所述单关节传递到其他关节，因此所述单关节所受到的冲击首先影响减速机。而根据理论力学中力矩平衡原理，减速机需提供相应的冲击转矩T以实现转动。
假设对于处于水平位置静止状态所述单关节而言，请参阅图3，根据力学受力公式得到所述单关节所受到的弯距T4为：
T4＝MgL公式(2)
对其进行加速或减速，请参阅图4，根据力矩平衡可以推导得到：其中，ω为所述最大角速度，单位为rad/min，t为所述加减速最小时间，J为所述转动惯量，L为所述重心距离，M为所述带动关节总重量，g为重力加速度。
请参阅图5，为确保机器人快速响应，在加速或减速阶段中，速度增加/减少应接近于线性增加/减少，其加速度/减速度为加速或减速阶段直线的斜率。即代入上述公式并移项可以得到所述冲击转矩T的计算公式：
其中，所述最大角速度ω＝2πnmax/60。
将加速阶段的实际加速时间t1、匀速阶段的匀速运行时间t2以及减速阶段的实际减速时间t3分别代入公式(3)可分别计算得到所述加速阶段减速机冲击转矩T1、所述减速阶段减速机冲击转矩T3和所述匀速阶段减速机冲击转矩T2。
步骤S80：对所述加速阶段减速机冲击转矩T1，所述减速阶段减速机冲击转矩T3，所述匀速阶段减速机冲击转矩T2进行加权平均计算得到减速机的平均负载转矩Ta。
步骤S90：根据所述加速阶段减速机冲击转矩T1、所述减速阶段减速机冲击转矩为T3、所述匀速阶段减速机冲击转矩T2以及所述平均负载转矩Ta选定预选减速机，其中要求减速机瞬时最大转矩大于T1、T2；减速机的启动停止转矩大于T1和T3；减速机额定转矩大于Ta。
步骤S100：选定减速机后设定预选减速比b。
标准的减速机中一般设有多个常用的减速比b，从中选取一个作为预选减速比b。
步骤S110：计算获取电机启动转矩Tc1、电机匀速转矩Tc2和电机制动转矩Tc3。
其中，所述电机启动转矩Tc1＝所述加速阶段减速机冲击转矩T1/预选减速比b；
所述电机匀速转矩Tc2＝所述匀速阶段减速机冲击转矩T2/预选减速比b；
所述电机制动转矩Tc3＝所述减速阶段减速机冲击转矩T3/预选减速比b。
步骤S120：计算获取电机最大转速nomax。
其中，nomax＝最大转速nmax*预选减速比b。
步骤S130：计算获取电机平均转速nα；
其中，
步骤S140：根据所述电机启动转矩Tc1、所述电机匀速转矩Tc2、所述电机制动转矩Tc3、所述电机最大转速nomax以及所述电机平均转速nα进行电机预选，其中要求预选电机的启动停止转矩大于所述电机启动转矩Tc1以及所述电机制动转矩Tc3；预选电机的最大转速大于所述电机最大转速nomax；预选电机的额定转速大于所述电机平均转速nα。
步骤S150：测量获取匀速时的传动效率η。
将预选电机与预选减速机连接安装后匀速空转，利用电机转矩测量工具测量此时电机输出的扭矩Tx，并根据预选电机的额定扭矩T额按公式(6)计算，从而获得传动效率η：
步骤S160：计算获取电机平均负载转矩Tm。
根据所述传动效率η对所述加速阶段减速机冲击转矩T1、所述减速阶段减速机冲击转矩为T3、所述匀速阶段减速机冲击转矩T2进行加权平均计算获取所述电机平均负载转矩Tm：
步骤S170：根据所述电机平均负载转矩Tm与所述预选电机的额定扭矩T额计算获取电机负载率γ。
若所述电机负载率γ小于0.8，则选型结束，预选电机和预选减速机为所需的电机和减速机；若所述电机负载率γ不小于0.8，则重新选定减速机比b,并重复步骤S110到步骤S160进行选型，若预选减速机所有的减速机比b均不能满足所述电机负载率γ小于0.8，则修改实际加速时间t1、实际减速时间t3并重复步骤S10到步骤S160，重新预选减速机和电机，直至所述电机负载率γ小于0.8。
实施例：
现根据上述方法，以图6所示的多关节机器人为例进行选型步骤具体说明。所述多关节机器人包括依次连接并可相对转动的底座10、一轴转座11、二轴大臂12、三轴转座13、四轴小臂14以及终端15，现对带动所述二轴大臂12转动的减速机以及电机进行选型：
步骤S10：设计所述二轴大臂12的运动性能设计参数：加减速最小时间t＝0.1s、实际加速时间t1＝0.5s、实际减速时间t3＝0.5s、最大转速nmax＝16r/min、最大转动角为a＝165°。
步骤S20：由于所述二轴大臂12带动所述三轴转座13、所述四轴小臂14以及所述终端15转动，因此所述带动关节包括所述二轴大臂12、所述三轴转座13、所述四轴小臂14以及所述终端15。
步骤S30：在SolidWorks下建模，使得所述二轴大臂12与所述一轴转座11轴接，且轴接处的连接轴为旋转中心轴a-a’。
步骤S40：根据SolidWorks的模型，调整所述二轴大臂12、所述三轴转座13、所述四轴小臂14以及所述终端15的姿态，使得由所述二轴大臂12、所述三轴转座13、所述四轴小臂14以及所述终端15组成的带动关节整体的重心O’到所述旋转中心轴的垂直距离L最大。
步骤S50：在SolidWorks模拟测量获得所述转动惯量J为62kg/m2。
在SolidWorks测量获得所述重心距离L为0.527m。
测量所述二轴大臂12、所述三轴转座13、所述四轴小臂14以及所述终端15的零部件总重量，获得所述带动关节总重量M为117kg。
步骤S60：根据公式(1)计算得到实际匀速运行时间t2＝98s。
步骤S70：根据公式(2)和(3)计算得到所述加速阶段减速机冲击转矩T1＝811.92N·m，所述匀速阶段减速机冲击转矩T2＝604.62N·m，所述减速阶段减速机冲击转矩T3＝811.92N·m。
步骤S80：根据公式(4)计算得到平均负载转矩Ta＝680.75N·m。
步骤S90：查阅产品手册后，厂家为帝人的RV-80E减速机可以满足减速机瞬时最大转矩大于T1、T2；减速机的启动停止转矩大于T1和T3；减速机额定转矩大于Ta，因此选该减速机作为预选减速机。
步骤S100：根据帝人的RV减速机手册设定预选减速比b＝121。
步骤S110：根据所述电机启动转矩Tc1＝所述加速阶段减速机冲击转矩T1/预选减速比b、所述电机匀速转矩Tc2＝所述匀速阶段减速机冲击转矩T2/预选减速比b、所述电机制动转矩Tc3＝所述减速阶段减速机冲击转矩T3/预选减速比b计算得到所述电机启动转矩Tc1＝所述电机制动转矩Tc3＝6.7N·m，所述电机匀速转矩Tc2＝14.65N·m。
步骤S120：根据nomax＝最大转速nmax×预选减速比b计算得到所述电机最大转速nomax＝2178r/min。
步骤S130：根据公式(5)计算得到所述电机平均转速nα＝1466.67r/min。
步骤S140：查阅选型手册后，厂家为汇川的电机符合预选电机的启动停止转矩大于所述电机启动转矩Tc1以及所述电机制动转矩Tc3；预选电机的最大转速大于所述电机最大转速nomax；预选电机的额定转速大于所述电机平均转速nα，因此选取其为预选电机。
步骤S150：查阅所述预选电机的相关性能参数手册后，获得所述电机额定扭矩T额＝1.8kw，测量并根据公式(6)计算获得所述传动效率η＝0.8。
步骤S160：根据公式(7)计算得到所述电机平均负载转矩Tm＝6.39N·m。
步骤S170：根据公式(8)计算得到所述电机负载率γ＝0.76<0.8,符合要求，选型结束，选定使用帝人的RV-80E减速机和汇川额定扭矩T额为1.8kw的电机。
与现有技术相比较，本发明的多关节机器人减速机以及电机的选型方法根据减速机与电机所要带动的关节以及加减速、匀速过程中对减速机以及电机机型选型，符合多关节机器人实际运行时的负荷状态，所选取的减速机与电机以实际工作紧密关联，适用于结构复杂且运动多变的多关节机器人减速机以及电机选型，提高多关节机器人减速机以及电机选型的精准度。而且根据减速机的性能进一步预选电机，从而提高选型效率。该多关节机器人减速机以及电机的选型方法操作强、精确度高、选型效率好。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
- 上一篇：石墨接头机器人自动装卡簧、装栓机
- 下一篇：齿轮组件、人工关节和机器人
