机器人模块化关节设计指标？

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2022-06-17 09:58 标签： 工业机器人关节

最早看到UR的机器人应该是在12年还是13年上海的工博会，当时一家代理商在靠墙的地方租了一个小柜台，很不起眼，但是第一次看这款机器人就觉得特别奇怪，这货不对称啊！

四五六轴和传统的排布不一样，四轴与五轴相比于传统机器人交换了位置，一轴电机倒置一轴和二轴处于同一高度，所以有较大的旋转半径。

比如ABB的IRB1200，一轴电机位于二轴的下方。四轴和六轴电机可以共线。当然1200所选的电机功率远大于UR5，所以尺寸也大一圈，二者定位不一样。


UR的关节采用模块化设计，凡是模块化设计则必然会在性能上有所牺牲，带来的受益则是更少的备件，更低的采购价格等等。对于人机协作类的机器人，其速度加速度性能本身就是受到限制的，所以牺牲一些性能并没有太大的关系。而反观工业机器人IRB1200，为了追求速度和加速度的极致，每一个尺寸，每一个关节的电机都要追求效率最大。

电机为科尔摩根的订制中空电机，定子为直接铸造为关节，除了几位说的节省空间外，还有个好处是便于散热，要知道电机的性能极限就在发热上了，如果谁能来一套水冷系统，电机超频妥妥的。盗用@

关于电机，有人说这是直流电机，有人说这是交流电机，其实都没错啦，如果从进线的角度来看，母线进的是直流电，如果从电机的结构上来看，其实和交流电机没有差别。这种中空的电机也会有一点缺憾，因此是传统机器人不用的原因，就是转动惯量会更大，但是UR嘛，协作机器人，性能可以牺牲点。

不管是UR,还是iiwa，接到墙上的总归是220VAC或者110VAC吧，交流变直流降压这件事还是要做的。UR把驱动器放到关节里了，一方面可以节省走线，另一方面母线电压低也是有好处的，比如安全，像UL1740里面就规定了绝缘耐压要达到使用电压的2倍再多一点，48V的两倍也不多么。

刹车UR选择了用一个电磁铁加一个钣金式的简单结构，这是一个省钱的方案，传统工业机器人，通常对刹车有比较高的响应，寿命，摩擦力要求。对于大负载的机器人，刹车是安全的保证，在出现意外紧急停止的时候，刹车是最后一道防线，不容有失。

邱博的一张图，邱博回头支付宝发我，我给你打钱哈。下图中的这个六个腿的钣金就是刹车盘，有一个电磁铁不用的时候就插在两条腿之间，机器人运动的时候，电磁铁就收起来。六腿钣金是跟着电机轴一起运动的。这种刹车也有一个好处，散热好。

传统机器人的刹车如下图，中间是键槽，电机轴从中间穿过。两个环之间是摩擦片，工作的时候，摩擦片松开，电机轴可以运转。这种刹车响应快，位置准，发热大........

使用这种六爪的刹车，对编码器也是有要求的。通常编码器有两大类，旋变和码盘。

旋变相当于几个线圈，通过线圈检测电机轴的位置，发出的信号为模拟量。码盘则是日本人用的比较多的东东，所发出的信号为数字量。码盘又分相对编码器，绝对式编码器。绝对式编码器，又分单圈绝对式和多圈绝对式。UR由于刹车并不是固定的，所以使用的是绝对式编码器。

减速器选的是HD，但具体是德国HD还是日本HD就不太清楚了。减速器也是中空的方案，毕竟走线方便。和中空电机一样的，中空减速器价格会贵很多，转动惯量也会变大。这方面没有太多可说的，毕竟HD是主流，spinia和leaddrive市场份额都不大。

走线算是亮点吧，中空走线在工业机器人上也比较常见，比如Fanuc就很喜欢用中空齿轮箱+电机偏置的方案。比如下面这几款，在多个关节使用了中空减速器。很有意思。但是电机中空的还是不多见。

为什么要中空走线呢？主要还是寿命问题，线缆在运动的时候需要有足够的空间，毕竟线的本质是铜丝。中空的走线在运动的时候是扭转运动，因此有比较好的寿命。如果你拆开一根电缆看看，你会发现铜丝本身都是扭在一起的。上图中间这款大机器人侧面的线缆，就是典型的机器人走线形式，线缆在运动的时候承受弯曲，关节的工作空间也受限制。

因为用了总线形式，以及驱动器放在关节，同时由于没有内置的气管，整个线缆的数量也非常省。

固定密封采用一种很细的o型圈

旋转密封貌似也是用一种弹性的圈，而非骨架油封之类的大尺寸。密封等级因此不会太高。

材料选择的是铝铸造件，从壁厚来看有可能选择的压铸铝，目前的版本中也并未使用铝型材。铝型材其实是个好东西，家里的门窗就是铝型材的。机器上，比如epson 的ls6使用的也是铝型材做结构件。

铝铸件基本上是中小型工业机器人常用的材料，结构上可以任意设计，只要能脱模就好。大型机器人和廉价机器人材料另说。

由于手头没有现成的UR可拆，以上信息基本来自于网络和手册，如有描述不准确的地方还请见谅。

关于评论中问题的讨论：

by 张昱：减速机用的是德国HD

by 黄宇：请问为什么六爪的刹车对编码器有特殊要求？

由于这种刹车不能把电机完全抱死，会在60度范围内活动。因此断电后机器人只能记住断电前的位置。

如果是相对式编码器，再开机前需要找一下初始位置，比较麻烦。

如果是单圈绝对式编码器，成本并不会太高，但是即使断电也不会丢位置。

所以推测是单圈绝对式编码器。

By 张伟：其实吧，旧的ur关节侧用的多z的增量编码器，可看作伪绝对的，新的ur改用了雷尼绍的磁式19bits单圈绝对编码器。

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