一種多自由度機器人腕部電機、減速器的計算與選型方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于機器人技術(shù)與應(yīng)用領(lǐng)域，設(shè)及到一種機器人腕部關(guān)節(jié)的電機、減速器 的計算與選型方法，該方法主要針對多自由度機器人的腕部關(guān)節(jié)，使得多自由度機器人的 腕部電機和減速器能滿足性能要求。
【背景技術(shù)】
[0002] 機器人的應(yīng)用情況是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志，機器人已經(jīng)迅速滲透 到許多領(lǐng)域并呈現(xiàn)出強勁的發(fā)展態(tài)勢，如工業(yè)、農(nóng)業(yè)、航空航天、海洋W及國防等。機器人的 應(yīng)用越來越廣泛，對機器人性能的要求也越來越高，而機器人的性能，如定位精度、速度W 及加速度等，都與電機、減速器的選用息息相關(guān)。選用最符合性能要求電機、減速器，既是機 器人正常工作運行的保證，又能降低機器人成本，避免電機、減速器在性能上的浪費。
[0003] 傳統(tǒng)的電機、減速器選型通常是先按照工作條件計算出輸出功率、傳動比、輸出轉(zhuǎn) 速、輸出轉(zhuǎn)矩等參數(shù)，再依據(jù)該些確定的參數(shù)盡量選用接近理想輸出功率、減速比等參數(shù)的 電機、減速器，而該個過程依靠人為的查詢機械設(shè)計手冊，初選，然后驗算選取的電機、減速 器的型號是不是符合初選要求，而往往初選的時候會考慮多種電機減速器進行對比，該就 加大了查詢手冊和計算的工作量，人為操作起來難度大，效率也比較低。
[0004] 隨著對機器人的需求量不斷增加W及電機、減速器的種類、品牌、型號越來越多， 純粹依靠工作經(jīng)驗豐富的技術(shù)人員選擇電機、減速器已經(jīng)不符合高速發(fā)展的選型技術(shù)要 求；而電機、減速器銷售人員也不可能都具有機械行業(yè)的專業(yè)素養(yǎng)，對電機、減速器的各個 特征參數(shù)和選型的結(jié)果不能提供很客觀的建議，難W說服客戶選擇較為符合要求的電機減 速器。
[0005] 綜上所述，電機、減速器計算與選型方法有利于減小機器人設(shè)計的難度，減輕設(shè)計 人員的計算量和工作量，提高設(shè)計效率，而且還能提供更多的電機、減速器選型方案，有利 于銷售人員向用戶推銷合適的電機、減速器型號。對機器人性能的提高及成本的降低都很 有益。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了克服計算選型參數(shù)、查詢機械產(chǎn)品手冊的工作量大、效率低等缺點，本發(fā)明提 供一種多自由度機器人腕部電機、減速器計算與選型方法。該方法能根據(jù)機器人的設(shè)計技 術(shù)指標，計算出最符合性能要求的匹配的電機、減速器參數(shù)和型號。
[0007] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[000引一種多自由度機器人腕部電機、減速器計算與選型方法，在機器人機械本體已設(shè) 計完成的基礎(chǔ)上，根據(jù)機器人的設(shè)計指標一最大運動速度、手腕允許力矩、手腕允許慣量， 在確定電機、減速器系列的情況下，計算電機、減速器參數(shù)并選取電機、減速器型號；在對電 機、減速器系列無要求的情況下，只計算電機、減速器的一些參數(shù)。
[0009](一）已確定電機、減速器系列的情況下的計算與選型
[0010] (1)建立電機產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫和減速器產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫
[0011] 電機數(shù)據(jù)庫的主要參數(shù)有；額定輸出、額定扭矩、瞬時最大扭矩、最高轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn) 動慣量、負載電機慣量比等。
[0012] 減速器數(shù)據(jù)庫的主要參數(shù)有；速比值、輸出轉(zhuǎn)矩、瞬時最大允許力矩、允許最高輸 出轉(zhuǎn)速、慣性力矩等。
[0013] 2)初選電機、減速器
[0014] 通過下述=個設(shè)計指標來確定電機和減速器。該=個設(shè)計指標是最大運動速度 ?、手腕允許力矩T和手腕允許慣量（即最大允許轉(zhuǎn)動慣量）I。
[0015] 由于多自由度機器人腕部關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計原因，電機與減速器并不能直接相連， 還需要齒輪機構(gòu)傳遞。齒輪機構(gòu)具有一定的減速比，減速比一般在1-3范圍內(nèi)。因此，電機 減速器自動計算與選型還需要提供齒輪減速比ig。。,。
[0016] 最大運動速度《的單位是度每秒（° /s)，手腕允許力矩T的單位是N，m，由下述 公式（1)計算得到輸出功率Pe，單位；KW，則由功率范圍系數(shù)可W確定初選電機的額定輸出 范圍。 T -妨 / 1、
[0017] Pe = - (1) 9550.6
[001引在選擇的某一系列的所有電機額定輸出中，在此額定輸出范圍內(nèi)的電機即為符合 要求的電機，即可W初步確定電機型號，也就得到初選電機的產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫，包括所有符合條 件的電機的瞬時最大扭矩、最高轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量、負載電機慣量比等。
[0019] 由公式（2)和（3)計算得到最小減速比。
【主權(quán)項】
1. 一種多自由度機器人腕部電機、減速器的計算與選型方法，其特征在于， (一）已確定電機、減速器系列的情況下的計算與選型 1) 建立電機產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫和減速器產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫 電機數(shù)據(jù)庫的主要參數(shù)：額定輸出、額定扭矩、瞬時最大扭矩、最高轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣 量、負載電機慣量比； 減速器數(shù)據(jù)庫的主要參數(shù)：速比值、輸出轉(zhuǎn)矩、瞬時最大允許力矩、允許最高輸出轉(zhuǎn)速、 慣性力矩； 2) 初選電機、減速器 通過下述三個設(shè)計指標來確定電機和減速器：最大運動速度ω、手腕允許力矩T和手 腕允許慣量I ;齒輪機構(gòu)的減速比在1-3范圍內(nèi)； 最大運動速度ω的單位是度每秒° /s，手腕允許力矩T的單位是N ·πι，由下述公式 (1)計算得到輸出功率Pe，單位：KW，則由功率范圍系數(shù)確定初選電機的額定輸出范圍：
(1) 選擇的某一系列的所有電機額定輸出中，額定輸出范圍內(nèi)的電機即為符合要求的電 機，即初步確得到初選電機的產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫； 由公式（2)和⑶計算得到最小減速比；
其中，τ為手腕允許力矩，Twitjg為電機的額定扭矩，η為傳動效率，I為手腕允許慣 量，Nwa為負載電機慣量比，若電機產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫無此參數(shù)，則取15,1為電機轉(zhuǎn)動慣量，0. 7 為經(jīng)驗系數(shù)； 比較iMIN1和i ΜΙΝ2，兩者之間數(shù)值大者即為最小減速比iMIN; 再由公式（4)確定最大減速比!Lmax: ?μχ - N 電機魅χ/(ω/6) (4) 其中 N電機MX 為電機最大轉(zhuǎn)速，ω為最大運動速度； 由最大、最小減速比除去齒輪減速比，得到減速器的減速比； 3) 驗證電機、減速器 驗證條件1 :減速器允許力矩大于手腕允許力矩T ; 驗證條件2 :電機的瞬時最大扭矩大于換算到電機軸上的最大扭矩； 驗證條件3 :電機的最大轉(zhuǎn)速大于換算到電機軸上的最大轉(zhuǎn)速； 這三個驗證條件都滿足，則這對匹配的電機減速器即滿足設(shè)計指標的要求；如果有其 中任一個條件不滿足，則該對電機減速器不符合性能要求，不能選用； 4) 計算改進后的運動參數(shù) 由以上計算及選型確定一對同時符合條件的的電機、減速器型號時，根據(jù)電機、減速器 的性能重新計算機器人腕部的最大運動速度和手腕允許力矩； 由下述公式（5)得到機器人腕部最大運動速度，則機器人腕部達到的最大運動速度：
(5) 其中η為電機轉(zhuǎn)速，i為減速器減速比，ig_為齒輪減速比； 由下述公式（6)得到機器人腕部的允許力矩，則在此電機、減速器的配置下，機器人手 腕允許力矩： τ = τ電機額定· 〇· 7 · η · igear · i (6) 其中，為電機的額定扭矩，為傳動效率，i為減速器減速比，Ual?為齒輪減速 比，0.7為經(jīng)驗系數(shù)； (二）未確定電機、減速器系列的情況下的計算 由公式（1)和功率范圍系數(shù)確定初選電機的額定輸出范圍； 選擇電機轉(zhuǎn)速，由下述公式（7)計算得到減速器的最大減速比：
其中η為電機轉(zhuǎn)速，ω為最大運動速度，ig_為齒輪減速比； 輸入電機額定扭矩、轉(zhuǎn)動慣量和電機負載慣量比，由下述公式（8)和（9)計算得到最小 減速比：
其中，τ為手腕允許力矩，Twitjg為電機的額定扭矩，η為傳動效率，I為手腕允許慣 量，Nwa為負載電機慣量比，Iwa為電機轉(zhuǎn)動慣量，ig_為齒輪減速比，0. 7為經(jīng)驗系數(shù)； 比較iMIN1和i MIN2，兩者之間數(shù)值大者即為減速器的最小減速比iMIN; 由減速比范圍，確定減速比，則根據(jù)下述公式（10)得到電機最大允許力矩：
其中，T為手腕允許力矩，i為減速器減速比，ig_為齒輪減速比。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多自由度機器人腕部電機、減速器的計算與選型方法，屬于機器人技術(shù)與應(yīng)用領(lǐng)域。該方法在機器人機械本體已設(shè)計完成的基礎(chǔ)上，根據(jù)機器人的設(shè)計指標—最大運動速度、手腕允許力矩、手腕允許慣量，在確定電機、減速器系列的情況下，計算電機、減速器參數(shù)并選取電機、減速器型號；在對電機及減速器系列無要求的情況下，只計算電機及減速器的參數(shù)。該電機與減速器選型方法主要針對多自由度機器人腕部電機、減速器的計算與選型，具有選型范圍廣、計算快、效率高、選型準確等特點，克服計算選型參數(shù)、查詢設(shè)計手冊的計算量大、效率低的缺點。
【IPC分類】G06F19-00
【公開號】CN104537244
【申請?zhí)枴緾N201410850064
【發(fā)明人】叢明, 楊小磊, 劉冬, 白云飛, 溫海營, 鄭華棟, 董航
【申請人】大連理工大學
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2014年12月31日