模块化工业机器人减速器模块的编码研究

摘 要：文章简单评述了现代工业机器人的模块划分及编码原则，重点对减速器模块中的RV减速器进行了参数分析，并研究出具体的编码方法。

关键词：工业机器人；模块化编码；RV减速器

引言

随着现代化的发展，工业机器人有着多规模、多种类、小批量和复杂化等特点。与现代模块化工业机器人相比，传统机器人的“一种需求，一次设计”会产生多种弊端。模块化工业机器人的诞生即能满足客户的需求，又能在规格、品种、设计周期和成本上得到优化。因此工业机器人的模块化和编码研究显得尤为重要[1]。

1 模块的划分与编码原则

1.1 模块化思想

模块化最早期思想起源于积木，利用积木原理把整个机器人分成若干个具有独立功能的模块，这些相互独立的模块根据不同的组成，来达到设计需要。模块化理念的运用，在不同程度上可以达到大大缩减整个设计周期（研发周期、生产周期），降低设计成本，满足不同机器人的互换性要求，提高机器人设计系统的可靠性[2]。

构建模块化工业机器人模块需具备以下几点功能特性：（1）每个模块都是一个独立的个体，可以完成该模块的特定功能，模块与模块之间相互独立，从而减少整个模块系统的关联性，大大降低了工业机器人的设计周期和设计、制造成本。（2）工业机器人的模块化可以分为主动模块和被动模块，主动模块：具有独立的控制功能和驱动功能，并可以驱动被动模块，使被动模块完成指定的机械运动。（3）模块与模块之间能够进行有效安装，各个模块应达到一定的互换性要求，同时独立模块间可以实现独立的控制和信息的传递功能。（4）模块与模块之间应满足在动力学和运动学的独立性。

1.2 模块划分原则

按工业机器人的不同功能来划分模块是目前比较常见的方法之一，首先对工业机器人系统的不同功能进行合理分析，一般划分为必要功能模块和非必要功能模块。模块化的设计比较复杂多样，模块与模块之间的本质就是相互的耦合关系，从而满足模块化的互换性要求，使组成的工业机器人系统满足设计需要[3]。根据特定的逻辑关系使工业机器人系统中的不同功能联系在一起，使不同的独立模块间拥有不同的独立功能。尽可能满足模块与模块之间相互独立、无干涉和无关联等要求。

模块在划分时应注意以下问题：（1）模块划分种类的总数不宜过多，过多的模块组合会降低工业机器人的模块化系统的精度，失去模块化思想的意义。（2）划分模块时保证每一个模块都具有独立功能，并应考虑完成独立功能的可行性。（3）模块在满足独立功能的前提下，尽量控制模块的重量和体积。（4）划分模块时，应考虑环境和经济等因素。

1.3 模块的划分

模块一般根据机械本体和驱动装置来进行划分，对于机械本体部分，根据每次零件或者是工业机器人上的不同位置所完成的不同功能区划分模块。以六自由度工业机器人为例，一般可以分为：底座模块、肩关节模块、大臂模块、肘关节模块、小臂模块、腕关节模块和功能模块。其中本体部分由底座模块、大臂模块、小臂模块和功能模块组成；驱动装置部分由肩关节模块、肘关节模块和腕关节模块组成。这些关节型模块是工业机器人核心的技术之一，特别是应用在关节型模块中的RV减速器技术。目前应用在工业机器人领域的减速器一般分两种，一种是RV减速器，另一种是谐波减速器。在关节模块中，由于RV减速器具有更高的刚度和回转精度要求，一般放置在肩关节模块和肘关节模块中，用于连接底座模块和大臂模块、大臂模块和小臂模块等重负载的位置。而谐波减速器一般放置在腕关节模块中，用于连接小臂模块和功能模块。

2 RV减速器编码方法

2.1 模块编码的目的、作用和原则

模块化编码的目的就是运用特定字母和数字的组合来代替复杂的机械本体，从而避免了文字或口述上的多样性、多义性和非标准化等误区。模块化编码使信息描述代码化，使信息描述具有唯一性、完整性、简洁性、易处理性、可扩展性和同位性等要求。

（1）唯一性：模块的编码和所指代的模块间必须满足一一对应关系。（2）完整性：模块编码要尽可能完整地表达该模块信息，要能满足模块化设计与制造全过程的需要，包括模块的选择、组合以及模块化管理等。（3）简洁性：编码的位数在满足模块功能和数据的基本描述的前提下尽可能最小。（4）易处理性：使计算机在处理过程中更加快捷有效。（5）扩展性：在编码时，尽可能的贴近制造工厂的规定和要求，提高在信息传递方面的可行性，方便以后编辑和改动。（6）同位性：编码要使各个模块的编码位数相同，取位数最多的模块编码设为基础编码位数，位数少的模块编码位数应该用数字0来进行补位。

2.2 RV减速器的参数分析

图1是RV传动的机构简图，它由渐开线行星齿轮传动和摆线针轮行星传动两部分组成。渐开线行星齿轮与曲柄轴连为一体，作为RV减速器的第一级传动。当渐开线太阳轮顺时针方向旋转时，渐开线行星齿轮在公转的同时并逆时针方向自转，通过曲柄轴带动摆线轮做偏心运动。此时，摆线轮因受与之啮合的针轮约束，在其绕针轮轴线公转的同时并顺时针方向自转。同时将顺时针方向转动通过曲柄轴传递给行星架输出机构，完成减速输出。

其中RV减速器的主要参数分别为：总传动比i，一级传动比i1，二级传动比i2，最大功率KW，输出转数n，输出扭矩M，中心距mm。

在进行RV减速器的模块化选择时，除了要对RV减速器的参数进行选择，还要对输入方式、输出方式和安装位置进行选择。RV减速器的输入形式主要分为：孔输入（FA）、轴输入（FB）和法兰盘输入（FC）。输出形式主要分为：单输出（DZ）、双输出（SZ）和法兰输出（Z）。RV减速器有六种安装方式如图2所示：

2.3 RV减速器编码的设定

根据RV减速器的基本参数、输出形式和安装方式，对RV减速器的具体编码形式如图3所示。具体实例如图4所示。

3 结束语

文章简单介绍了模块化和模块化编码的概念，对关节型机器人进行了简单的模块划分，并对RV减速器模块进行了参数分析，设计出一套编码体系。在对工业机器人进行设计时，为缩短产品的开发、生产周期，降低生产成本，提高设计的重复使用性，增加系统的可靠性提供理论依据。

参考文献

[1]陈航，殷国富，赵伟，等.工业机器人模块化设计研究[J].机械，2009（03）：56-58.

[2]沈允文，郭伟，谭超毅.RV减速器及其在机器人上的应用[J].齿轮，1988（05）：51-54.

[3]宋松.工业机器人RV减速器关键部件制造及对我国精密机床发展思考[J].金属加工（冷加工），2015（08）：34-36.

作者简介：关欣（1989-），女，硕士研究生，助教，主要研究方向：机械设计，数控技术，复杂曲面加工等。