王 凱

（咸陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000）

諧波齒輪傳動在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用分析

王 凱

（咸陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000）

諧波齒輪傳動以其獨有的結(jié)構(gòu)特點，已成為現(xiàn)代工業(yè)重要的基礎(chǔ)部件。超過60%的諧波齒輪傳動應(yīng)用在機(jī)器人工業(yè)系統(tǒng)中。就五自由度機(jī)械臂采用諧波齒輪傳動結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。機(jī)器人操作機(jī)構(gòu)有兩種運動關(guān)節(jié)，分別是轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和移動關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)運動最常采用伺服電機(jī)經(jīng)機(jī)械傳動裝置減速后驅(qū)動。設(shè)計采用諧波齒輪傳動實現(xiàn)減速驅(qū)動，涉及其運動精度影響因素較多，重點分析誤差源及產(chǎn)生機(jī)理等情況。

諧波齒輪傳動；機(jī)器人；五自由度機(jī)械臂；運動精度

諧波齒輪傳動是二十世紀(jì)中期由美國C·Musser發(fā)明的，隨著空間技術(shù)發(fā)展，近代齒輪傳動技術(shù)也取得了重大突破。諧波齒輪傳動是一種不同于建立在剛體力學(xué)基礎(chǔ)上的新型機(jī)械傳動，依靠彈性變形使用柔性構(gòu)件來實現(xiàn)傳動，它突破了機(jī)械傳動采用剛性構(gòu)件的模式，從而獲得了一系列其他傳動難以達(dá)到的特殊功能，正廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)的諸多方面。本文通過檢索諧波齒輪傳動應(yīng)用領(lǐng)域的優(yōu)勢短板和發(fā)展趨勢，觀摩、借鑒國外先進(jìn)技術(shù)和設(shè)計理念，探索諧波齒輪傳動裝置的設(shè)計原則、制造方法和加工技術(shù)，對諧波齒輪傳動運動精度影響因素進(jìn)行分析，以解決傳統(tǒng)諧波齒輪傳動設(shè)計、裝配調(diào)試與生產(chǎn)線應(yīng)用中暴露出的問題。

1 諧波齒輪概述

1.1 諧波齒輪傳動結(jié)構(gòu)型式

諧波齒輪傳動主要由三個基本的構(gòu)件組成，分別是波發(fā)生器、柔輪以及剛輪。可使三個構(gòu)件中任意一個為固定件，其余兩個構(gòu)件中一個作為主動件，另一個作為從動件，這樣就實現(xiàn)固定傳動比狀態(tài)下的減速或增速傳動，也可以變成兩個輸入端，一個輸出端，這樣就形成了差動傳動。

1.2 諧波齒輪傳動工作原理

諧波齒輪傳動工作原理如圖1所示。在柔性齒輪構(gòu)件中，通過波發(fā)生器的作用，產(chǎn)生一個移動變形波，并與剛輪齒相嚙合，從而達(dá)到傳動目的。波發(fā)生器為主動元件時，凸輪在柔輪內(nèi)轉(zhuǎn)動，就近使柔輪及薄壁軸承發(fā)生可控的彈性變形，這時柔輪的齒就在變形過程中進(jìn)入（嚙合）或退出（嚙離）剛輪的齒間，在波發(fā)生器的長軸處處于完全嚙合，而短軸方向的齒就出在完全脫開的狀態(tài)。當(dāng)電機(jī)帶動波發(fā)生器在柔輪內(nèi)連續(xù)轉(zhuǎn)動時，其迫使柔輪產(chǎn)生連續(xù)的彈性變形，就使柔輪齒的嚙入——嚙合——嚙出——脫開四種狀態(tài)下循環(huán)往復(fù)不斷地改變各自原來的嚙合狀態(tài)（錯齒運動），作為減速器就可將輸入的高速轉(zhuǎn)動變?yōu)檩敵龅牡退俎D(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)了大的減速比。

圖1 諧波齒輪傳動工作原理圖

1.3 諧波齒輪傳動特點

諧波齒輪傳動打破了古板的剛性構(gòu)件死板的傳動模式，靈活的借用了柔軟的構(gòu)件，完成了機(jī)械傳動的功能。其特別之處，通常是指它的傳動設(shè)備結(jié)構(gòu)具有重量輕、體積小的優(yōu)點，同時具備承載力大、傳動比高、效率高等優(yōu)點，同軸性好，回差小，也可以向密閉的空間進(jìn)行動力的傳遞。

諧波齒輪傳動是機(jī)器人實現(xiàn)運動功能的核心部件，是輕型工業(yè)機(jī)器人和機(jī)械臂可靠，精確運行不可或缺的零部件。目前超過60%的諧波齒輪傳動應(yīng)用在機(jī)器人工業(yè)系統(tǒng)當(dāng)中[1]。我國于2014年5月已發(fā)布《機(jī)器人用諧波齒輪減速器》標(biāo)準(zhǔn)（GB/T30819--2014）。日本本田公司仿生機(jī)器人ASIMO的手臂與腿部至少使用了24套諧波齒輪傳動裝置；美國NASN發(fā)射的火星機(jī)器人每個則使用了19套諧波齒輪傳動裝置。諧波齒輪傳動已成為現(xiàn)代工業(yè)重要的基礎(chǔ)部件。

2 工業(yè)機(jī)器人介紹

機(jī)器人（robot）是能夠根據(jù)指令自動執(zhí)行工作的機(jī)器裝置，它既可以受人類實時指揮，又可以運行預(yù)先編輯的程序，還可以根據(jù)人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)來完成相關(guān)工作[2]。它的任務(wù)是協(xié)助或取代人類重復(fù)性或危險性較高的工作。工業(yè)機(jī)器是機(jī)器人的一種，是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手（臂）或多自由度的機(jī)器裝置。

2.1 工業(yè)機(jī)器人的基本組成

工業(yè)機(jī)器人由3大部分及6個子系統(tǒng)組成，如圖2所示。3大部分一是機(jī)械部分，二是傳感部分，三是控制部分。6個子系統(tǒng)包括機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)和環(huán)境交互系統(tǒng)。本文主要對其中的的驅(qū)動系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行說明。

圖2 工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)組成

2.1.1 驅(qū)動系統(tǒng)

驅(qū)動系統(tǒng)是一種由多項結(jié)構(gòu)組成的綜合裝置，其包括動力裝置、調(diào)節(jié)裝置、輔助裝置。要使得機(jī)器人設(shè)備正常工作，順利進(jìn)行運作，就需要為機(jī)器人的不同部位裝設(shè)傳感裝置以及動力體系，這一綜合體系就是驅(qū)動系統(tǒng)[3]。

為機(jī)器人提供原動力常用的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、氣壓傳動和機(jī)械傳動。根據(jù)需要也可由這三種基本類型組合完成復(fù)合式的驅(qū)動系統(tǒng)，還可以是直接驅(qū)動或者通過同步帶、輪系、諧波齒輪等機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行間接驅(qū)動。

2.1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)主要由四大部分構(gòu)成：機(jī)身、臂部、腕部和手部。每一部分都有若干自由度，構(gòu)成一個多自由度的機(jī)械系統(tǒng)，有的還增設(shè)行走機(jī)構(gòu)。手部即與物件接觸的部分，常用的手部運動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型。手腕是連接手部和手臂的部件，可用來調(diào)整被抓取物件的方位。手臂是支撐被抓物件、手部、手腕的重要部分，其作用是帶動手部去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運到指定位置。

2.2 五自由度機(jī)械臂結(jié)構(gòu)介紹

傳統(tǒng)機(jī)械臂占地空間大，在某些特定的工作場所需要一種占用空間小，動作靈活的多自由度機(jī)械臂。通過對機(jī)械臂結(jié)構(gòu)分析，重點要考慮機(jī)械臂的動力源和動力傳動方式。實驗可知采用諧波齒輪驅(qū)動機(jī)械臂具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動精度高、體積小、承載力大、重量輕等優(yōu)點。如圖3所示，機(jī)械臂的運動軸包括——手臂升降軸（Arm Elevator）、手臂伸展軸（Shaulder）、夾爪傾斜軸（Tilt）、手爪旋轉(zhuǎn)（Wrist）和抓取軸（Gripper），一共為5軸，即五自由度機(jī)械臂。

圖3 五自由度機(jī)械臂

五自由度機(jī)械臂采用一個三軸懸掛機(jī)構(gòu)，外加一個腕節(jié)機(jī)構(gòu)，在三維空間中實現(xiàn)五自由度運動。原理是：腰部的回轉(zhuǎn)是通過直流調(diào)速電機(jī)再經(jīng)過一級齒輪傳動來實現(xiàn)；大臂、中臂和小臂的俯仰通過諧波齒輪傳動來實現(xiàn)；腕部的回轉(zhuǎn)則通過一級諧波再經(jīng)過二級齒輪來實現(xiàn)。鑒于機(jī)械臂從第一關(guān)節(jié)到末端抓手的重量較大，因此第一關(guān)節(jié)處電機(jī)需要提供巨大的扭矩來啟動和制動整個機(jī)械臂，而此處電機(jī)的體積也受到一定限制，另外該處運動精度要求更高，設(shè)計為諧波齒輪傳動裝置。

3 諧波齒輪傳動運動精度影響因素分析

3.1 傳動誤差

傳動誤差是衡量諧波齒輪傳動的運動精度重要指標(biāo)之一。依其薄殼彈性變形理論，對機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的回差、剛度誤差和傳動誤差進(jìn)行分析，諧波裝置的三個部件的加工誤差以及裝配誤差，即剛輪、柔輪及波發(fā)生器部件在加工和裝配時產(chǎn)生的誤差，都是主要的運動誤差源[4]。諧波齒輪傳動由于具有同時參與嚙合的齒對數(shù)較多的特點，因此對運動誤差有補(bǔ)償作用，這就使得諧波齒輪傳動機(jī)構(gòu)和普通齒輪傳動機(jī)構(gòu)相比，前者的運動誤差較小。通過剛輪周節(jié)誤差的大小所引起的系統(tǒng)傳動精度的變化情況分析，系統(tǒng)的傳動精度與影響因素（剛輪周節(jié)誤差）的大小之間呈線性關(guān)系。

3.2 誤差測試

諧波齒輪傳動誤差可以通過理論計算確定，但由于影響因素較多，理論計算結(jié)果只能是近似值，而且誤差的測試大多屬于靜態(tài)測試，僅能顯示低頻成分，反映不了傳動誤差的高頻成分，因此需要設(shè)計諧波齒輪傳動誤差動態(tài)測試系統(tǒng)來完成。諧波齒輪傳動機(jī)構(gòu)和普通齒輪傳動機(jī)構(gòu)相比，前者的運動誤差曲線具有高頻化的特點，這是因為諧波齒輪機(jī)構(gòu)的三個構(gòu)件在加工以及安裝的過程中均出現(xiàn)了低頻誤差高頻化的現(xiàn)象。

3.3 “拍頻”現(xiàn)象

通過分析諧波齒輪傳動的運動誤差曲線，發(fā)現(xiàn)該曲線存在“拍頻”現(xiàn)象。諧波齒輪傳動誤差中，存在兩個頻率相差較小的傳動誤差分量，這是由于剛輪和柔輪的偏心向量產(chǎn)生的運動誤差頻率相差較小，這就形成了誤差曲線的“拍頻”現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

諧波齒輪傳動一般都是小模數(shù)齒輪，傳動裝置都有小體積和超小體積傳動裝置的特征，應(yīng)用在高精密運動控制的眾多機(jī)電一體化產(chǎn)品，在工業(yè)技術(shù)和自然科技領(lǐng)域盡顯優(yōu)勢，尤其在機(jī)器人行業(yè)應(yīng)用最為廣泛。諧波齒輪傳動已成為現(xiàn)代工業(yè)重要的基礎(chǔ)部件。機(jī)器人是先進(jìn)制造技術(shù)和自動化裝備的典型代表，它涉及機(jī)械、電子、自動化控制、計算機(jī)、人工智能、傳感器、通信和網(wǎng)絡(luò)等多個學(xué)科，是多種高新技術(shù)不斷發(fā)展的綜合體現(xiàn)，因此它的發(fā)展與眾多學(xué)科發(fā)展緊密相連。

[1]李召華，楊 帆，韓 梅.諧波齒輪傳動裝置的傳動精度分析[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2010，23（2）:9-11.

[2]王保軍，滕少峰.工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2015.

[3]王 凱.塑料諧波齒輪傳動可行性研究[C]//烏魯木齊:新疆機(jī)械工程學(xué)會，2016.

[4]蘭 虎.工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

Application Analysis of Harmonic Gear Drive in Industrial Robot Field

WANG Kai
（XianYang Vocational&Technical College，Xianyang Shaanxi 712000，China）

Harmonic gear drive，with its unique structural characteristics，has become an important basic component of modern industry.More than 60%of harmonic gear drive is applied in robot industrial system.The harmonic gear drive structure of five degree of freedom mechanical arm is analyzed.The robot operating mechanism has two kinds of motion joints，which are rotating joint and moving joint，and the joint motion is most often driven by servo motor，which is driven by mechanical transmission.The design uses harmonic gear drive to realize the deceleration drive，which involves many factors affecting the motion accuracy，and analyzes the error source and the mechanism.

harmonic gear transmission；robot；5-DOF manipulator；motion precision

TP242.2

B

1672-545X（2017）10-0003-03

2017-07-23

王 凱（1962-），男，陜西咸陽人，副教授，本科，研究方向：機(jī)械工程。