一种多自由度机器人腕部电机、减速器的计算与选型方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于机器人技术与应用领域，设及到一种机器人腕部关节的电机、减速器 的计算与选型方法，该方法主要针对多自由度机器人的腕部关节，使得多自由度机器人的 腕部电机和减速器能满足性能要求。
【背景技术】
[0002] 机器人的应用情况是一个国家工业自动化水平的重要标志，机器人已经迅速渗透 到许多领域并呈现出强劲的发展态势，如工业、农业、航空航天、海洋W及国防等。机器人的 应用越来越广泛，对机器人性能的要求也越来越高，而机器人的性能，如定位精度、速度W 及加速度等，都与电机、减速器的选用息息相关。选用最符合性能要求电机、减速器，既是机 器人正常工作运行的保证，又能降低机器人成本，避免电机、减速器在性能上的浪费。
[0003] 传统的电机、减速器选型通常是先按照工作条件计算出输出功率、传动比、输出转 速、输出转矩等参数，再依据该些确定的参数尽量选用接近理想输出功率、减速比等参数的 电机、减速器，而该个过程依靠人为的查询机械设计手册，初选，然后验算选取的电机、减速 器的型号是不是符合初选要求，而往往初选的时候会考虑多种电机减速器进行对比，该就 加大了查询手册和计算的工作量，人为操作起来难度大，效率也比较低。
[0004] 随着对机器人的需求量不断增加W及电机、减速器的种类、品牌、型号越来越多， 纯粹依靠工作经验丰富的技术人员选择电机、减速器已经不符合高速发展的选型技术要 求；而电机、减速器销售人员也不可能都具有机械行业的专业素养，对电机、减速器的各个 特征参数和选型的结果不能提供很客观的建议，难W说服客户选择较为符合要求的电机减 速器。
[0005] 综上所述，电机、减速器计算与选型方法有利于减小机器人设计的难度，减轻设计 人员的计算量和工作量，提高设计效率，而且还能提供更多的电机、减速器选型方案，有利 于销售人员向用户推销合适的电机、减速器型号。对机器人性能的提高及成本的降低都很 有益。
【发明内容】
[0006] 为了克服计算选型参数、查询机械产品手册的工作量大、效率低等缺点，本发明提 供一种多自由度机器人腕部电机、减速器计算与选型方法。该方法能根据机器人的设计技 术指标，计算出最符合性能要求的匹配的电机、减速器参数和型号。
[0007] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
[000引一种多自由度机器人腕部电机、减速器计算与选型方法，在机器人机械本体已设 计完成的基础上，根据机器人的设计指标一最大运动速度、手腕允许力矩、手腕允许惯量， 在确定电机、减速器系列的情况下，计算电机、减速器参数并选取电机、减速器型号；在对电 机、减速器系列无要求的情况下，只计算电机、减速器的一些参数。
[0009](一）已确定电机、减速器系列的情况下的计算与选型
[0010] (1)建立电机产品数据库和减速器产品数据库
[0011] 电机数据库的主要参数有；额定输出、额定扭矩、瞬时最大扭矩、最高转速、转子转 动惯量、负载电机惯量比等。
[0012] 减速器数据库的主要参数有；速比值、输出转矩、瞬时最大允许力矩、允许最高输 出转速、惯性力矩等。
[0013] 2)初选电机、减速器
[0014] 通过下述=个设计指标来确定电机和减速器。该=个设计指标是最大运动速度 ?、手腕允许力矩T和手腕允许惯量（即最大允许转动惯量）I。
[0015] 由于多自由度机器人腕部关节的结构设计原因，电机与减速器并不能直接相连， 还需要齿轮机构传递。齿轮机构具有一定的减速比，减速比一般在1-3范围内。因此，电机 减速器自动计算与选型还需要提供齿轮减速比ig。。,。
[0016] 最大运动速度《的单位是度每秒（° /s)，手腕允许力矩T的单位是N，m，由下述 公式（1)计算得到输出功率Pe，单位；KW，则由功率范围系数可W确定初选电机的额定输出 范围。 T -妨 / 1、
[0017] Pe = - (1) 9550.6
[001引在选择的某一系列的所有电机额定输出中，在此额定输出范围内的电机即为符合 要求的电机，即可W初步确定电机型号，也就得到初选电机的产品数据库，包括所有符合条 件的电机的瞬时最大扭矩、最高转速、转子转动惯量、负载电机惯量比等。
[0019] 由公式（2)和（3)计算得到最小减速比。
【主权项】
1. 一种多自由度机器人腕部电机、减速器的计算与选型方法，其特征在于， (一）已确定电机、减速器系列的情况下的计算与选型 1) 建立电机产品数据库和减速器产品数据库 电机数据库的主要参数：额定输出、额定扭矩、瞬时最大扭矩、最高转速、转子转动惯 量、负载电机惯量比； 减速器数据库的主要参数：速比值、输出转矩、瞬时最大允许力矩、允许最高输出转速、 惯性力矩； 2) 初选电机、减速器 通过下述三个设计指标来确定电机和减速器：最大运动速度ω、手腕允许力矩T和手 腕允许惯量I ;齿轮机构的减速比在1-3范围内； 最大运动速度ω的单位是度每秒° /s，手腕允许力矩T的单位是N ·πι，由下述公式 (1)计算得到输出功率Pe，单位：KW，则由功率范围系数确定初选电机的额定输出范围：
(1) 选择的某一系列的所有电机额定输出中，额定输出范围内的电机即为符合要求的电 机，即初步确得到初选电机的产品数据库； 由公式（2)和⑶计算得到最小减速比；
其中，τ为手腕允许力矩，Twitjg为电机的额定扭矩，η为传动效率，I为手腕允许惯 量，Nwa为负载电机惯量比，若电机产品数据库无此参数，则取15,1为电机转动惯量，0. 7 为经验系数； 比较iMIN1和i ΜΙΝ2，两者之间数值大者即为最小减速比iMIN; 再由公式（4)确定最大减速比!Lmax: ?μχ - N 电机魅χ/(ω/6) (4) 其中 N电机MX 为电机最大转速，ω为最大运动速度； 由最大、最小减速比除去齿轮减速比，得到减速器的减速比； 3) 验证电机、减速器 验证条件1 :减速器允许力矩大于手腕允许力矩T ; 验证条件2 :电机的瞬时最大扭矩大于换算到电机轴上的最大扭矩； 验证条件3 :电机的最大转速大于换算到电机轴上的最大转速； 这三个验证条件都满足，则这对匹配的电机减速器即满足设计指标的要求；如果有其 中任一个条件不满足，则该对电机减速器不符合性能要求，不能选用； 4) 计算改进后的运动参数 由以上计算及选型确定一对同时符合条件的的电机、减速器型号时，根据电机、减速器 的性能重新计算机器人腕部的最大运动速度和手腕允许力矩； 由下述公式（5)得到机器人腕部最大运动速度，则机器人腕部达到的最大运动速度：
(5) 其中η为电机转速，i为减速器减速比，ig_为齿轮减速比； 由下述公式（6)得到机器人腕部的允许力矩，则在此电机、减速器的配置下，机器人手 腕允许力矩： τ = τ电机额定· 〇· 7 · η · igear · i (6) 其中，为电机的额定扭矩，为传动效率，i为减速器减速比，Ual?为齿轮减速 比，0.7为经验系数； (二）未确定电机、减速器系列的情况下的计算 由公式（1)和功率范围系数确定初选电机的额定输出范围； 选择电机转速，由下述公式（7)计算得到减速器的最大减速比：
其中η为电机转速，ω为最大运动速度，ig_为齿轮减速比； 输入电机额定扭矩、转动惯量和电机负载惯量比，由下述公式（8)和（9)计算得到最小 减速比：
其中，τ为手腕允许力矩，Twitjg为电机的额定扭矩，η为传动效率，I为手腕允许惯 量，Nwa为负载电机惯量比，Iwa为电机转动惯量，ig_为齿轮减速比，0. 7为经验系数； 比较iMIN1和i MIN2，两者之间数值大者即为减速器的最小减速比iMIN; 由减速比范围，确定减速比，则根据下述公式（10)得到电机最大允许力矩：
其中，T为手腕允许力矩，i为减速器减速比，ig_为齿轮减速比。
【专利摘要】本发明公开了一种多自由度机器人腕部电机、减速器的计算与选型方法，属于机器人技术与应用领域。该方法在机器人机械本体已设计完成的基础上，根据机器人的设计指标—最大运动速度、手腕允许力矩、手腕允许惯量，在确定电机、减速器系列的情况下，计算电机、减速器参数并选取电机、减速器型号；在对电机及减速器系列无要求的情况下，只计算电机及减速器的参数。该电机与减速器选型方法主要针对多自由度机器人腕部电机、减速器的计算与选型，具有选型范围广、计算快、效率高、选型准确等特点，克服计算选型参数、查询设计手册的计算量大、效率低的缺点。
【IPC分类】G06F19-00
【公开号】CN104537244
【申请号】CN201410850064
【发明人】丛明, 杨小磊, 刘冬, 白云飞, 温海营, 郑华栋, 董航
【申请人】大连理工大学
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2014年12月31日