最近我在觀察機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的過程中，把關(guān)注點(diǎn)放在了協(xié)作機(jī)器人上。一方面，以UR為代表的協(xié)作機(jī)器人近幾年來市場(chǎng)表現(xiàn)不俗；另一方面，UR機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)確實(shí)有諸多創(chuàng)新點(diǎn)。說句實(shí)在話，在機(jī)械設(shè)計(jì)這個(gè)發(fā)展得比較成熟的行當(dāng)里面，能做到一點(diǎn)創(chuàng)新就已經(jīng)了不起了。但是，天才的UR聯(lián)合創(chuàng)始人Esben ?stergaard居然能夠做到多項(xiàng)機(jī)構(gòu)和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，令我等佩服得五體投地。首先是機(jī)構(gòu)上的創(chuàng)新，UR機(jī)器人首次突破了傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的PUMA型，但這不是本文關(guān)注的重點(diǎn)。借工作之便，我手頭剛好有一個(gè)維修替換下來的UR機(jī)器人關(guān)節(jié)。本文剖析UR關(guān)節(jié)里面的諸多創(chuàng)新之處，以饗大家。

薄壁件的殼罩密封

為了減重，UR關(guān)節(jié)的殼體件采用很薄的壁厚，但這給殼罩的密封設(shè)計(jì)帶來挑戰(zhàn)。在傳統(tǒng)的密封設(shè)計(jì)方法中，一般采取在殼罩和殼體的接觸面上挖一道密封槽。這就要求殼體和殼罩的接觸面具有一定的寬度，而這對(duì)部件的減重是不利的。UR關(guān)節(jié)的殼罩四周注塑有一道密封槽，里面嵌入O型圈，而與之接觸的殼體則將薄薄的殼臂直接壓入殼罩的密封槽，從而實(shí)現(xiàn)良好的密封。

不過，在這個(gè)巧妙的殼罩密封設(shè)計(jì)之余，還是存在一絲遺憾的，就是殼罩的螺釘沒能實(shí)現(xiàn)較好的密封。建議在螺釘頭的肩部墊上一層橡膠圈或氈圈。

迂回形狀的鏤空板有什么作用？

初次看到這個(gè)奇怪形狀的鋁板，不禁在猜這究竟有什么作用？從結(jié)構(gòu)上直觀看來，它只是起到固定過孔電纜的入孔端的作用。如果只是一個(gè)簡(jiǎn)單的固定支撐功能，那么實(shí)在沒有必要耗費(fèi)功夫加工成這么一個(gè)復(fù)雜的形狀。從形狀上看，有點(diǎn)像應(yīng)變片的載體，但是上面又沒有貼應(yīng)變片。

經(jīng)過一番思考，我突然想通了。請(qǐng)先允許我贊嘆一句。這真是一個(gè)巧妙絕倫的設(shè)計(jì)！這是奠定Esben ?stergaard在我心目中的設(shè)計(jì)天才地位的第一基石。下面我來給大家簡(jiǎn)單闡述一下這一個(gè)設(shè)計(jì)的原理。

過孔電纜一端固定在輸出端的中心，另一端固定在撓性板的中心，從而保持一定程度的繃直狀態(tài)。在初始狀態(tài)下，由于兩端的支撐作用，過孔電纜的中間段不會(huì)與中空管的內(nèi)壁接觸。在關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)過程中，過孔電纜的一端會(huì)隨著輸出端一起旋轉(zhuǎn)的，另一端隨機(jī)架保持不動(dòng)。我們知道，線束在扭轉(zhuǎn)時(shí)，兩端之間的距離會(huì)縮短一些。這時(shí)撓性板的軸向彈性作用會(huì)補(bǔ)償電纜的縮短距離而不至于給電纜施加較大的拉力。當(dāng)關(guān)節(jié)回到初始位置，撓性板在自身彈性的作用下將電纜的輸入端拉回初始狀態(tài)。因此，不管關(guān)節(jié)處于初始狀態(tài)還是旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，過孔電纜始終處于一定程度的繃直狀態(tài)。只有繃直狀態(tài)才能保證中間段不會(huì)與狹小的中空管的內(nèi)壁接觸，從而避免了接觸磨損。

雙編碼器

UR機(jī)器人關(guān)節(jié)配有兩個(gè)編碼器，如圖所示，其中一個(gè)是電機(jī)編碼器，另一個(gè)是關(guān)節(jié)編碼器。電機(jī)編碼器位于更靠近關(guān)節(jié)輸入端的位置，與電機(jī)轉(zhuǎn)子相連，用于測(cè)量轉(zhuǎn)子當(dāng)前位置。關(guān)節(jié)編碼器通過中空管與關(guān)節(jié)輸出端相連，用于測(cè)量關(guān)節(jié)輸出的角度。我的推測(cè)是，這兩個(gè)編碼器都是單圈絕對(duì)式編碼器。如有不對(duì)，請(qǐng)廣大同仁指正。

為什么需要兩個(gè)編碼器呢？我們知道，現(xiàn)在主流的工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)每個(gè)里面只含有一個(gè)單圈絕對(duì)式編碼器，計(jì)圈則用記憶電池。由于關(guān)節(jié)內(nèi)部是一個(gè)熱場(chǎng)，記憶電池不能置于關(guān)節(jié)內(nèi)部，只能用線引出來。在協(xié)作機(jī)器人關(guān)節(jié)里面，熱場(chǎng)效應(yīng)比工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)更明顯。由于中空走線的限制，記憶電池只好去掉了。那么隨之而來的一個(gè)問題是，電機(jī)的圈數(shù)如何記憶？UR機(jī)器人關(guān)節(jié)采用了一個(gè)關(guān)節(jié)編碼器，與關(guān)節(jié)輸出端連接。單圈絕對(duì)式的關(guān)節(jié)編碼器如何計(jì)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)呢？這里有一個(gè)前提，就是假設(shè)關(guān)節(jié)的輸出角度不會(huì)超過±180°。關(guān)節(jié)編碼器讀出的角度值乘上減速機(jī)的速比，然后除以360°，取整就得到電機(jī)的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)。電機(jī)編碼器讀出的角度是電機(jī)轉(zhuǎn)子在單圈內(nèi)的角度。兩個(gè)編碼器的數(shù)據(jù)合成就可以得到電機(jī)轉(zhuǎn)子的絕對(duì)位置。

再次強(qiáng)調(diào)一下，上述推斷的前提是機(jī)器人關(guān)節(jié)的輸出角度范圍在±180°之內(nèi)。我查詢了一下，UR機(jī)器人關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍為±360°?？墒牵?關(guān)節(jié)因自身碰撞的限制而不可能超過±180°。又查詢了一下，遨博機(jī)器人關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍為±175°。關(guān)于我所推測(cè)的雙編碼器原理邏輯上的沖突，因信息來源和時(shí)間有限我先不做結(jié)論。歡迎知道的同仁提供信息或指正。

電磁插銷式抱閘

UR機(jī)器人關(guān)節(jié)沒有采用主流工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)里面的電磁剎車片式抱閘，創(chuàng)新性地采用了電磁插銷式抱閘。先介紹一下電磁插銷式抱閘的工作原理。

下面通過幾張圖片來認(rèn)識(shí)一下電磁插銷式抱閘的相關(guān)零部件。

梅花形叉腳與電機(jī)軸相連。在電磁鐵未通電的狀態(tài)下，導(dǎo)向銷在復(fù)位彈簧的作用下彈起，其肩部剛好可以擋住梅花形叉腳。這時(shí)抱閘處于閉合狀態(tài)。在電磁鐵通電或手動(dòng)按下狀態(tài)下，導(dǎo)向銷下沉，其肩部低于梅花形叉腳。這時(shí)抱閘出于打開狀態(tài)。

電磁插銷式抱閘相比電磁剎車片式抱閘有下列優(yōu)點(diǎn)：1.軸向尺寸更緊湊；2.電磁線圈發(fā)熱量更小，散熱效果也更好；3.成本更低。但是，電磁插銷式抱閘也有一個(gè)缺點(diǎn)就是抱閘定位效果不好，電機(jī)有一個(gè)60°的活動(dòng)角度范圍。

關(guān)節(jié)快換式連接

UR機(jī)器人關(guān)節(jié)的連接從外部是看不到螺釘?shù)?，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)快換，這也是Esben ?stergaard的天才設(shè)計(jì)之一。下面我們就來剖析其精妙之處。因?yàn)橐粋€(gè)關(guān)節(jié)同時(shí)有兩個(gè)接口，而且這兩個(gè)接口在結(jié)構(gòu)尺寸上是配對(duì)的，所以可以用同一個(gè)關(guān)節(jié)來介紹關(guān)節(jié)快換式連接的原理。

首先將外六角螺釘預(yù)擰到連接臂桿的一端，接著將外六角螺釘插入關(guān)節(jié)輸出端面的鑰匙孔，輕扭轉(zhuǎn)動(dòng)約5°，然后對(duì)齊軸向止口，合緊，最后從如圖所示的狹縫中用外六角力矩扳手?jǐn)Q緊。UR機(jī)器人關(guān)節(jié)的另一個(gè)接口的連接與此類似，只不過組成接口的兩個(gè)端面的位置對(duì)調(diào)一下。

關(guān)節(jié)密封

除了前面提到的殼罩密封外，整個(gè)關(guān)節(jié)的密封還包括兩個(gè)快換式接口的密封。由于這兩個(gè)接口的形式是相同的，只需關(guān)注其中一個(gè)接口的密封設(shè)計(jì)就可以了。

在關(guān)節(jié)快換式連接一節(jié)中，我們提到有一道外六角扳手的操作間隙。UR機(jī)器人關(guān)節(jié)在輸出端面和殼體之間設(shè)置了柔性扁型環(huán)和特氟龍環(huán)來密封。耐磨且摩擦系數(shù)小的特氟龍環(huán)避免了柔性扁型環(huán)與殼體之間的直接摩擦。從摩擦匹配上來說，滑動(dòng)摩擦主要發(fā)生在柔性扁型環(huán)與特氟龍環(huán)之間。

有知友分析，上述關(guān)節(jié)密封設(shè)計(jì)不滿足IP54的要求。僅靠柔性扁型環(huán)和特氟龍環(huán)來防IPx4的水顯然是不行的，那么UR的保護(hù)等級(jí)IP54是否名不符實(shí)呢？我們來看下一張圖，輸出端面上有一道異形密封槽。由此我們可以推斷，上述外六角扳手操作間隙不屬于關(guān)節(jié)內(nèi)部，其防水密封做到了更里面。其實(shí)，上述密封設(shè)計(jì)只是起防塵作用的。

參考文獻(xiàn)

1.Universal Robots，UR5 Technical specifications，2016

2.北京遨博，遨博i產(chǎn)品宣傳手冊(cè)，2019

3.知乎，Universal Robots 的關(guān)節(jié)到底是怎么樣設(shè)計(jì)的？

4.Universal Robots，ServiceManual_UR5_zh_3.2.6，2019

5.Universal Robots，99212_UR5_User_Manual_zh_Global，2020

6.油管，UR 5 Joint Replacement Tutorial

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作者：來朝三博士