[发明专利]一种多自由度机器人腕部电机、减速器的计算与选型方法

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。

主权项

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·m，由下述公式(1)计算得到输出功率Pe，单位：KW，则由功率范围系数确定初选电机的额定输出范围：Pe=T·ω9550.6---(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(3)计算得到最小减速比；iMIN1＝T/(T电机额定·0.7·η)                            (2)其中，T为手腕允许力矩，T电机额定为电机的额定扭矩，η为传动效率，I为手腕允许惯量，N电机为负载电机惯量比，若电机产品数据库无此参数，则取15，I电机为电机转动惯量，0.7为经验系数；比较iMIN1和iMIN2，两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iMAX：iMAX＝N电机MAX/(ω/6)                             (4)其中N电机MAX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：ω=6ni·igear---(5)]]>其中n为电机转速，i为减速器减速比，igear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：T＝T电机额定·0.7·η·igear·i                    (6)其中，T电机额定为电机的额定扭矩，η为传动效率，i为减速器减速比，igear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：iMAX=6nω·igear---(7)]]>其中n为电机转速，ω为最大运动速度，igear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：iMIN1＝T/(T电机额定·0.7·η·igear)                   (8)其中，T为手腕允许力矩，T电机额定为电机的额定扭矩，η为传动效率，I为手腕允许惯量，N电机为负载电机惯量比，I电机为电机转动惯量，igear为齿轮减速比，0.7为经验系数；比较iMIN1和iMIN2，两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，igear为齿轮减速比。