基于尺度律的轻量化协作机器人关节传动系统优化选型

协作机器人关节是协作机器人总重量的主要来源,其核心部分是由电机和谐波减速器组成的传动系统,决定着整个关节的重量和性能。实现关节轻量化设计的关键是对电机和减速器进行优化选型。为了解决协作机器人结构笨重、功耗高等问题,提出了一种基于尺度律的关节传动系统的优化选型方法。首先,建立了关节传动系统的动态模型,并确定了电机和减速器的选择条件;然后,构建了以电机和减速器重量最小化为目标的优化函数;因所提出的优化函数涉及众多参数,需要首先对其进行简化,据此提出了一种尺度律的方法,将优化函数简化为仅由电机堵转转矩和减速比两个参数组成,并用电机和减速器实际数据对尺度律的正确性进行了验证;最后,为了对基于尺度律的优化选型方法的有效性进行验证,参照市售的机器人关节性能参数,分别进行了仿真实验和实际试验,并完成了最终的关节设计。研究结果表明:在仿真实验中,采用该选型方法得到的电机和减速器重量相较于关节原始设计重量减轻了约20%,从而验证了该方法的有效性;在实际的选型试验中,选型得到的电机和减速器的总重量相较于原始设计减轻了18%,从而进一步验证了该方法可以满足关节轻量化的设计要求。