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摘要：对国内外一体化关节及协作机器人进行研究，概述国内外相关技术的发展现状，研制了集高负质比减速机、中空电机、力矩传感器、双编码器和智能驱动器于一体的多系列一体化机器人关节，开展了负载和精度测试试验，并与国内外主要一体化关节性能进行对比。基于一体化关节搭建了二轴、六轴和七轴机器人，实现机器人各关节分布式控制，解决机器人研发制造的模块化、适用性和重构性。
关键词：机器人关节;协作机器人;研发;模块化
引言：
机电控一体化机器人关节是人机协作机器人的核心组成单元，作为机器人核心零部件之一，也是人机协作机器人的重要研究方向。目前，世界制造业对柔性、智能、个性化制造有着强劲的需求，协作机器人作为机器人的重要分支，自诞生以来，已取得了高速发展，产业化进程不断加速，应用领域不断拓展。人机协作型机器人具有人机优势互补、操作灵巧、工作效率高等突出优点，必将成为未来柔性制造中不可替代的重要部分。除制造业以外，先进的人机协作机器人还可广泛应用于服务业、3C 电子、汽车零部件等多个行业领域及核能、载人航天、探月等特殊领域，具有广阔发展前景。
一体化机器人关节主要分为“T型”和“I型”结构，其中“T型”结构安装面与输出面垂直，具备一定的防尘防水等级，“I型”结构安装面与输出面平行，结构更紧凑，一般嵌入式安装于机器人壳体内部。基于一体化机器人关节搭建的六轴/七轴协作臂，具有模块化的特点，方便机器人的安装与维护。
1、一体化机器人关节设计
1.1一体化机器人关节结构
一体化机器人关节，主要由力矩电机、谐波减速机、绝对值编码器、增量编码器、伺服驱动器和扭矩传感器组成，以下对各部分概要阐述。
1.2无框力矩电机
一体化机器人关节采用无框力矩电机，电机定子与关节壳体之间一般通过耐高温树脂胶粘接或过盈配合连接。电机转子与电机轴之间一般通过树脂胶粘接。无框力矩电机较大的直径长度比和较多数目的磁极，保证了电机的大扭矩输出性能和低转速特性，其转子中空结构，方便关节的内部走线。
1.3定制谐波减速机
高精度、高传动比谐波减速机是一体化机器人关节的核心传动部件，其可实现大传动比、小体积、高精度传动。减速机结构一般选用一体式高扭矩加长凸轮轴结构，柔轮为中空翻边结构，无框力矩电机转子直接连接在加长凸轮轴上。也有使用“三组件（柔轮、钢轮、波发生器）”谐波减速机，在结构上使关节整体更加紧凑，但存在由装配精度不高而产生异响和振动的风险。
1.4中空编码器
一体化机器人关节大部分采用双编码器方案，增量编码+单圈绝对值编码器，其中增量编码器检测电机端，绝对值编码器检测减速机输出端，双编码器结构方案可通过伺服控制来补偿谐波减速机的背隙，提高关节输出的旋转精度。采用多圈绝对值单编码器方案的一体化关节，优点是结构简单，但是需要编码器电池供电，关节的机械精度完全由谐波减速机自身来保证，目前常用的编码器有：透射/反射式式光电增量编码器、电容式绝对值编码器、磁绝对值编码器，编码器位数一般选用16-18位。
1.5 关节伺服驱动器
关节伺服驱动器采用基于FPGA+ARM+DSP分布式CPU架构的设计，全数字式驱动控制技术，硬件结构简单，参数方便调整，可集成复杂的电机控制算法和智能化控制功能，如增益自动调整、网络通讯等功能，EtherCAT主从站通信技术保证了机械臂各个关节高实时性、高可靠性。
1.6 关节力矩传感器
力矩传感器用于准确测量一体化关节输出端力矩，从而更好地实现机器人的力矩控制、碰撞检测、阻抗控制等先进动力学控制算法。对于安装力矩传感器的关节，都需要采用进行力矩标定测试，从而精确拟合出关节的力矩系数。
1.7关节制动器
一体化机器人关节使用摩擦片式制动器，如LBRiiwa、遨博机器人关节，使用齿销式制动器，如优傲机器人、科尔摩根关节等，也有无制动器的关节，如KinovaJaco和Fetch机器人的关节。
2、一体化机器人研制与测试
基于一体化关节设计技术，研制了“T型”和“I型”结构系列关节，都采用双编码器结构形式，关节型号包括14、17、20、20、32五个系列。关节负载和定位精度是关节的两个基本指标，通过对关节的试验测试，得到关节的参数如表所示。
3、一體化机器人关节应用
基于研制的一体化机器人关节，搭建了六轴和七轴机械臂，六轴机械臂配置三台25型和三台14型“T型”一体化关节，臂展850mm负载5Kg，七轴机械臂配置三台25型、一台20型和三台14“I型”型一体化关节，臂展920mm负载4Kg，机械臂各关节之间采用总线EtherCAT总线通信，关节内部中空走线，通过对机械臂的精度和负载测试，性能达到设计要求。
4、结语
本文提出一体化机器人关节“T型”和“I型”两大结构类型分类，通过对一体化机器人关节结构的分析及主要零部件的研究，得出了一体化关节的一般设计方法。研制及测试了两种系列关节，开展六轴/七轴机械臂的应用，提出以一体化机器人关节设计及应用的几个注意点：1） 谐波减速机选型与力矩电机参数要匹配，避免电机过载超过谐波的额定负载转矩，或电机扭矩低导致关节扭矩不够;2）关节编码器选型要参考关节的环境和电磁兼容性能，如光电编码器要防止粉尘污染，磁编码器要做电磁屏蔽，电容式编码器要防止过热等;3）摩擦片式关节制动器与光电编码器搭配使用要充分考虑摩擦片性能，防止摩擦产生粉尘;4）反射式光编码器安装容差比透射式光编码器高，更容易安装调试;5）一体化关节在机械臂上的应用，要保证各轴之间屏蔽与接地，各关节的伺服参数调试影响机械臂的整体性能，如机械臂抖动和精度等。
关键词：机器人关节;协作机器人;研发;模块化
引言：
机电控一体化机器人关节是人机协作机器人的核心组成单元，作为机器人核心零部件之一，也是人机协作机器人的重要研究方向。目前，世界制造业对柔性、智能、个性化制造有着强劲的需求，协作机器人作为机器人的重要分支，自诞生以来，已取得了高速发展，产业化进程不断加速，应用领域不断拓展。人机协作型机器人具有人机优势互补、操作灵巧、工作效率高等突出优点，必将成为未来柔性制造中不可替代的重要部分。除制造业以外，先进的人机协作机器人还可广泛应用于服务业、3C 电子、汽车零部件等多个行业领域及核能、载人航天、探月等特殊领域，具有广阔发展前景。
一体化机器人关节主要分为“T型”和“I型”结构，其中“T型”结构安装面与输出面垂直，具备一定的防尘防水等级，“I型”结构安装面与输出面平行，结构更紧凑，一般嵌入式安装于机器人壳体内部。基于一体化机器人关节搭建的六轴/七轴协作臂，具有模块化的特点，方便机器人的安装与维护。
1、一体化机器人关节设计
1.1一体化机器人关节结构
一体化机器人关节，主要由力矩电机、谐波减速机、绝对值编码器、增量编码器、伺服驱动器和扭矩传感器组成，以下对各部分概要阐述。
1.2无框力矩电机
一体化机器人关节采用无框力矩电机，电机定子与关节壳体之间一般通过耐高温树脂胶粘接或过盈配合连接。电机转子与电机轴之间一般通过树脂胶粘接。无框力矩电机较大的直径长度比和较多数目的磁极，保证了电机的大扭矩输出性能和低转速特性，其转子中空结构，方便关节的内部走线。
1.3定制谐波减速机
高精度、高传动比谐波减速机是一体化机器人关节的核心传动部件，其可实现大传动比、小体积、高精度传动。减速机结构一般选用一体式高扭矩加长凸轮轴结构，柔轮为中空翻边结构，无框力矩电机转子直接连接在加长凸轮轴上。也有使用“三组件（柔轮、钢轮、波发生器）”谐波减速机，在结构上使关节整体更加紧凑，但存在由装配精度不高而产生异响和振动的风险。
1.4中空编码器
一体化机器人关节大部分采用双编码器方案，增量编码+单圈绝对值编码器，其中增量编码器检测电机端，绝对值编码器检测减速机输出端，双编码器结构方案可通过伺服控制来补偿谐波减速机的背隙，提高关节输出的旋转精度。采用多圈绝对值单编码器方案的一体化关节，优点是结构简单，但是需要编码器电池供电，关节的机械精度完全由谐波减速机自身来保证，目前常用的编码器有：透射/反射式式光电增量编码器、电容式绝对值编码器、磁绝对值编码器，编码器位数一般选用16-18位。
1.5 关节伺服驱动器
关节伺服驱动器采用基于FPGA+ARM+DSP分布式CPU架构的设计，全数字式驱动控制技术，硬件结构简单，参数方便调整，可集成复杂的电机控制算法和智能化控制功能，如增益自动调整、网络通讯等功能，EtherCAT主从站通信技术保证了机械臂各个关节高实时性、高可靠性。
1.6 关节力矩传感器
力矩传感器用于准确测量一体化关节输出端力矩，从而更好地实现机器人的力矩控制、碰撞检测、阻抗控制等先进动力学控制算法。对于安装力矩传感器的关节，都需要采用进行力矩标定测试，从而精确拟合出关节的力矩系数。
1.7关节制动器
一体化机器人关节使用摩擦片式制动器，如LBRiiwa、遨博机器人关节，使用齿销式制动器，如优傲机器人、科尔摩根关节等，也有无制动器的关节，如KinovaJaco和Fetch机器人的关节。
2、一体化机器人研制与测试
基于一体化关节设计技术，研制了“T型”和“I型”结构系列关节，都采用双编码器结构形式，关节型号包括14、17、20、20、32五个系列。关节负载和定位精度是关节的两个基本指标，通过对关节的试验测试，得到关节的参数如表所示。
3、一體化机器人关节应用
基于研制的一体化机器人关节，搭建了六轴和七轴机械臂，六轴机械臂配置三台25型和三台14型“T型”一体化关节，臂展850mm负载5Kg，七轴机械臂配置三台25型、一台20型和三台14“I型”型一体化关节，臂展920mm负载4Kg，机械臂各关节之间采用总线EtherCAT总线通信，关节内部中空走线，通过对机械臂的精度和负载测试，性能达到设计要求。
4、结语
本文提出一体化机器人关节“T型”和“I型”两大结构类型分类，通过对一体化机器人关节结构的分析及主要零部件的研究，得出了一体化关节的一般设计方法。研制及测试了两种系列关节，开展六轴/七轴机械臂的应用，提出以一体化机器人关节设计及应用的几个注意点：1） 谐波减速机选型与力矩电机参数要匹配，避免电机过载超过谐波的额定负载转矩，或电机扭矩低导致关节扭矩不够;2）关节编码器选型要参考关节的环境和电磁兼容性能，如光电编码器要防止粉尘污染，磁编码器要做电磁屏蔽，电容式编码器要防止过热等;3）摩擦片式关节制动器与光电编码器搭配使用要充分考虑摩擦片性能，防止摩擦产生粉尘;4）反射式光编码器安装容差比透射式光编码器高，更容易安装调试;5）一体化关节在机械臂上的应用，要保证各轴之间屏蔽与接地，各关节的伺服参数调试影响机械臂的整体性能，如机械臂抖动和精度等。