機(jī)械臂是指高精度，高速點(diǎn)膠機(jī)器手，機(jī)械臂是一個(gè)多輸入多輸出、高度非線性、強(qiáng)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)。因其獨(dú)特的操作靈活性， 已在工業(yè)裝配， 安全防爆等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

機(jī)械臂是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)， 存在著參數(shù)攝動(dòng)、外界干擾及未建模動(dòng)態(tài)等不確定性。因而機(jī)械臂的建模模型也存在著不確定性，對(duì)于不同的任務(wù)， 需要規(guī)劃機(jī)械臂關(guān)節(jié)空間的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而級(jí)聯(lián)構(gòu)成末端位姿。

機(jī)器人系統(tǒng)是由視覺傳感器、機(jī)械臂系統(tǒng)及主控計(jì)算機(jī)組成，其中機(jī)械臂系統(tǒng)又包括模塊化機(jī)械臂和靈巧手兩部分。整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)建模型如圖1 所示

輕型機(jī)械臂模塊關(guān)節(jié)機(jī)械設(shè)計(jì)方案

電機(jī)：直流無刷電機(jī)，參數(shù)為供電電壓，額定電流，極對(duì)數(shù)，額定扭矩，額定轉(zhuǎn)速，電機(jī)尺寸；

諧波減速器：諧波減速器是關(guān)節(jié)動(dòng)力傳動(dòng)中的關(guān)鍵部件，關(guān)節(jié)剛輪的大小基本上決定了整個(gè)關(guān)節(jié)的徑向尺寸，要求諧波減速器的尺寸要盡可能小，同時(shí)保證較高的旋轉(zhuǎn)精度；

增量式編碼器：基于電機(jī)端的增量式編碼器來控制電機(jī)的速度環(huán)實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡單，可靠性高。

制動(dòng)器：為防止意外斷電時(shí)機(jī)械臂由于重力繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，需要在關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)時(shí)加入制動(dòng)將轉(zhuǎn)軸抱死，為能夠快速可靠的制動(dòng)，制動(dòng)器的制動(dòng)力矩要大于電機(jī)的最大輸出力矩。

絕對(duì)編碼器：絕對(duì)式編碼器用于測(cè)量關(guān)節(jié)輸出軸轉(zhuǎn)過的角度，絕對(duì)式編碼器包含單圈絕對(duì)式和多圈絕對(duì)式。

軸承：軸承對(duì)轉(zhuǎn)軸和輸出軸進(jìn)行支承，軸承的安裝和旋轉(zhuǎn)精度將會(huì)直接影響關(guān)節(jié)的傳動(dòng)效率和轉(zhuǎn)動(dòng)精度，關(guān)節(jié)傳動(dòng)軸通過一對(duì)深溝球軸承進(jìn)行支承，關(guān)節(jié)輸出軸采用精度更高的交叉滾子軸承支承，減小整個(gè)關(guān)節(jié)質(zhì)量并提高傳動(dòng)精度。

模塊化關(guān)節(jié)由電機(jī)、減速器、傳感器、制動(dòng)器、控制器和電器接口組成。為縮小關(guān)節(jié)體積，減小質(zhì)量，關(guān)節(jié)采用扭矩大體積小的電機(jī)，選用安裝方便質(zhì)量較輕的諧波減速器作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

速度傳感器（增量編碼器）安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)軸一端，位置傳感器（絕對(duì)編碼器）安裝在輸出軸上，控制關(guān)節(jié)的速度與位置。核心部件都已標(biāo)出，關(guān)節(jié)傳動(dòng)路線簡單高效，安裝拆卸方便，基本上所有的零件均以殼體作為定位，在關(guān)節(jié)后端留出足夠的空間用來安裝控制器和制動(dòng)器。

關(guān)節(jié)與關(guān)節(jié)之間通過徑向螺釘孔進(jìn)行連接。所有需要加工的零件均采用 7075 硬質(zhì)鋁合金進(jìn)行加工，根據(jù)安裝需要確定各零件的表面粗糙度和形位誤差以及配合公差。在兩類關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)的過程中為減少特定傳感器定制的成本，通過調(diào)節(jié)零件的尺寸，減少增量式編碼器和絕對(duì)式編碼器的種類。

關(guān)節(jié)動(dòng)力來自于轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸套入電機(jī)轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)軸一端通過 61806 軸承支承在殼體上，另一端通過 61809 軸承支承在定定子套筒上。轉(zhuǎn)軸末端連接諧波減速器的波發(fā)生器，將動(dòng)力傳遞至諧波減速器。鋼輪和定子套筒固定在殼體上，定子套筒末端開口設(shè)計(jì)用于電機(jī)信號(hào)線的穿過。

動(dòng)力經(jīng)過諧波減速器減速增矩后由柔輪進(jìn)行輸出，柔輪與輸出軸剛性連接通過交叉滾子軸承支承在殼體上，作為整個(gè)關(guān)節(jié)的動(dòng)力輸出。轉(zhuǎn)軸大端連接轉(zhuǎn)接頭安裝增量式編碼器磁環(huán)和制動(dòng)器銜鐵，用于實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度測(cè)量和失電制動(dòng)。為保證諧波減速器的安裝精度，相鄰零件間均采用止口定位。關(guān)節(jié)采用增量式編碼器測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)軸關(guān)節(jié)速度，采用絕對(duì)式編碼器測(cè)量輸出軸關(guān)節(jié)角度。