機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)制造中的應(yīng)用已經(jīng)越來(lái)越普遍了。但是大家有沒(méi)有仔細(xì)觀察過(guò)這些機(jī)器人手臂的關(guān)節(jié)。
比如上圖所示的就是傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人，可以很明顯看到在它們的關(guān)節(jié)上“外掛”的伺服電機(jī)，而除了我們能夠看見的電機(jī)，在這些關(guān)節(jié)里面其實(shí)還有著非常復(fù)雜的（諧波）減速機(jī)和制動(dòng)抱閘機(jī)構(gòu)，這使得機(jī)器人的關(guān)節(jié)變得異常“肥大”。
當(dāng)然，這對(duì)于許多大型機(jī)器人并不是什么太大的問(wèn)題。
但是對(duì)于那些正被越來(lái)越多的應(yīng)用于產(chǎn)線和設(shè)備周圍的小型機(jī)器人、尤其是需要配合人們完成各種復(fù)雜的輔助生產(chǎn)操作的協(xié)作機(jī)器人來(lái)說(shuō)，關(guān)節(jié)的尺寸就變得十分關(guān)鍵了。
此時(shí)，在這種小型機(jī)械臂中，通常需要使用上圖這種無(wú)框直接驅(qū)動(dòng)（力矩）電機(jī)，以減小機(jī)器人關(guān)節(jié)的尺寸、減輕機(jī)器人重量，并提升其動(dòng)作效率。
而使用直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，也會(huì)帶來(lái)一個(gè)新的問(wèn)題，就是較高的技術(shù)實(shí)施難度和應(yīng)用集成成本。
這一方面是因?yàn)闊o(wú)框電機(jī)本身復(fù)雜的操作使用流程，另一方面，在設(shè)計(jì)制造機(jī)器人過(guò)程中，需要將力矩電機(jī)、編碼器反饋、制動(dòng)抱閘和諧波減速機(jī)...等多個(gè)零散的運(yùn)控傳動(dòng)組件集成到機(jī)器人關(guān)節(jié)這個(gè)尺寸極為有限的狹小空間中，同時(shí)還必須確保機(jī)械臂快速、靈活和可靠的運(yùn)動(dòng)性能。由此而帶來(lái)的超長(zhǎng)開發(fā)周期和高昂制造成本，在一定程度上阻礙了小型關(guān)節(jié)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用和普及。
這就引出了我們接下來(lái)要和大家聊的一款產(chǎn)品：
這款名為 RGM 的機(jī)器人關(guān)節(jié)模組，是 Kollmorgen 在本月初剛剛發(fā)布的新產(chǎn)品，并在 CIROS 中國(guó)機(jī)器人展上做了首次展示。
從現(xiàn)場(chǎng)展示的樣品看，RGM機(jī)器人關(guān)節(jié)模組體積僅一只拳頭大小。側(cè)面看，其外形框架呈 T 字型。下方為模組的法蘭底座，用于將其安裝在上一級(jí)機(jī)械臂的端部；左側(cè)為電機(jī)端蓋，右側(cè)為電機(jī)軸輸出，連接下一級(jí)機(jī)械臂。
頂部貼著的標(biāo)簽上印著 “DEMONSTRATION UNIT”（演示用產(chǎn)品），且標(biāo)注的產(chǎn)品序列號(hào)為 “017”，難不成這是從工廠下線的第 17 臺(tái)模組？
整個(gè) RGM 機(jī)器人關(guān)節(jié)模組的外表面看上去非常簡(jiǎn)單，外殼上沒(méi)有任何電氣連接端口，可以達(dá)到 IP54 的環(huán)境防護(hù)等級(jí)。
但從官方資料上的這張圖片看，RGM 機(jī)器人關(guān)節(jié)模組上尾部的藍(lán)色端蓋應(yīng)該是可以從主體框架上拆下來(lái)的，目測(cè)其打開后可用于電氣線路的連接。
來(lái)到電機(jī)的輸出端，可以大致看到內(nèi)圈的轉(zhuǎn)子輸出軸，和外圈用于安裝和連接負(fù)載的法蘭圓盤。
同時(shí)，我們?cè)谶@里能看到從機(jī)器人關(guān)節(jié)模組內(nèi)部引出的電氣接線，從線纜的顏色推測(cè)，紅藍(lán)為直流電源，灰色應(yīng)為通訊信號(hào)線。這說(shuō)明在 RGM 模組內(nèi)部是有可用于穿過(guò)線纜的空心軸腔體的。
從側(cè)面近距離觀察 RGM機(jī)器人關(guān)節(jié)模組輸出端，可以看到法蘭盤圓柱體外表面上有 8 個(gè)螺紋孔，據(jù)介紹這是用于安裝和固定下一級(jí)機(jī)械臂的。
不難理解，連接在法蘭盤上的機(jī)械臂，會(huì)在模組轉(zhuǎn)子輸出驅(qū)動(dòng)力的作用下，圍繞模組進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)。
這就是為什么 RGM 被稱為“機(jī)器人關(guān)節(jié)模組”的原因。
那么，這樣一款產(chǎn)品有什么特別之處呢？
首先，如上圖所示，此款 RGM將包括伺服驅(qū)動(dòng)器、無(wú)框直驅(qū)電機(jī)、諧波減速機(jī)、反饋編碼器和制動(dòng)器抱閘...等在內(nèi)的多個(gè)機(jī)器人關(guān)節(jié)核心部件連接整合在一起，集成在一個(gè)模塊化組件中，并被設(shè)計(jì)封裝成適合機(jī)器人關(guān)節(jié)的 90° 轉(zhuǎn)角外形樣式，可以作為一個(gè)完整的關(guān)節(jié)總成直接用在工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械臂上。
這就是說(shuō)，用戶在設(shè)計(jì)和制造機(jī)器人時(shí)，可以不必考慮復(fù)雜的機(jī)械臂關(guān)節(jié)連接和動(dòng)力集成，直接使用 RGM 關(guān)節(jié)模組連接和驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂，從而省去大量零散組件的設(shè)計(jì)、安裝、集成和測(cè)試等一系列復(fù)雜步驟和流程，尤其是，無(wú)需再為無(wú)框力矩電機(jī)的使用而消耗大量工時(shí)。
動(dòng)力配置方面，由于每臺(tái)關(guān)節(jié)模組內(nèi)部都集成了電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，采用 48V 直流動(dòng)力電源和 CANopen 控制總線，所以，如果使用 RGM 關(guān)節(jié)模組，便無(wú)需再為機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)軸配備單獨(dú)的伺服驅(qū)動(dòng)器，只需要使用集成 CANopen 總線的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器即可。這將節(jié)省大量電氣柜安裝空間，讓設(shè)備系統(tǒng)變得更加緊湊。
再看電氣連接，因?yàn)槎鄠€(gè)關(guān)節(jié)模組的電源和通訊端口，是可以按照鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)串行連接的，加之 RGM 使用了空心軸無(wú)框電機(jī)和諧波減速機(jī)，這樣，集成了 RGM 關(guān)節(jié)模組的機(jī)器人手臂，其電氣線纜是可以直接串聯(lián)敷設(shè)在機(jī)械臂空腔內(nèi)部的，而不是像傳統(tǒng)機(jī)器人那樣并排掛在機(jī)械臂表面。這樣不僅讓機(jī)器人外觀變得十分簡(jiǎn)潔，更重要的是，因?yàn)樵陉P(guān)節(jié)處并沒(méi)有多根并聯(lián)電纜的扭轉(zhuǎn)彎折，從而降低了機(jī)器人工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)負(fù)載；同時(shí)，更少的線纜數(shù)量還將會(huì)減輕機(jī)械臂的重量，這些都有助于提升機(jī)器人的工作效率。
RGM機(jī)器人關(guān)節(jié)模組采用了 19 位 Biss 反饋，可以達(dá)到 0.001° 的重復(fù)定位精度。同時(shí)，注意到在前面的產(chǎn)品拆解圖中顯示，RGM 內(nèi)部在輸入端和輸出端分別各有一個(gè)編碼器，通過(guò)比較兩個(gè)編碼器的位置和速度反饋，參照驅(qū)動(dòng)電流和電機(jī)扭矩的輸出，可以判斷出模組所在關(guān)節(jié)受到外界作用力的大小，將這一系列數(shù)據(jù)信息反饋給控制器，就能夠在不額外增加輔助傳感器的情況下，很方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的安全控制。
另外，從官方發(fā)布的資料看，為了方便產(chǎn)品的應(yīng)用和設(shè)備開發(fā)，Kollmorgen 還為用戶提供了相應(yīng)的關(guān)節(jié)模組選型軟件，機(jī)器人制造商可以基于其用戶需求和應(yīng)用場(chǎng)景，包括機(jī)械尺寸、工作位置、活動(dòng)范圍、運(yùn)動(dòng)曲線...等等，自行配置和選擇合適的關(guān)節(jié)模組產(chǎn)品。
如此看來(lái)，通過(guò)將多個(gè)零散的機(jī)械臂關(guān)節(jié)組件整合封裝在一個(gè)集成模組中，RGM機(jī)器人關(guān)節(jié)模組實(shí)際相當(dāng)于是一套用于機(jī)器人關(guān)節(jié)的一站式解決方案。個(gè)人認(rèn)為，這種集成模組化關(guān)節(jié)部件，將很有可能徹底改變工業(yè)機(jī)器人的制造流程，因?yàn)橄啾葌鹘y(tǒng)的機(jī)器人制造方法，使用 RGM 這種集成式關(guān)節(jié)模組，將極大簡(jiǎn)化機(jī)器人關(guān)節(jié)的動(dòng)力集成，并降低工業(yè)機(jī)器人的開發(fā)和應(yīng)用門檻，讓機(jī)器人制造商更加專注于其機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景的開發(fā)，而不是糾結(jié)于復(fù)雜的動(dòng)力機(jī)械組件。
按照官方的說(shuō)法，RGM機(jī)器人關(guān)節(jié)模組將適用于有效負(fù)載 ≤10kg 的協(xié)作機(jī)器人 / 輕型機(jī)器人。
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