UR机器人关节剖析

较近，在观察机器人行业的过程中，我专注于合作机器人。一方面，以UR代表合作机器人近年来市场表现良好；另一方面，UR机器人的本体结构确实有诸多创新点。说实话，在发展成熟的机械设计行业中，做一点创新是很棒的。但是，天才UR联合创始人E en ?stergaard能够实现多项机构和结构创新，令我等人钦佩。一是机构创新，UR机器人首次突破了传统工业机器人PUMA类型，但这不是本文的重点。借工作之便，手头刚好有个维修替换。UR机器人关节。本文剖析UR关节中的许多创新都是为了大家。

为了减重，UR关节很薄，但这挑战了壳盖的密封设计。在传统的密封设计方法中，通常在壳盖与壳体的接触面上挖一个密封槽。这就要求外壳与外壳的接触面有一定的宽度，不利于部件的减肥。UR关节壳盖周围有一个密封槽，嵌入O型圈，接触壳体将薄壳臂直接压入壳盖密封槽，实现良好的密封。

然而，除了这种巧妙的外壳密封设计外，还有一点遗憾，即外壳螺钉没有实现更好的密封。建议在螺钉头的肩膀上放一个橡胶圈或毡圈。

当我第一次看到这个形状奇怪的铝板时，我不禁想知道它有什么作用？从结构上看，它只起到固定过孔电缆入口端的作用。如果只是一个简单的固定支撑功能，那么就没有必要花时间将其加工成如此复杂的形状。从形状上看，它有点像应变片的载体，但上面没有应变片。

经过一番思考，我突然想通了。请允许我先赞美。这真是一个巧妙的设计！这是一个基础E en ?stergaard在我心目中，设计天才地位的第一基石。让我简要介绍一下这个设计的原理。

过孔电缆的一端固定在输出端的中心，另一端固定在柔性板的中心，以保持一定程度的伸直。在初始状态下，由于两端的支撑，过孔电缆的中间段不会接触空心管的内壁。过孔电缆的一端与输出端一起旋转，另一端的随机架保持不动。我们知道，当线束扭转时，两端之间的距离会缩短。此时，柔性板的轴向弹性会补偿电缆的缩短距离，而不会对电缆施加更大的张力。当关节回到初始位置时，柔性板在自身弹性的作用下将电缆的输入端拉回初始状态。因此，无论关节处于初始状态还是旋转状态，过孔电缆总是处于一定程度的伸直状态。只有拉直状态才能保证中间段不接触狭窄的空心管内壁，避免接触磨损。

UR机器人关节配有两个编码器，如图所示，一个是电机编码器，另一个是关节编码器。电机编码器位于更接近关节输入端的位置，与电机转子连接，用于测量转子的当前位置。关节编码器通过空心管连接到关节输出端，以测量关节输出的角度。我的猜测是，这两个编码器都是单圈绝对编码器。如有错误，请纠正。

为什么需要两个编码器？众所周知，主流工业机器人关节每个关节只含一个单圈绝对编码器，记忆电池用于计圈。由于关节内部是热场，记忆电池不能放在关节内部，只能用线引出。热场效应比工业机器人关节效应比工业机器人关节更明显。由于中空布线的限制，记忆电池不得不拆除。接下来的问题是如何记住电机的圈数？UR机器人关节采用与关节输出端连接的关节编码器。单圈绝对关节编码器如何计算电机的旋转圈数？这里有一个前提，假设关节的输出角度不会超过±180°。关节编码器读取的角度值乘以减速器的速比，然后除以360°，将电机的旋转圈数取整。读取电机编码器的角度是单圈内电机转子的角度。两个编码器的数据合成可以获得电机转子的绝对位置。

再次推断的前提是机器人关节的输出角度范围在±180°之内。我查了一下，UR机器人关节的运动范围为±360°。然而，由于自身碰撞的限制，3关节不能超过±180°。再次查询，机器人关节的运动范围为±175°。由于信息来源和时间有限，我不得出我推测的双编码器原理的逻辑冲突的结论。欢迎知道的同事提供信息或纠正。

UR机器人关节不采用主流工业机器人关节电机内的电磁制动片式闸门，创新采用电磁插销式闸门。首先介绍电磁插销式闸门的工作原理。

以下是电磁插销式抱闸的相关部件。

梅花叉脚与电机轴相连。在电磁铁未通电的情况下，导向销在复位弹簧的作用下弹起，其肩部刚好能挡住梅花叉脚。此时，闸门关闭。当电磁铁通电或手动按压时，导向销下沉，肩部低于梅花叉脚。此时，闸门打开。

与电磁制动片式闸门相比，电磁插销式闸门具有以下优点：1.轴向尺寸更紧凑；2.电磁线圈加热量更小，散热效果更好；3.成本更低。然而，电磁插销式闸门的另一个缺点是闸门定位效果差，电机有60台°活动角度范围。

UR机器人关节的连接从外部看不到螺钉，也可以快速更换，这也是E en ?stergaard天才设计之一。让我们来分析一下它的细节。由于一个关节同时有两个接口，这两个接口在结构尺寸上是匹配的，因此可以使用相同的关节来介绍关节快速更换连接的原理。

首先，将外六角螺钉预拧到连接臂的一端，然后将外六角螺钉插入关节输出端面的钥匙孔，轻轻扭转约5°，然后对齐轴向止口，拧紧，最后用外六角力矩扳手拧紧如图所示的狭缝。UR机器人关节的另一个接口的连接与此相似，但接口两端的位置对调。

除了前面提到的壳罩密封外，整个关节的密封还包括两个快换式接口的密封。由于这两个接口的形式是相同的，只需关注其中一个接口的密封设计就可以了。

在关节快速变换连接部分，我们提到了外六角扳手的操作间隙。UR机器人关节在输出端面和外壳之间设置柔性扁环和特氟龙环进行密封。耐磨、摩擦系数小的特氟龙环避免了柔性扁环与外壳之间的直接摩擦。在摩擦匹配方面，滑动摩擦主要发生在柔性扁环和特氟龙环之间。

有朋友分析，上述关节密封设计不满意IP54的要求。仅靠柔性扁平环和特氟龙环来防止IPx4的水显然不好，所以UR的保护等级IP54名字不符实吗？让我们看下一张图片。输出端面有一个异形密封槽。因此，我们可以推断，上述外六角扳手的操作间隙不属于关节内部，其防水密封更为内部。事实上，上述密封设计只起防尘作用。

1.Universal Robots，UR5 Technical specifications，2016

2.2019年北京奥博、奥博i产品宣传手册

3.知乎，Universal Robots 如何设计关节？

4.Universal Robots，ServiceManual_UR5_zh_3.2.6，2019

5.Universal Robots，99212_UR5_User_Manual_zh_Global，2020

6.油管，UR 5 Joint Replacement Tutorial

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作者：来朝三博士