科创中国

行业领域

高端装备制造产业

需求背景

工业机器人一般由机械本体（机械手）、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。本体即机座和执行机构，包括臂部、腕部和手部，部分机器人还有行走机构。大多数工业机器人有3-6个自由度，其中腕部通常有1-3个自由度；驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作；控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制；工业机器人还安装有内外传感器，包括视觉传感器、听觉传感器以及嗅觉传感器等，用来检测机器人自身工作状态和探测外部工作环境，类似于人的眼睛、耳朵、鼻子等感知器官。

需解决的主要技术难题

机器人随着工业***的提出，机器人作为执行主体，是智能制造和智慧工厂的重要角色，同时，《中国制造2025》也将机器人作为了十大重点发展区域。中国机器人市场的需求与供给存在庞大的缺口，未来市场空间巨大。但产业大而不强，精密减速机、控制器、伺服系统以及机器人一体化关节等机器人核心零部件大部分依赖进口，而这些零部件占到整体生产成本 70%以上。本项目着眼于我国工业机器人和服务机器人重大发展需求和科技成果转化，致力于开发集成驱动电机、谐波减速器、驱动控制器及光电编码器、力矩传感器等部件于一体的模块化机器人关节，项目的开展有助于打破国外机器人关节核心部件垄断，抢占工业机器人和服务机器人市场，形成持续发展的工业机器人产业链。1.机器人一体化关节集成技术2.谐波减速器双圆弧齿形测试技术3.谐波减速器动态仿真技术4.合金结构钢、高速钢等钢材的化学成分、热处理金相组织及缺陷分析一体化设计的集成驱动关节模块是机器人操作臂的基本驱动单元，对机器人系统的运动学性能和动力学行为有决定性的影响。基于机器人机械臂轻量化和高负载自重比目标，驱动关节模块必须具有极高力矩密度。因此，采用高性能永磁力矩电机结合高传动比谐波减速器的传动方案已成为目前轻量化机械臂驱动关节的必然选择。然而，谐波减速器本身的柔性会影响驱动关节模块的运动控制精度，因此除了在电机端安装磁性绝对位置编码器外，还需要在输出轴端安装光学式绝对位置编码器。为了实现驱动关节模块以及操作臂的柔顺运动控制，以实现与人协作的安全性，每个驱动关节模块必须具有感知外部载荷（或输出力矩）的能力，因此驱动关节模块的输出轴端还安装一个力矩传感器。一体化集成关节的其他必要模块还包括电机端制动器以及驱动控制板等。项目所设计各类驱动与传动部件性能指标参数拟定见下表。静态指标类型 运动范围 额定载荷下的速度 额定力矩 重量 走线型式小型 +-120° 75°/S 120Nm *** Kg 中空走线轻量型 +-120° 120°/S 55Nm *** Kg 超轻型 +-170° 180°/S 15Nm *** Kg 控制指标控制型式 位置控制采样频率 电流环20KHz、力矩环4KHz、速度环4KHz与位置环1KHz重复定位精度 ±***°。

期望实现的主要技术目标

静态指标类型 运动范围 额定载荷下的速度 额定力矩 重量 走线型式小型 +-120° 75°/S 120Nm *** Kg 中空走线轻量型 +-120° 120°/S 55Nm *** Kg 超轻型 +-170° 180°/S 15Nm *** Kg 控制指标控制型式 位置控制采样频率 电流环20KHz、力矩环4KHz、速度环4KHz与位置环1KHz重复定位精度 ±***°

需求解析

解析单位：陕西省西咸新区 解析时间：2023-10-15

李卫斌

西安电子科技大学

教授

综合评价

全球的科技创新集中在智能制造、信息技术、生物工程、能源技术、航空航天、新型材料等六大领域。而机器人则是智能制造业最具代表性的技术，其发展水平也日益成为衡量一个国家创新能力的重要指标。 只有核心硬件的成本价格降下来，机器人的应用才能大规模普及。这也就意味着，将机器人一体化关节的性能做到极致，并尽可能降低成本，进而促进智能机器人大规模普及。

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