UR机器人关节剖析

来朝三博士机器人大讲堂

收录于合集

本文整合了【来朝三博士】首发于知乎的两篇内容，主要是作者拆解并剖析UR关节里面的诸多创新之处的思考过程。两篇内容的发布时间间隔两年，在后半段内容中，作者通过进一步分析研究，也更新了前半部分一些认知以及发现部分存在的错漏。

两年时间里，UR机器人也在不断推陈出新，前不久，经过持续发展，其全球员工人数已经突破1000人大关。机器人大讲堂原文转载了作者该内容，以还原这种研究和认知更新的过程。作者公众号名片放在了文末，有兴趣的朋友可以关注。

在看文章之前，可以先看一个拆解视频，简单了解一下构型。

来源于：Home Engineered Stupidity

【以下是第一篇内容】

在机械设计这个发展得比较成熟的行当里面，能做到一点创新就已经了不起了。但是，天才的UR联合创始人Esben Østergaard居然能够做到多项机构和结构创新，例如机构上的创新，UR机器人首次突破了传统工业机器人的PUMA型。借工作之便，我手头刚好有一个维修替换下来的UR机器人关节。

▍薄壁件的壳罩密封

为了减重，UR关节的壳体件采用很薄的壁厚，但这给壳罩的密封设计带来挑战。在传统的密封设计方法中，一般采取在壳罩和壳体的接触面上挖一道密封槽。这就要求壳体和壳罩的接触面具有一定的宽度，而这对部件的减重是不利的。UR关节的壳罩四周注塑有一道密封槽，里面嵌入O型圈，而与之接触的壳体则将薄薄的壳臂直接压入壳罩的密封槽，从而实现良好的密封。

不过，在这个巧妙的壳罩密封设计之余，还是存在一丝遗憾的，就是壳罩的螺钉没能实现较好的密封。建议在螺钉头的肩部垫上一层橡胶圈或毡圈。

▍迂回形状的镂空板有什么作用？

初次看到这个奇怪形状的铝板，不禁在猜这究竟有什么作用？从结构上直观看来，它只是起到固定过孔电缆的入孔端的作用。如果只是一个简单的固定支撑功能，那么实在没有必要耗费功夫加工成这么一个复杂的形状。从形状上看，有点像应变片的载体，但是上面又没有贴应变片。

经过一番思考，我突然想通了。请先允许我赞叹一句。这真是一个巧妙绝伦的设计！这是奠定Esben Østergaard在我心目中的设计天才地位的第一基石。下面我来给大家简单阐述一下这一个设计的原理。

▍挠性板

过孔电缆一端固定在输出端的中心，另一端固定在挠性板的中心，从而保持一定程度的绷直状态。在初始状态下，由于两端的支撑作用，过孔电缆的中间段不会与中空管的内壁接触。在关节旋转过程中，过孔电缆的一端会随着输出端一起旋转的，另一端随机架保持不动。我们知道，线束在扭转时，两端之间的距离会缩短一些。

这时挠性板的轴向弹性作用会补偿电缆的缩短距离而不至于给电缆施加较大的拉力。当关节回到初始位置，挠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，不管关节处于初始状态还是旋转状态，过孔电缆始终处于一定程度的绷直状态。只有绷直状态才能保证中间段不会与狭小的中空管的内壁接触，从而避免了接触磨损。

▍双编码器

UR机器人关节配有两个编码器，如图所示，其中一个是电机编码器，另一个是关节编码器。电机编码器位于更靠近关节输入端的位置，与电机转子相连，用于测量转子当前位置。关节编码器通过中空管与关节输出端相连，用于测量关节输出的角度。我的推测是，这两个编码器都是单圈绝对式编码器。如有不对，请广大同仁指正。

为什么需要两个编码器呢？我们知道，现在主流的工业机器人关节每个里面只含有一个单圈绝对式编码器，计圈则用记忆电池。由于关节内部是一个热场，记忆电池不能置于关节内部，只能用线引出来。在协作机器人关节里面，热场效应比工业机器人关节更明显。由于中空走线的限制，记忆电池只好去掉了。

那么随之而来的一个问题是，电机的圈数如何记忆？UR机器人关节采用了一个关节编码器，与关节输出端连接。单圈绝对式的关节编码器如何计电机的旋转圈数呢？这里有一个前提，就是假设关节的输出角度不会超过±180°。关节编码器读出的角度值乘上减速机的速比，然后除以360°，取整就得到电机的旋转圈数。电机编码器读出的角度是电机转子在单圈内的角度。两个编码器的数据合成就可以得到电机转子的绝对位置。

再次强调一下，上述推断的前提是机器人关节的输出角度范围在±180°之内。我查询了一下，UR机器人关节的运动范围为±360°。可是，3关节因自身碰撞的限制而不可能超过±180°。又查询了一下，遨博机器人关节的运动范围为±175°。关于我所推测的双编码器原理逻辑上的冲突，因信息来源和时间有限我先不做结论。欢迎知道的同仁提供信息或指正。

▍电磁插销式抱闸

UR机器人关节没有采用主流工业机器人关节电机里面的电磁刹车片式抱闸，创新性地采用了电磁插销式抱闸。先介绍一下电磁插销式抱闸的工作原理。

下面通过几张图片来认识一下电磁插销式抱闸的相关零部件。

梅花形叉脚与电机轴相连。在电磁铁未通电的状态下，导向销在复位弹簧的作用下弹起，其肩部刚好可以挡住梅花形叉脚。这时抱闸处于闭合状态。在电磁铁通电或手动按下状态下，导向销下沉，其肩部低于梅花形叉脚。这时抱闸出于打开状态。

▍电磁插销式抱闸

电磁插销式抱闸相比电磁刹车片式抱闸有下列优点：1.轴向尺寸更紧凑；2.电磁线圈发热量更小，散热效果也更好；3.成本更低。但是，电磁插销式抱闸也有一个缺点就是抱闸定位效果不好，电机有一个60°的活动角度范围。

▍关节快换式连接

UR机器人关节的连接从外部是看不到螺钉的，同时还可以实现快换，这也是Esben Østergaard的天才设计之一。下面我们就来剖析其精妙之处。因为一个关节同时有两个接口，而且这两个接口在结构尺寸上是配对的，所以可以用同一个关节来介绍关节快换式连接的原理。

首先将外六角螺钉预拧到连接臂杆的一端，接着将外六角螺钉插入关节输出端面的钥匙孔，轻扭转动约5°，然后对齐轴向止口，合紧，最后从如图所示的狭缝中用外六角力矩扳手拧紧。UR机器人关节的另一个接口的连接与此类似，只不过组成接口的两个端面的位置对调一下。

▍关节密封

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。

在关节快换式连接一节中，我们提到有一道外六角扳手的操作间隙。UR机器人关节在输出端面和壳体之间设置了柔性扁型环和特氟龙环来密封。耐磨且摩擦系数小的特氟龙环避免了柔性扁型环与壳体之间的直接摩擦。从摩擦匹配上来说，滑动摩擦主要发生在柔性扁型环与特氟龙环之间。

有知友分析，上述关节密封设计不满足IP54的要求。仅靠柔性扁型环和特氟龙环来防IPx4的水显然是不行的，那么UR的保护等级IP54是否名不符实呢？我们来看下一张图，输出端面上有一道异形密封槽。由此我们可以推断，上述外六角扳手操作间隙不属于关节内部，其防水密封做到了更里面。其实，上述密封设计只是起防尘作用的。

参考文献

1.Universal Robots，UR5 Technical specifications，2016

2.北京遨博，遨博i产品宣传手册，2019

3.知乎，Universal Robots 的关节到底是怎么样设计的？

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

【以下是第二篇内容】

▍为什么设置双编码器？

但凡对协作机器人稍有了解的人都知道，其每个关节中都设置有两个编码器。至于为什么设置双编码器，则众说纷纭。主要观点有二：一是利用双编码器的差值来估算负载力矩；二是关节编码器可以补偿谐波减速机的背隙，提高关节定位精度。

这两个观点看起来似乎都有一些道理，但经不起仔细推敲。为什么这么说呢？基于“非必要，不增加”的设计原则，这两个观点都没有非如此不可的理由。估算负载力矩还可以通过电机电流来估算，尽管有摩擦的干扰。至于补偿谐波减速机的背隙更是没有充分的理由，因为传统工业机器人尚且没有补偿。我曾经一度认为增加一个编码器是为了省掉一个记忆电池。试想想，为什么省掉一个记忆电池而增加一个编码器，这个代价未免大了一点。UR技术人员给出的说法跟网上流传的版本大致差不多。

当一切变得模棱两可的时候，让我们试着回到发明协作机器人的起点，也许可以找到有关的蛛丝马迹。经过一番搜索，终于在UR公开的一项中国专利^[1]^中找到了答案。我相信这是最有说服力的答案，其他的说法都是由此带来的附带好处而已。发明协作机器人的初衷是为了安全。

为此，通常的做法是采用两个单独的系统来执行相同的功能。在协作机器人关节中，将电机编码器放置在电机输入端，且将关节编码器放置在减速机输出端，控制单元同时处理来自这两个编码器的信息，以便实现一个或多个安全功能。安全系统基于这两个编码器的信息可以实现众多安全功能。每项安全功能在执行时，将其中一个分支得出的信息与第二个分支进行比较，并在出现不一致的情况下，使机器人进入安全状态。

比如限制关节位置安全功能：在第一分支中，关节编码器直接监控机器人关节的角度，并判断该角度是否在安全设置所定义的范围之内；在第二分支中，考虑电机旋转的完整圈数和减速比，把电机编码器的读数换算成减速机输出端的位置。不是每项安全功能都用到了双编码器，不过无一例外采用了双分支。比如限制关节力矩安全功能：在其中一个分支中，通过了解机器人关节的位置和速度以及机械臂的质量分布，可以算出在关节处所施加的预期力矩；在另一个分支中，通过测量电机电流，可以估算关节电机的输出力矩。协作机器人的大部分安全功能可以通过双编码器搭建的双分支得以执行。

▍关节编码器如何计位置？

既然双编码器的任一分支都能单独计位置，我们来看看它们是如何来计位置的。UR关节的电机编码器为增量式光电编码器；关节编码器为单圈绝对式编码器（老版为光电编码器；新版为磁编码器）。单圈绝对式编码器在单圈范围内计位置的原理很好理解，超出一圈后依然能正确计位置需要有记忆圈数的机制。增量式光电编码器上电后是不能立即获得当前位置的，能正确计位置的前提是进行寻零操作。不过这里寻找的零位是电机端单圈内的零位，不是关节端的零位。电机编码器寻到单圈内的零位后，融合关节编码器的位置信息即可得出从电机端测量的关节端实际位置。

我们知道，UR关节的单圈绝对式编码器是没有用于记忆圈数的电池的。不过，在技术数据表中标明每个关节的转角范围是±360°。这究竟是怎么回事？又是一通搜索。在产品服务手册^[2]^中有这样一段说明：“在不上电的情况下，手动按下插销式抱闸或强制反向驱动可以转动关节。不过，不要超过160°以确保机器人可以找到其原始物理位置。”经过正向分析和实测，终于搞清楚了其计位置的原理。在掉电后的很短时间内，关节在抱闸的作用下不再转动，并将当前的关节位置（带圈数）存入关节内部的非易失性存储器中。

重新上电后，取出存储器中最后一次存入的关节位置，再根据掉电瞬间和重新上电时的单圈绝对位置差值（因抱闸存在回差）进行偏置，即可找到重新上电时的关节位置。根据上述原理，即使在掉电后手动释放抱闸或强制反向推动关节不超过±180°，重新上电后依然可以找到准确的关节位置。说明书中提到的“不超过160°”只不过是为了留出一些安全裕量。

▍一体式轴

为了轴向紧凑和提高装配精度，UR关节中采用了一体式中空轴，既是无框力矩电机的电机轴，也是谐波减速机波发生器的输入轴。如此，这种一体式中空轴需要谐波减速机厂家按照需求进行定制。尽管定制增加了成本，然后带来的好处是显著的。在设计这种一体式轴时，需要综合考虑各零部件的装配性，包括装配方向和顺序。建议的装配顺序是：先将主副轴承压入一体式轴并到位，接着将磁轭粘接到一体式轴上并等待固化，然后从刚轮侧将一体式轴组件旋入到位，最后将主轴承座孔法兰从柔轮侧压入到位。如果不是设计上的万不得已，不要违反建议的装配顺序。

▍电磁插销式抱闸进一步剖析

梅花形叉脚与一体式轴之间不是刚性连接，仍然是摩擦连接。究竟是怎么回事？在一体式轴的尾部，布置了两个距离较近的轴用弹性挡圈，并在这两个弹性挡圈之间夹了一串零件^[3]^。从最外侧的弹性挡圈开始，这一串零件依次是：弹性挡圈、垫圈、波纹垫圈、调整垫圈、梅花形叉脚、垫圈、弹性挡圈。这一串零件以及一体式轴之间在圆周方向上依靠摩擦力进行传动。摩擦力矩的大小由调整垫圈的厚度进行调节。在电磁插销式抱闸处于锁住状态下，如果关节被强制反向驱动，梅花形叉脚与一体式轴之间便会摩擦性滑动。

关于电磁插销式抱闸与电磁刹车片式抱闸的优缺点对比，这里再次做一下总结。电磁插销式抱闸相比只有一个缺点就是叉脚在锁住状态下仍然有一个可以活动的角度范围，反映到关节输出端关节也有一个较小的可以活动的角度范围。电磁刹车片式抱闸相比的缺点除了轴向尺寸不够紧凑、电磁线圈发热量大、成本高之外，还会产生摩擦粉尘。如果不对产生粉尘的器件很好地包裹，那么会对光电编码器产生干扰（如果有的话）。由此，究竟应该选择哪种抱闸已经一目了然了。

▍关节快换式连接

在前一篇文章中，已经介绍了一种堪称Esben Østergaard天才设计的关节快换式连接——钥匙孔式连接。这种连接无论从外观上还是机加成本上可以说是无可挑剔，唯独在快换上还是显得比较费事。在UR新一代机器人（e系列）上已经弃用这种关节连接方式了。

在UR新一代机器人（e系列）上采用了两种关节快换式连接^[4]^：一是径向螺钉连接；二是括号式连接。径向螺钉连接适用于承受力矩较小的关节（size 2及以下）。沉头螺钉用于定位，圆柱头螺钉用于拧紧。为了方便关节零位对齐，螺钉孔采用了非均匀式分布。括号式连接适用于承受力矩较大一些的关节（size 3，size 4）。两个被连接的部件之间分别采用相互配合的定心凸缘接头，轴向的拉紧力由两个相互抱紧的C形夹具提供^[5]^。相比上一代的钥匙孔式连接，两种新一代关节快换式连接真正做到了快换性，不过机加的难度提高了。

▍碰撞检测和拖动示教

代表协作机器人安全特征的一个重要功能是碰撞检测；代表协作机器人易用特征的一个重要功能是拖动示教。这两大功能基于机器人的一个基础功能——关节力矩检测或估计。至今未能从公开资料中得知UR机器人的关节力矩检测或估计原理，所以只能猜测其为电机电流检测或双编码器检测之一。小伙伴们如有确切的资料证据可以佐证其一，请不吝告知我。本人先行谢过。

采用电机电流检测方式来估计关节力矩无需额外的力矩传感装置，不过由于传动结构中复杂的摩擦力的存在，估计的误差较大且不稳定，尤其对于力矩负载较大或减速比较大的关节。协作机器人的关节中刚好有双编码器。是否可以利用双编码器的检测差值来估计关节力矩？下面对此做一个粗浅的分析。此方式将谐波减速机等效为一个扭簧。扭簧的等效刚度乘以双编码器的折算差值即关节力矩。资料显示^[6]^，谐波减速机不能等效为一个线性扭簧。这个问题不大。双编码器的折算差值最好是折算到电机侧，因为扭簧等效刚度的无量纲值越小，其误差对关节力矩的估计误差影响越小。另外，这里面有一点值得注意，就是双编码器的折算后的分辨率尽可能相当。这给我们在选择编码器过程中平衡编码器的分辨率和成本提供了一个指导原则。从上面的分析中可以看出，摩擦力不会对双编码器检测方式估计关节力矩造成干扰。

假设通过以上两种方式之一获得了比较准确的关节力矩，那么如何来判断机器人或关节遇到了碰撞呢？采用直接估计（即动力学计算得到的理论力矩减去测量力矩）会遇到动力学计算中采用位置信息二次差分获得加速度信息时噪声过大的问题。在学术研究和工程中，广义惯量观测器常被用来估计关节力矩，其本质是对碰撞力矩作了一个低通滤波。

拖动示教的实现首先要补偿关节重力矩和摩擦力矩，让机械臂处于“零力”状态。如果让电机工作在力矩模式下仅仅补偿掉关节重力矩和摩擦力矩而不采用其他力控算法，那么拖动示教的体验不会很好。因为力矩补偿精度有限和各个关节的阻抗特性不能调整。在补偿掉关节重力矩和摩擦力矩的基础上辅以其他力控算法，则会提升拖动体验。主流的力控算法有阻抗控制和导纳控制。阻抗控制下的电机工作模式是力矩控制。阻抗控制实现的前提是准确的动力学模型和关节力矩，所以代价是比较高的。导纳控制下的电机工作模式是位置控制。导纳控制实现的前提仅仅是关节力矩，使其成为目前工程中力控实现的主流。