Universal Robots 的關節到底是怎麼樣設計的？

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最近看到Universal Robots公司的協作式工業機器人手臂覺得這種設計非常棒，這種一體化的設計，可以讓機器人在更加複雜的環境下工作。關節全都被包裹在一個倉裡面，如果做好密封，灰塵和水就不會進入機器人內部。但是現在市面上這種設計的機器人非常少，我所能找到的只有http://www.smokierobotics.com/，Terabot-S 遙操作機械臂，國內瀋陽自動化研究所做的水下電驅機械手的也是這種設計。但是都很難找到具體設計是怎麼樣的。最近lz想做一套能在淺水下用的機械手，如果能採用這種設計，效果應該會不錯。目前在關節內部走線上遇到了麻煩，如果線從關節內部走，感覺會很容易被纏住。所以想參考一下成熟產品的設計。

謝邀，剛開始也是在等別人回答，想看看有沒有好答案。但看來機器人這個話題在知乎上還是很冷清的。
前段時間實驗室正好拆了個UR，這裡先放幾張圖：

簡單地說，這種一體化關節最主要特點是定製電機，也即自己跟電機廠商定製電機的定子與轉子，分別固定在關節的兩段，關節既當機器人連接部件，又當電機外殼。
關於走線，這種一體化關節採用的基本都是串聯形式，所以一般都是採用了滑環作為連接前後兩段的電氣介面。UR的話，我們沒有繼續拆下去（擔心無法修復），所以沒看到裡面的滑環。但是我上個月去加拿大參觀了kinova公司，他們生產的kinova jaco/mico 機械臂也是一體化關節（個人感覺比UR好，見KinovaRobotics），然後它也是定子轉子分離，並且有滑環連接：

======= 20160801 更新===========
由於評論區有人問UR如何實現自鎖，所以加一張圖。
我們實驗室拆機後發現UR內部是沒有剎車的。但是我們發現了一個裝置，如下圖。

我們認為UR就是通過這個六角星形狀的機構實現的自鎖：六角星形狀物體與電機輸出軸固定，利用機械裝置阻擋這個六角星物體即可實現「自鎖」。雖然電機輸出端仍會有60°活動範圍，但經過減速（諧波是HFUS-25-100）後，關節輸出端的活動範圍就很小了，相當於是「自鎖」了。

從一下幾個方面聊聊：
1 整體結構
2 關節布置
3 走線
4 密封
5 材料

1.整體結構
最早看到UR的機器人應該是在12年還是13年上海的工博會，當時一家代理商在靠牆的地方租了一個小櫃檯，很不起眼，但是第一次看這款機器人就覺得特別奇怪，這貨不對稱啊！
四五六軸和傳統的排布不一樣，四軸與五軸相比於傳統機器人交換了位置，一軸電機倒置一軸和二軸處於同一高度，所以有較大的旋轉半徑。

比如ABB的IRB1200，一軸電機位於二軸的下方。四軸和六軸電機可以共線。當然1200所選的電機功率遠大於UR5，所以尺寸也大一圈，二者定位不一樣。

UR的關節採用模塊化設計，凡是模塊化設計則必然會在性能上有所犧牲，帶來的受益則是更少的備件，更低的採購價格等等。對於人機協作類的機器人，其速度加速度性能本身就是受到限制的，所以犧牲一些性能並沒有太大的關係。而反觀工業機器人IRB1200，為了追求速度和加速度的極致，每一個尺寸，每一個關節的電機都要追求效率最大。

2 關節布置
電機為科爾摩根的訂製中空電機，定子為直接鑄造為關節，除了幾位說的節省空間外，還有個好處是便於散熱，要知道電機的性能極限就在發熱上了，如果誰能來一套水冷系統，電機超頻妥妥的。盜用@fly qq 邱博一張圖

關於電機，有人說這是直流電機，有人說這是交流電機，其實都沒錯啦，如果從進線的角度來看，母線進的是直流電，如果從電機的結構上來看，其實和交流電機沒有差別。這種中空的電機也會有一點缺憾，因此是傳統機器人不用的原因，就是轉動慣量會更大，但是UR嘛，協作機器人，性能可以犧牲點。

不管是UR,還是iiwa，接到牆上的總歸是220VAC或者110VAC吧，交流變直流降壓這件事還是要做的。UR把驅動器放到關節里了，一方面可以節省走線，另一方面母線電壓低也是有好處的，比如安全，像UL1740裡面就規定了絕緣耐壓要達到使用電壓的2倍再多一點，48V的兩倍也不多麼。

剎車UR選擇了用一個電磁鐵加一個鈑金式的簡單結構，這是一個省錢的方案，傳統工業機器人，通常對剎車有比較高的響應，壽命，摩擦力要求。對於大負載的機器人，剎車是安全的保證，在出現意外緊急停止的時候，剎車是最後一道防線，不容有失。

再盜@fly qq 邱博的一張圖，邱博回頭支付寶發我，我給你打錢哈。下圖中的這個六個腿的鈑金就是剎車盤，有一個電磁鐵不用的時候就插在兩條腿之間，機器人運動的時候，電磁鐵就收起來。六腿鈑金是跟著電機軸一起運動的。這種剎車也有一個好處，散熱好。

傳統機器人的剎車如下圖，中間是鍵槽，電機軸從中間穿過。兩個環之間是摩擦片，工作的時候，摩擦片鬆開，電機軸可以運轉。這種剎車響應快，位置准，發熱大........

使用這種六爪的剎車，對編碼器也是有要求的。通常編碼器有兩大類，旋變和碼盤。

旋變相當於幾個線圈，通過線圈檢測電機軸的位置，發出的信號為模擬量。碼盤則是日本人用的比較多的東東，所發出的信號為數字量。碼盤又分相對編碼器，絕對式編碼器。絕對式編碼器，又分單圈絕對式和多圈絕對式。UR由於剎車並不是固定的，所以使用的是絕對式編碼器。

減速器選的是HD，但具體是德國HD還是日本HD就不太清楚了。減速器也是中空的方案，畢竟走線方便。和中空電機一樣的，中空減速器價格會貴很多，轉動慣量也會變大。這方面沒有太多可說的，畢竟HD是主流，spinia和leaddrive市場份額都不大。

3 走線
走線算是亮點吧，中空走線在工業機器人上也比較常見，比如Fanuc就很喜歡用中空齒輪箱+電機偏置的方案。比如下面這幾款，在多個關節使用了中空減速器。很有意思。但是電機中空的還是不多見。

為什麼要中空走線呢？主要還是壽命問題，線纜在運動的時候需要有足夠的空間，畢竟線的本質是銅絲。中空的走線在運動的時候是扭轉運動，因此有比較好的壽命。如果你拆開一根電纜看看，你會發現銅絲本身都是扭在一起的。上圖中間這款大機器人側面的線纜，就是典型的機器人走線形式，線纜在運動的時候承受彎曲，關節的工作空間也受限制。
因為用了匯流排形式，以及驅動器放在關節，同時由於沒有內置的氣管，整個線纜的數量也非常省。

4 密封
固定密封採用一種很細的o型圈
旋轉密封貌似也是用一種彈性的圈，而非骨架油封之類的大尺寸。密封等級因此不會太高。

5 材料
材料選擇的是鋁鑄造件，從壁厚來看有可能選擇的壓鑄鋁，目前的版本中也並未使用鋁型材。鋁型材其實是個好東西，家裡的門窗就是鋁型材的。機器上，比如epson 的ls6使用的也是鋁型材做結構件。

鋁鑄件基本上是中小型工業機器人常用的材料，結構上可以任意設計，只要能脫模就好。大型機器人和廉價機器人材料另說。

由於手頭沒有現成的UR可拆，以上信息基本來自於網路和手冊，如有描述不準確的地方還請見諒。

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關於評論中問題的討論：
by 張昱：減速機用的是德國HD

by 黃宇：請問為什麼六爪的剎車對編碼器有特殊要求？
由於這種剎車不能把電機完全抱死，會在60度範圍內活動。因此斷電後機器人只能記住斷電前的位置。
如果是相對式編碼器，再開機前需要找一下初始位置，比較麻煩。
如果是單圈絕對式編碼器，成本並不會太高，但是即使斷電也不會丟位置。
所以推測是單圈絕對式編碼器。

By 張偉：其實吧，舊的ur關節側用的多z的增量編碼器，可看作偽絕對的，新的ur改用了雷尼紹的磁式19bits單圈絕對編碼器。

維護手冊，簡單拆解
http://crossco.com/sites/default/files/Universal%20Robots%203%20Service%20Manual.pdf
http://downloads.braasco.com/Universal%20Robots/Manuals/CB2/Servicemanual_UR5_en_1.0.pdf
http://downloads.braasco.com/Universal%20Robots/Manuals/CB2/ServiceManual_UR10_en_2.0.2.pdf
http://downloads.braasco.com/Universal%20Robots/Manuals/CB3/ServiceManual_UR5_en_3.0.2.pdf

不知道你是看到的UR的第一代還是第二代設計。第一代是比較常規的，電機+ 減速機，幾乎大家都是這麼做的。唯一的大家用鑄件，它用型材。（插一句，第一次看到的時候只是感覺很新奇，結構件可以像個管子直接截長或者截斷，做法和傳統完全不一樣。沒覺得有什麼特別的價值，但是實際上可能UR機器人是最近幾年內成長最好的機器人產品了）。第二代已經是完全不一樣的設計了，電機是和本體鑄件一體化設計的。並且是中空的，這樣如果減速機也是中空的，線束就可以從中間穿過了。這個設計只在Staubli的一款Tx60上看到過，Denso的也有，這個要供應商能夠配合，主要還是要能做的批量產品，供應商願意特殊設計。
走線是一個專門的領域，參考下各種水下設備是怎麼解決這個問題的吧，我也沒見過。看那個大神能回答支個招。

謝邀，但是不是做這個行業的。知識有限。
挑電滑環說一下吧。
旋轉件的連線的確很麻煩。之前做emc轉檯時候專門調查了一下。基本從炮塔到民用的設備都是電滑環解決。國內有很多廠商訂製。價格不菲，而且基本都是訂製，周期非常長（一個月起）
有些地方會採用無線通訊解決。優點在於無線，想怎麼轉怎麼轉。帶寬大，傳統8線電滑環的尺寸，採用無線可以極大提高並發通道。成本低。壽命長。
缺點也很明顯，結構不夠緊湊。質心會偏心，高轉速可能出問題。兩端都需要供電。而且抗擾度有限，可靠性不如接觸式電滑環。

電機外殼一體化
主流機器人防塵的指標都定在IP67或者54
因為足夠應付絕大部分工廠環境和高壓清洗。
當然感覺除了這種設計外也有其他方法可以達到同樣密封效果。畢竟要考慮成本問題。

2004年~Staubli就推出了TX系列的機器人臂~ 中空電機+中空減速器的設計~

內部走線~ 全封閉的結構~ 除了用了一般工業環境~還可以用在潮濕環境~用在潔凈室~ 甚至無菌室

這個是用DD馬達（直驅力矩電機也加了高解析度的編碼器）加諧波減速器一體化設計，中空走線，以後是趨勢！全球現在也沒幾個做的，都是電機和減速器分開，不過國內也已經有在研發了