文献综述
1 课题研究背景
机器人是近代自动控制领域中出现的一项新技术，己成为现代机械制造中的一个重要组成部分。机器人显著地提高了劳动生产率，改善产品质量，对改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。尤其在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。因而受到各先进国家的重视，投入大量人力物力加以研究和应用[1]。
平面关节型机器人是工业机器人中的一种。目前，多自由度平面关节型工业机器人己有较多成熟的产品，根据其应用场合，它可以组装成焊接机器人、点胶机器人、光学检测机器人、拿放机器人、插件机器人等，从而完成高效率的装配、焊接、密封、搬运和拿放等重复性动作[2]。
近年来，机器人技术迅速发展，功能与结构也趋于复杂。其中，模块化的机器人因其具有独立的模块，可以通过不同的连接方式实现不同的任务，简化设计步骤等优点，在机器人的发展中发挥着重要的作用。二自由度关节模块集机械、驱动、感知等器件于一体，是协作机械臂的关键部件，是模块化机器人的重要组成部分，它具有两个转动的自由度。若干个二自由度关节可以连接组成机械臂，通过对机械臂进行运动系统设计完成一系列作业要求。每个关节都具有独立的驱动电机和控制系统，可以根据特定的作业场地和任务要求设定特殊的运动系统，达到作业需求。每个关节都具有相似的驱动控制系统，可以简化设计步骤。二自由度关节电机工作电流大、输出力矩大、定位精度高，要求其驱动系统在工作时能承载大电流，并满足小体积、高精度以及功耗高效等多种因素条件。
2 二自由度关节的研究现状
二自由度关节是模块化机械手臂的重要组成部分，二自由度关节技术也是模块化机械手臂的核心技术之一。模块化机械手臂自被发明以来，迅速的应用到各个领域，尤其是工业领域，极大的提高了工作效率，替代了大量重复的人力劳动。一方面，模块化机械手臂可以在一些不适合人类或者人类极难接近的极限环境下工作，如核反应堆和地震救灾现场等，保障了在这些领域工作的工作人员的安全；另一方面，模块化机械手臂在重复性大且较为枯燥的工作环境下，可以很好的代替人工作业，防止了工作人员因高强度工作而疏忽工作从而导致的意外发生。随着现代生产以及科学进步的发展，人们对于模块化机械手臂提出了更高的要求，接下来将具体介绍二自由度关节在国内以及国外的研究现状[3]。
2.1 国外二自由度关节的研究现状
二自由度关节的概念首先在国外被提出，并且多家公司和科研机构开始进行深入的研究，目前已有部分公司可以进行批量生产。国外的多个国家如美、德、加、日等的研究机构和公司[3]对此投入了大量的投资研究和探索，并且已经取得了一些世界领先的成果和技术。目前己经有机电一体化公司规模化生产出售模块化的机器人，并投入到了实际生产之中。
2.2 国内关节机械臂的研究现状
我国的机械手臂研究起步较晚，比较滞后，国内的一些研究高效和科学研究所如哈尔滨工业大学、北京航空航天大学和中国科学院合肥物质研究院等，开始投入模块化机器人的研究之中，目前己有部分单位做成实物并正在进行改进优化。如中国科学院合肥物质科学研究院和北京邮电大学联合研制的空间机械手臂原型[4]。它由３个一体化的二自由度关节和１个手爪组成，机械臂的集成的二自由度关节部分由直流无刷电机、谐波减速器、掉电刹车以及旋转变压器等构成。由于模块化的思想，所有的二自由度关节都是用的同一套驱动控制系统，驱动系统分为驱动板和开发板。哈尔滨工业大学与德国宇航中心联合也进行了相关的研究与实验[5]，也是一种模块化的关节，每个关节之间都通过连杆连接，并且不同的连接方式可以组成不同的机械手臂。该模块化关节由直流无刷电机作为驱动源，并且采用谐波减速器实现减速功能。同样地，它的内部也安装了各类传感器，并将其集成，用于检测力矩、位置和温度等，用于反馈环节以形成闭环；采用模块化和机电一体化的设计思想，整个机械臂高度集成，重量轻、输出力矩大；各个关节之间可以实时串行通信[6]。
从目前国内外的机械手臂的研究现状可以看出，机械手臂正朝着功能多样化、机电一体化和模块化的方向发展。
3 谐波传动
随着制造业自动化水平的提高，越来越多的工业机器人被应用到流水工作线中，而工业机器人机构中减速机始终是人们研究的热点问题，工业机器人在选用减速机时主要考虑到其传动精度、承载能力、使用寿命等因素，谐波减速器突出的优点符合工业机器人执行结构要求，小型工业机器人和大中型工业机器人的小臂和腕部多选用谐波减速器。
3.1国内外研究现状
我国在上世纪60年代初引进第一台谐波减速器，并开始对谐波传动产品进行积极的研制工作，在1983年我国成立了谐波传动研究室，次年，国内的“谐波减速器标准系列产品”在北京通过鉴定[7]。1993年，我国制订了谐波减速器制造标准 GB/T14118-93,成为了掌握谐波齿轮传动技术的国家之一。目前，我国有以北京中技克美谐波传动公司、北京谐波传动技术研究所、北京精密机械研究所、郑州机械研究所为代表的十几家单位专门从事谐波传动产品的研究和生产工作，在传动精度和灵敏度方面取得了很大突破，为我国谐波传动的研制开发工作打下了坚实的基础[8~10]，这些突破性成果已经被成功应用于航空航天、机器人、数控机床、雷达传动系统等领域。国内学者也在谐波传动的齿形方面取得了一定成果，确定了圆弧齿廓在谐波传动中应用的合理性。值得注意的是，苏州绿的谐波传动科技有限公司生产的机器人用精密谐波减速器取得的多项技术和研究成果处于国际领先地位，取得了16项国家发明专利和23项实用新型专利，在产业化推进方面也拥有丰富的经验，为国产机器人产业化做出了贡献[11]。
