图1  微装配技术适用的装配工位

微关节机械手臂使微型装配技术的高精度自动化解决方案成为可能。该方案中，驱动装置是获得高精度的有利保障。在旋转轴的运动中，利用Harmonic驱动装置能够获得的运动精度高达0.001°，重复定位精度高达±0.02mm。

每当提到微型化和复杂性时，人们首先会想到体积越来越小巧而功能越来越强大的导航系统和移动通讯设备。但是现在微型化的发展趋势和复杂性的提高已不仅仅体现在高投资高产出和消费品生产等企业中了，在高科技技术领域，例如医药技术、精密加工、光伏太阳能技术以及光学和声学技术等领域中也都体现的淋漓尽致。目前，在这些领域中正大量进行着多种多样的研究工作，尤其是在发达国家。在微加工和精密加工技术领域中，灵活的自动化技术解决方案已经成为新产品研发早期阶段中不可或缺的重要内容。

灵活的小型装配系统的市场需求在提高

在这样的背景条件下，市场对生产、处理和检验小型及最小型零部件的微型装配系统的需求不断提高。以前，在微型装配技术中经常使用的是装配机床，它不仅比装配零件的体积大，而且需要占用更多空间。另外，这些机床设备非常笨重，很难移动且价格昂贵，最重要的是其很难满足设备对高绝对精度的要求。在小批量高投入的特殊产品的生产中，为了经济生产，大多数厂商还是会选择采用最原始的手工操作。从实验室向产品生产切实可行的实际应用技术的迈进也就此中断；当生产费用过高，不符合产品产量的经济性要求或生产设备太复杂、投资风险太大时，厂商就会重新采用传统的生产手段。

也正因为如此，专业的自动化技术厂商Schunk公司研发了带有MGA微关节手臂的模块化桌面机器人。这是一个在微装配技术领域中能够完成不同自动化任务的高效解决方案（图1）。其基于积木式的结构设计，由一个Z轴旋转的机器人关节和一个微关节旋转机构组成，具有独特的运动学性能，满足了各个领域的使用要求。

由于各个关节之间的间距可以自由选择确定，从而可以非常准确的根据实际需要保证微型机器人自由度的要求。这一系统可以自由配置的运动轴最多为4个，有大量的手指组合应用可能性，并且具有配备摄像监视器和传感器的可能性，因此其具有很高的重复定位精度。例如其旋转轴的定位精度可达0.001°，重复定位精度可达±0.02mm。这一微型关节臂之所以能够如此精准的工作，一方面归功于其所使用的技术方案：所有微型化的零部件都能准确的相互平衡协调工作；另一方面要归功于专门为微型装配机器人关节而研发设计的Harmonic电动驱动装置（图2）。

图2  带有Harmonic驱动装置微型机器人手臂关节的剖视图

对于这一结构紧凑且运动精准的微型机器人关节提出的要求也是非常高的，而且是多方面的，包括适于高动态运动过程的高速度；要有合理的内置电缆解决方案，不能从外部看到电缆；要保证尽可能大的活动范围，同时也要保证整体系统的工作可靠性；保证运动传递过程中很高的重复精度和精确性。

微型机器人关节设计的特点

针对这些要求，Schunk公司与Harmonic驱动技术公司结成了微型机器人电动关节研发的技术合作伙伴关系，共同设计了独具结构特色的微型机器人手臂驱动装置：在Harmonic驱动技术公司Wave发电机中集成了一套行星齿轮变速系统。这样，就能在很小的空间内精确实现较高的变速比。这是非常必要的，因为目前在小功率范围内，小型电动机是通过很高的转速来实现其功率传递的，而不是利用扭矩来传递功率的。行星齿轮系统的大减速比能产生很大的传动扭矩，从而为动态定位提供强大的加速性能。

作为一家在市场中因机器人模块而著称的企业，Schunk公司在微型机器人手臂MGA的设计中充分利用了其多年来伺服轴集成技术方面的经验，以及除驱动技术以外复杂的控制和调节技术方面的经验。另外，与模块化机器人关节和大批量生产相关的专业知识也被应用到微型机器人中，为满足不可见电缆的方案设计贡献力量。

不限制运动的内置电缆槽设计

在MGA微型手臂关节中集成有坚固的电缆槽，用于敷设Starflex电缆。这一内置电缆槽的设计非常合理，保证了不对微型机器人手臂的运动构成限制。这一关节模块允许的摆动角度非常大，保证从-135°~135°之间都能灵活的运动。另外，集成在Harmonic驱动装置里的机械限位也能保证电缆在微型手臂运动过程中不受损失，保障了整个微型机器人系统的工作可靠性。

为了使这一微型关节能够在微型上下料系统中成功的得到应用，其不仅要有非常高的灵活性和极小的体积，而且还要保证无间隙的精确运动过程。很高的重复精度和高准确性的运动传递是对它提出的最重要的要求。Harmonic无间隙驱动装置在微型关节中有着非常重要的作用和意义。

这种传动装置的特点在于：只需3个零件就实现了性能强大的、无间隙的、高减速的精密传动。椭圆形的Wave发电机是动力源，通过球轴承驱动柔轮；而柔轮又与有着Circular Spline轴的椭圆轴相连接。在Wave电动机旋转时，作为主轴的椭圆轴也离开齿形啮合的区域范围。由于柔轮比Circular Spline轴少两个齿，因此在Wave电动机旋转一周时，柔轮和Circular Spline轴的旋转相差两个齿。齿的相对运动几乎仅限于有较低运动速度的径向运动，即使在高速运动时也是如此。这样也就可以忽略齿的磨损，使传动装置在整个使用寿命周期内几乎没有间隙。

方案出台后，许多Harmonic驱动装置都成功应用到微型机器人手臂关节中。在第一个MGA微型机器人关节的应用还处于研究和实验室阶段时，这一系统就已经在工业化的大批量生产中得到了广泛应用。

从为数不多的几个大批量生产案例来看，这种适用于微型和精密零部件装配的解决方案已经从研究阶段走到了实际生产应用中，并成为工业企业创新的推动力：今天，许多技术更新都会涉及微型世界和纳米世界。未来，这种在小型化和微型化生产中满足高精度要求的系统也有着决定性的意义和作用。