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1、詳解機器人手腕結構圖作者:日期:【詳解】機器人手腕結構圖機器人手腕是連接末端操作器和手臂的部件，它的作用是調節(jié)或改變工件的方位，因而它具有獨立的自由度，以 使機器人末端操作器適應復雜的動作要求。工業(yè)機器人一般 需要6個自由度才能使手部達到目標位置并處于期望的姿 態(tài)。為了使手部能處于空間任意方向，要求腕部能實現(xiàn)對空間三個坐標軸x、y、z的轉動，即具有翻轉、俯仰和偏轉三 個自由度，如圖2. 3 1所示。通常也把手腕的翻轉叫做Ro 1l,用R表示；把手腕的俯仰叫做 Pi tch,用P表示；把手 腕的偏轉叫Yaw ,用丫表示。圖2.31手腕的自由度（a）繞z軸轉動；（b）繞y軸轉動；（c） 繞x軸轉動
2、；（d）繞x、y、z軸轉動手腕的分類1.按自由度數(shù)目來分手腕按自由度數(shù)目來分，可分為單自由度手腕、2自由度手腕和3自由度手腕。（1）單自由度手腕，如圖2.32所示。圖（a ）是一種翻轉（R o II）關節(jié)，它把手臂縱軸線和手腕關節(jié)軸線構成共軸形式。這 種R關節(jié)旋轉角度大，可達到3 6 0以上。圖（b）、（c）是一種折曲（Ben d ）關節(jié)（簡稱B關節(jié)）,關節(jié)軸線與前后兩個 連接件的軸線相垂直。這種B關節(jié)因為受到結構上的干涉，旋轉角度小，大大限制了方向角。圖（d）所示為移動關節(jié)。圖2.32單自由度手腕(a) R手腕；(b ) B手腕；(c)Y手腕；(d) T手腕2自由度手腕 如圖2. 3 3所示
3、。2自由度手腕可以由一 個R關節(jié)和一個B關節(jié)組成B R手腕(見圖2 .3 3 (a),也可 以由兩個B關節(jié)組成BB手腕(見圖2.33(b)。但是，不能由 兩個R關節(jié)組成 RR手腕，因為兩個R共軸線，所以退化 了一個自由度，實際只構成了單自由度手腕，見圖2.33( c )。圖2.33二自由度手腕(a ) BR手腕；(b) 手腕；(c) RR手腕(3)3自由度手腕，如圖2.34所示。3自由度手腕可以由B關節(jié)和R關節(jié)組成許多種形式。圖2.34( a )所示是通常見到的BBR手腕，使手部具有俯仰、偏轉和翻轉運動，即RPY運動。圖2. 3 4(b)所示是一個B關節(jié)和兩個R關節(jié)組成的BRR手腕，為了不使自
4、由度退化，使手部產(chǎn)生RPY運動，第一個R關節(jié)必須進行如圖所示的偏置。圖2.3 4(c)所示是三個R關節(jié)組成的R RR手腕，它也可以實現(xiàn)手部RPY運 動。圖2.3 4 (d)所示是BBB手腕，很明顯，它已退化為二自由度 手腕，只有PY運動,實際上不采用這種手腕。 此外， B關節(jié) 和R關節(jié)排列的次序不同，也會產(chǎn)生不同的效果，同時產(chǎn)生了 其它形式的三自由度手腕。為了使手腕結構緊湊，通常把兩個B關節(jié)安裝在一個十字接頭上，這對于BBR手腕來說，大大減小了手腕縱向尺寸。圖2.34三自由度手腕,BB R手腕；（b） BR R手腕；（c ） RRR手腕；（d） BBB手 腕2.按驅動方式來分手腕按驅動方式來分
5、，可分為直接驅動 手腕和遠距離傳動手腕。圖2.35所示為M o o g公司的一種液壓直接驅動B BR手腕， 設計緊湊巧妙。M 1、M2、M3是液壓馬達，直接驅動手腕的偏轉、俯仰和翻轉三個自由度軸。圖2 .36所示為一種遠距離傳動的RB R手腕。川軸的轉動使整個手腕翻轉，即第一個R關節(jié)運動。軸的轉動使手腕獲 得俯仰運動，即第二個B關節(jié)運動。I軸的轉動即第三個R關節(jié)運動。當c軸一離開紙平面后，RBR手腕便在三個自由度軸上輸出RPY運動。這種遠距離傳動的好處是可以把尺寸、重量都較大的驅動源放在遠離手腕處，有時放在手臂的后端作平衡重量用，這不僅減輕了手腕的整體重量，而且改善了機器人的整體結構的 平衡性
6、。圖2.3 5液壓直接驅動B BR手腕圖 2. 3 6遠距離傳動R B R手腕手腕的典型結構設計手腕時除應滿足啟動和傳送過程中所需的輸出力矩外，還要求手腕結構簡單，緊湊輕巧，避免干涉，傳動靈活；多數(shù)情況下，要求將腕部結構的驅動部分安排在小臂上，使外形整齊；設法使幾個電動機的運動傳遞到同軸旋轉的心軸和多 層套筒上去，運動傳入腕部后再分別實現(xiàn)各個動作。下面介紹幾個常見的機器人手腕結構。圖2. 3 7所示為雙手懸掛式機器人實現(xiàn)手腕回轉和左右擺動 的結構圖。 A -A剖面所表示的是油缸外殼轉動而中心軸不 動，以實現(xiàn)手腕的左右擺動；B-B剖面所表示的是油缸外殼不 動而中心軸回轉，以實現(xiàn)手腕的回轉運動。其
7、油路的分布如圖2.37所示。圖2. 37手腕回轉和左右擺動的結構圖圖2.3 8所示為PT -6 0 0型弧焊機器人手腕部結構圖和傳動 原理圖。由圖可以看出，這是一個具有腕擺與手轉兩個自由 度的手腕結構，其傳動路線為：腕擺電動機通過同步齒形帶傳動帶動腕擺諧波減速器 7,減速器的輸出軸帶動腕擺框1實現(xiàn)腕擺運動；手轉電動機通過同步齒形帶傳動帶動手轉諧 波減速器10,減速器的輸出通過一對錐齒輪9實現(xiàn)手轉運動。需要注意的是，當腕擺框擺動而手轉電動機不轉時，聯(lián) 接末端執(zhí)行器的錐齒輪在另一錐齒輪上滾動，將產(chǎn)生附加的手轉運動，在控制上要進行修正。圖2.38 PT-6 0 0型弧焊機器人手腕結構圖圖2.39所示
8、為K U K A I R-6 6 2/100型機器人的手腕傳 動原理圖。這是一個具有 3個自由度的手腕結構，關節(jié)配置形式為臂轉、腕擺、手轉結構。其傳動鏈分成兩部分：一部分在機器人小臂殼內，3個電動機的輸出通過帶傳動分別 傳遞到同軸傳動的心軸、中間套、外套筒上；另一部分傳動鏈安排在手腕部，圖2.4 0所示為手腕部分的裝配圖。圖2.39 K UKAIR-662/1 0 0型機器人手腕傳動圖圖2.40KUK A IR-662/100型機器人手腕裝配圖其傳動路線為：(1)臂轉運動。臂部外套筒與手腕殼體7通過端面法蘭聯(lián)接，外套筒直接帶動整個手腕旋轉完成臂轉運 動。(2) 腕擺運動。臂部中間套通過花鍵與空
9、心軸4聯(lián)接，空心軸另一端通過一對錐齒輪 12、13帶動腕擺諧波減速器的波 發(fā)生器16,波發(fā)生器上套有軸承和柔輪14,諧波減速器的定輪1 0與手腕殼體相聯(lián)，動輪1 1通過蓋1 8和腕擺殼體1 9 相固接，當中間套帶動空心軸旋轉時，腕擺殼體作腕擺運 動。(3) 手轉運動。臂部心軸通過花鍵與腕部中心軸2聯(lián)接，中心軸的另一端通過一對錐齒輪 45、4 6帶動花鍵軸4 1 ,花鍵 軸的一端通過同步齒形帶傳動 44、3 6帶動花鍵軸3 5,再 通過一對錐齒輪傳動 33、17帶動手轉諧波減速器的波發(fā)生器25,波發(fā)生器上套有軸承和柔輪 29，諧波減速器的定輪31 通過底座34與腕擺殼體相聯(lián)，動輪24通過安裝架2
10、3與聯(lián)接 手部的法蘭盤3 0相固定,當臂部心軸帶動腕部中心軸旋轉時，法蘭盤作手轉運動。柔順手腕結構在用機器人進行的精密裝配作業(yè)中，當被裝配零件之間的配合精度相當高，由于被裝配零件的不一致性，工件的定 位夾具、機器人手爪的定位精度無法滿足裝配要求時，會導致裝配困難，因而，柔順性裝配技術有兩種：一種是從檢測、 控制的角度出發(fā)，采取各種不同的搜索方法 實現(xiàn)邊校正邊裝配；有的手爪還配有檢測元件，如視覺傳感器（如圖2.41所示）、力傳感器等，這就是所謂主動柔順裝 配。另一種是從結構的角度出發(fā)，在手腕部配置一個柔順環(huán)節(jié)，以滿足柔順裝配的需要，這種柔順裝配技術稱為被動 柔順裝配。圖2. 4 1帶檢測元件的手
11、圖2.42所示是具有移動和擺動浮動機構的柔順手腕。水平浮動機構由平面、鋼球和彈簧構成，實現(xiàn)在兩個方向上進行浮 動；擺動浮動機構由上、下球面和彈簧構成，實現(xiàn)兩個方向的擺動。在裝配作業(yè)中，如遇夾具定位不準或機器人手爪定位 不準時，可自行校正。其動作過程如圖2.43所示，在插入裝配中工件局部被卡住時 將會受到阻力， 促使柔順手腕起作用， 使手爪有一個微 小的修正量，工件便能順利插入。圖 2.4 4所示是另一種結構 形式的柔順手腕， 其工作原理與上述柔順手腕相似。圖2.4 5所示是采用板彈簧作為柔性元件組成的柔順手腕 在基座上通過板彈簧1、2聯(lián)接框架，框架另兩個側面上通過板彈簧3、4聯(lián)接平板和軸，裝配時通過4塊板彈簧的變形實現(xiàn)柔順性裝配。圖2.4 6所示是采用數(shù)根鋼絲彈簧并聯(lián)組成的柔順手腕。圖2. 42移動擺動柔順手腕圖2. 43柔順手腕動作過程圖2. 44柔順手腕鋼絲彈簧柔順手腕圖2.45板彈簧柔順手腕圖 2.46
詳解機器人手腕結構圖
