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1、【詳解】機(jī)器人手腕構(gòu)造圖 機(jī)器人手腕是連接末端操作器和手臂的部件,它的作用是調(diào)節(jié)或變化工件的方位, 因而它具有獨(dú)立的自由度,以使機(jī)器人末端操作器適應(yīng)復(fù)雜的動作規(guī)定。工業(yè)機(jī)器人一般需要6個自由度才干使手部達(dá)到目的位置并處在盼望的姿態(tài)。為了使手部能處在空間任意方向, 規(guī)定腕部能實(shí)現(xiàn)對空間三個坐標(biāo)軸x、y、z的轉(zhuǎn)動, 即具有翻轉(zhuǎn)、俯仰和偏轉(zhuǎn)三個自由度,如圖2.31所示。一般也把手腕的翻轉(zhuǎn)叫做Roll, 用R表達(dá); 把手腕的俯仰叫做Pitch, 用P表達(dá); 把手腕的偏轉(zhuǎn)叫Yaw, 用Y表達(dá)。 圖 2.31 手腕的自由度 (a) 繞z軸轉(zhuǎn)動; (b) 繞y軸轉(zhuǎn)動; (c) 繞x軸轉(zhuǎn)動;

2、(d) 繞x、 y、 z軸轉(zhuǎn)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(zhuǎn)(Roll)關(guān)節(jié), 它把手臂縱軸線和手腕關(guān)節(jié)軸線構(gòu)成共軸形式。這種R關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度大, 可達(dá)到360°以上。圖(b)、 (c)是一種折曲(Bend)關(guān)節(jié)(簡稱B關(guān)節(jié)), 關(guān)節(jié)軸線與前后兩個連接件的軸線相垂直。這種B關(guān)節(jié)由于受到構(gòu)造上的干涉, 旋轉(zhuǎn)角度小, 大大限制了方向角。圖(d)所示為移動關(guān)節(jié)。 圖 2.32 單自由度手腕 (a) R手腕； (b) B手腕; (c) Y手腕； (d)

3、T手腕 (2) 2自由度手腕，如圖2.33所示。2自由度手腕可以由一種R關(guān)節(jié)和一種B關(guān)節(jié)構(gòu)成BR手腕(見圖2.33(a))，也可以由兩個B關(guān)節(jié)構(gòu)成BB手腕(見圖2.33(b))。但是, 不能由兩個R關(guān)節(jié)構(gòu)成RR手腕, 由于兩個R共軸線, 因此退化了一種自由度, 實(shí)際只構(gòu)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) BB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(guān)節(jié)和R關(guān)節(jié)構(gòu)成許多種形式。圖2.34(a)所示是一般見到的BBR手腕, 使手部具有俯仰、偏轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)運(yùn)動, 即RPY運(yùn)動。圖2.34(b

4、)所示是一種B關(guān)節(jié)和兩個R關(guān)節(jié)構(gòu)成的BRR手腕, 為了不使自由度退化, 使手部產(chǎn)生RPY運(yùn)動,第一種R關(guān)節(jié)必須進(jìn)行如圖所示的偏置。圖2.34(c)所示是三個R關(guān)節(jié)構(gòu)成的RRR手腕,它也可以實(shí)現(xiàn)手部RPY運(yùn)動。 圖2.34(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(yùn)動,事實(shí)上不采用這種手腕。此外, B關(guān)節(jié)和R關(guān)節(jié)排列的順序不同,也會產(chǎn)生不同的效果,同步產(chǎn)生了其他形式的三自由度手腕。為了使手腕構(gòu)造緊湊, 一般把兩個B關(guān)節(jié)安裝在一種十字接頭上, 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 (a) BBR手腕; (b) BRR手腕

5、; (c) RRR手腕; (d) BBB手腕 2. 按驅(qū)動方式來分手腕按驅(qū)動方式來分,可分為直接驅(qū)動手腕和遠(yuǎn)距離傳動手腕。 圖2.35所示為Moog公司的一種液壓直接驅(qū)動BBR手腕, 設(shè)計(jì)緊湊巧妙。 M1、M2、M3是液壓馬達(dá), 直接驅(qū)動手腕的偏轉(zhuǎn)、俯仰和翻轉(zhuǎn)三個自由度軸。 圖2.36所示為一種遠(yuǎn)距離傳動的RBR手腕。Ⅲ軸的轉(zhuǎn)動使整個手腕翻轉(zhuǎn), 即第一種R關(guān)節(jié)運(yùn)動。Ⅱ軸的轉(zhuǎn)動使手腕獲得俯仰運(yùn)動, 即第二個B關(guān)節(jié)運(yùn)動。Ⅰ軸的轉(zhuǎn)動即第三個R關(guān)節(jié)運(yùn)動。當(dāng)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(yùn)動。 這種遠(yuǎn)距離傳動的好處是可以把尺寸、重量都較大的驅(qū)動源放在遠(yuǎn)離手腕處, 有

6、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, 并且改善了機(jī)器人的整體構(gòu)造的平衡性。 圖 2.35 液壓直接驅(qū)動BBR手腕 圖 2.36 遠(yuǎn)距離傳動RBR手腕 手腕的典型構(gòu)造 設(shè)計(jì)手腕時除應(yīng)滿足啟動和傳送過程中所需的輸出力矩外, 還規(guī)定手腕構(gòu)造簡樸,緊湊輕巧,避免干涉,傳動靈活; 多數(shù)狀況下，規(guī)定將腕部構(gòu)造的驅(qū)動部分安排在小臂上, 使外形整潔; 設(shè)法使幾種電動機(jī)的運(yùn)動傳遞到同軸旋轉(zhuǎn)的心軸和多層套筒上去, 運(yùn)動傳入腕部后再分別實(shí)現(xiàn)各個動作。下面簡介幾種常用的機(jī)器人手腕構(gòu)造。 圖2.37所示為雙手懸掛式機(jī)器人實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)和左右擺動的構(gòu)造圖。 A-A剖面所示的是油缸外殼轉(zhuǎn)動

7、而中心軸不動, 以實(shí)現(xiàn)手腕的左右擺動；B-B剖面所示的是油缸外殼不動而中心軸回轉(zhuǎn), 以實(shí)現(xiàn)手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。其油路的分布如圖2.37所示。 圖 2.37 手腕回轉(zhuǎn)和左右擺動的構(gòu)造圖 圖2.38所示為PT－600型弧焊機(jī)器人手腕部構(gòu)造圖和傳動原理圖。由圖可以看出, 這是一種具有腕擺與手轉(zhuǎn)兩個自由度的手腕構(gòu)造, 其傳動路線為: 腕擺電動機(jī)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(shí)現(xiàn)腕擺運(yùn)動; 手轉(zhuǎn)電動機(jī)通過同步齒形帶傳動帶動手轉(zhuǎn)諧波減速器10, 減速器的輸出通過一對錐齒輪9實(shí)現(xiàn)手轉(zhuǎn)運(yùn)動。需要注意的是, 當(dāng)腕擺框擺動而手轉(zhuǎn)電動機(jī)不轉(zhuǎn)時, 聯(lián)接末端執(zhí)行器的錐齒輪在另一錐齒

8、輪上滾動, 將產(chǎn)生附加的手轉(zhuǎn)運(yùn)動, 在控制上要進(jìn)行修正。 圖 2.38 PT-600型弧焊機(jī)器人手腕構(gòu)造圖 圖2.39所示為KUKA IR-662／100型機(jī)器人的手腕傳動原理圖。這是一種具有3個自由度的手腕構(gòu)造, 關(guān)節(jié)配備形式為臂轉(zhuǎn)、 腕擺、 手轉(zhuǎn)構(gòu)造。其傳動鏈提成兩部分: 一部分在機(jī)器人小臂殼內(nèi), 3個電動機(jī)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2.40所示為手腕部分的裝配圖。 圖 2.39 KUKA IR-662/100型機(jī)器人手腕傳動圖圖 2.40 KUKA IR-662/100型機(jī)器人手腕裝配圖 其傳動路線為:(1)

9、 臂轉(zhuǎn)運(yùn)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(zhuǎn)完畢臂轉(zhuǎn)運(yùn)動。 (2) 腕擺運(yùn)動。臂部中間套通過花鍵與空心軸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10與手腕殼體相聯(lián), 動輪11通過蓋18和腕擺殼體19相固接, 當(dāng)中間套帶動空心軸旋轉(zhuǎn)時, 腕擺殼體作腕擺運(yùn)動。 (3) 手轉(zhuǎn)運(yùn)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、46帶動花鍵軸41, 花鍵軸的一端通過同步齒形帶傳動44、36帶動花鍵軸35, 再通過一對錐齒輪傳動33、17帶動手轉(zhuǎn)諧波減速

10、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23與聯(lián)接手部的法蘭盤30相固定, 當(dāng)臂部心軸帶動腕部中心軸旋轉(zhuǎn)時, 法蘭盤作手轉(zhuǎn)運(yùn)動。 柔順手腕構(gòu)造 在用機(jī)器人進(jìn)行的精密裝配作業(yè)中, 當(dāng)被裝配零件之間的配合精度相稱高, 由于被裝配零件的不一致性, 工件的定位夾具、 機(jī)器人手爪的定位精度無法滿足裝配規(guī)定期, 會導(dǎo)致裝配困難, 因而, 柔順性裝配技術(shù)有兩種： 一種是從檢測、 控制的角度出發(fā), 采用多種不同的搜索措施, 實(shí)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

11、所謂積極柔順裝配。 另一種是從構(gòu)造的角度出發(fā), 在手腕部配備一種柔順環(huán)節(jié), 以滿足柔順裝配的需要, 這種柔順裝配技術(shù)稱為被動柔順裝配。 圖 2.41 帶檢測元件的手 圖2.42所示是具有移動和擺動浮動機(jī)構(gòu)的柔順手腕。水平浮動機(jī)構(gòu)由平面、鋼球和彈簧構(gòu)成,實(shí)目前兩個方向上進(jìn)行浮動; 擺動浮動機(jī)構(gòu)由上、下球面和彈簧構(gòu)成, 實(shí)現(xiàn)兩個方向的擺動。在裝配作業(yè)中,如遇夾具定位不準(zhǔn)或機(jī)器人手爪定位不準(zhǔn)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, 使手爪有一種微小的修正量,工件便能順利插入。圖2.44所示是另一種構(gòu)造形式的柔順手腕, 其工作原理與上述柔順手腕相似。 圖2.45所示是采用板彈簧作為柔性元件構(gòu)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(cè)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(shí)現(xiàn)柔順性裝配。圖2.46所示是采用數(shù)根鋼絲彈簧并聯(lián)構(gòu)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 圖 2.45 板彈簧柔順手腕 圖 2.46 鋼絲彈簧柔順手腕