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1、 詳解機器人手腕結(jié)構(gòu)圖 作者: 日期: 【詳解】機器人手腕結(jié)構(gòu)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(diào)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(yīng)復(fù)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(biāo)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(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. 3 1所示。通常也把手腕的翻轉(zhuǎn)叫做 Ro 1 l,用R表示；把手腕的俯仰叫做 Pi tch,用P表示；把手 腕的偏轉(zhuǎn)叫Yaw ,用丫表示。 圖2.31手腕的自由度（a

2、）繞z軸轉(zhuǎn)動；（b）繞y軸轉(zhuǎn)動；（c） 繞x軸轉(zhuǎn)動； （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)（R o II）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，可達到3 6 0°以上。圖（b）、 （c）是 一種折曲（Ben d ）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)因為受到結(jié)構(gòu)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

3、「 (a) R手腕；(b ) B手腕；(c) Y手腕；(d) T手腕 ⑵2自由度手腕 如圖2. 3 3所示。2自由度手腕可以由一 個R關(guān)節(jié)和一個B關(guān)節(jié)組成B R手腕(見圖2 .3 3 (a)),也可 以由兩個B關(guān)節(jié)組成BB手腕(見圖2.33(b))。但是，不能由 兩個R關(guān)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(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) 手腕；(c) R R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)組成許多種形式。圖 2.34( a )所示是通常見到

4、 的BBR手腕， 使手部具有俯仰、偏轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)運動 ，即RP Y運動。圖2. 3 4(b)所示是一個B關(guān)節(jié)和兩個 R關(guān)節(jié)組成的 BRR手腕，為了不使自由度退化， 使手部產(chǎn)生RPY運動， 第一個R關(guān)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(guān)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(guān)節(jié) 和R關(guān)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(jié)構(gòu)緊湊，通常把兩 個B關(guān)節(jié)安裝在一個十字接頭上，這對于BB

5、R手腕來說，大 大減小了手腕縱向尺寸。 圖2.34三自由度手腕, ⑻BB R手腕；（b） BR R手腕；（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M o o g公司的一種液壓直接驅(qū)動B BR手腕， 設(shè)計緊湊巧妙。 M 1、M2、M3是液壓馬達，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 RB R手腕。川軸的轉(zhuǎn)動使 整個手腕翻轉(zhuǎn)，即第一個R關(guān)節(jié)運動?！踺S的轉(zhuǎn)動使手腕獲 得俯仰運動，即第二個B關(guān)節(jié)運動。I軸的轉(zhuǎn)動即第三個 R 關(guān)節(jié)運動。當(dāng)c軸一

6、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(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(jié)構(gòu)的 平衡性。 圖2.3 5液壓直接驅(qū)動B BR手腕 圖 2. 3 6遠(yuǎn)距離傳動R B R手腕 手腕的典型結(jié)構(gòu) 設(shè)計手腕時除應(yīng)滿足啟動和傳送過程中所需的輸出力矩外 ， 還要求手腕結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的驅(qū)動部分安排在小臂上， 使外形整 齊；設(shè)法使幾個電動機的運動傳遞到同軸旋轉(zhuǎn)的心軸和多 層套筒上去，運動傳

7、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(jié)構(gòu)。 圖2. 3 7所示為雙手懸掛式機器人實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)和左右擺動 的結(jié)構(gòu)圖。 A -A剖面所表示的是油缸外殼轉(zhuǎn)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(zhuǎn)， 以實現(xiàn)手腕的回轉(zhuǎn)運動。其油路的分布 如圖2.37所示。 圖2. 37手腕回轉(zhuǎn)和左右擺動的結(jié)構(gòu)圖 圖2.3 8所示為PT -6 0 0型弧焊機器人手腕部結(jié)構(gòu)圖和傳動 原理圖。由圖可以看出，這是一個具有腕擺與手轉(zhuǎn)兩個自由 度的手腕結(jié)構(gòu)， 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

8、 1 實現(xiàn)腕擺運動；手轉(zhuǎn)電動機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實現(xiàn)手轉(zhuǎn)運 動。需要注意的是，當(dāng)腕擺框擺動而手轉(zhuǎn)電動機不轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)圖 圖2.39所示為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(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)配置 形式為臂轉(zhuǎn)、腕擺、手轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。其傳動鏈分成兩部分 ：一 部分在機器人小臂殼內(nèi)，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、

9、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 UKA IR-662/1 0 0型機器人手腕傳動圖圖 2.40 KUK A IR-662/100型機器人手腕裝配圖 其傳動路線為：(1)臂轉(zhuǎn)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(zhuǎn)完成臂轉(zhuǎn)運 動。 (2) 腕擺運動。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(dāng)中間

10、套帶動空心軸旋轉(zhuǎn)時，腕擺殼體作腕擺運 動。 (3) 手轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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23與聯(lián)接 手部的法蘭盤3 0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)運動。 柔順手腕結(jié)構(gòu) 在用機器人進行的精密裝配作業(yè)中， 當(dāng)被裝配零件之間的 配合精度相當(dāng)高，由于被裝

11、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(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(jié)構(gòu)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(shù)稱為被動 柔順裝配。 圖2. 4 1帶檢測元件的手 圖2.42所示是具有移動和擺動浮動機構(gòu)的柔順手腕。 水平浮 動機構(gòu)由平面、鋼球和彈簧構(gòu)成，實現(xiàn)在兩個方向上進行浮 動；擺動浮動機構(gòu)由上、下球

12、面和彈簧構(gòu)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(zhǔn)或機器人手爪定位 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(jié)構(gòu) 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(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