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1、詳解機(jī)器人手腕結(jié)構(gòu)圖作者:日期:【詳解】機(jī)器人手腕結(jié)構(gòu)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)或改變工件的方位，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(dòng)作要求。工業(yè)機(jī)器人一般 需要6個(gè)自由度才能使手部達(dá)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(shí)現(xiàn)對(duì)空間三個(gè)坐標(biāo)軸x、y、z的轉(zhuǎn)動(dòng)，即具有翻轉(zhuǎn)、俯仰和偏轉(zhuǎn)三 個(gè)自由度，如圖2. 3 1所示。通常也把手腕的翻轉(zhuǎn)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(zhuǎn)叫Yaw ,用丫表示。圖2.31手腕的自由度（a）繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)；（b）繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)；（c） 繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)

2、；（d）繞x、y、z軸轉(zhuǎn)動(dòng)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(dá)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(gè) 連接件的軸線相垂直。這種B關(guān)節(jié)因?yàn)槭艿浇Y(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(dòng)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) 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(gè)R關(guān)節(jié)和一個(gè)B關(guān)節(jié)組成B R手腕(見圖2 .3 3 (a),也可 以由兩個(gè)B關(guān)節(jié)組成BB手腕(見圖2.33(b)。但是，不能由 兩個(gè)R關(guān)節(jié)組成 RR手腕，因?yàn)閮蓚€(gè)R共軸線，所以退化 了一個(gè)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) 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)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(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即RPY運(yùn)動(dòng)。圖2. 3 4(b)所示是一個(gè)B關(guān)節(jié)和兩個(gè)R關(guān)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(yùn)動(dòng)，第一個(gè)R關(guān)節(jié)必須進(jìn)行如圖所示的偏置。圖2.3 4(c)所示是三個(gè)R關(guān)節(jié)組成的R RR手腕，它也可以實(shí)現(xiàn)手部RPY運(yùn) 動(dòng)。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(yùn)動(dòng),實(shí)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(huì)產(chǎn)生不同的效果，同時(shí)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(gè)B關(guān)節(jié)安裝在一個(gè)十字接頭上，這對(duì)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(qū)動(dòng)方式來分手腕按驅(qū)動(dòng)方式來分

5、，可分為直接驅(qū)動(dòng) 手腕和遠(yuǎn)距離傳動(dòng)手腕。圖2.35所示為M o o g公司的一種液壓直接驅(qū)動(dòng)B BR手腕， 設(shè)計(jì)緊湊巧妙。M 1、M2、M3是液壓馬達(dá)，直接驅(qū)動(dòng)手腕的偏轉(zhuǎn)、俯仰和翻轉(zhuǎn)三個(gè)自由度軸。圖2 .36所示為一種遠(yuǎn)距離傳動(dòng)的RB R手腕。川軸的轉(zhuǎn)動(dòng)使整個(gè)手腕翻轉(zhuǎn)，即第一個(gè)R關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。軸的轉(zhuǎn)動(dòng)使手腕獲 得俯仰運(yùn)動(dòng)，即第二個(gè)B關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。I軸的轉(zhuǎn)動(dòng)即第三個(gè)R關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)c軸一離開紙平面后，RBR手腕便在三個(gè)自由度軸上輸出RPY運(yùn)動(dòng)。這種遠(yuǎn)距離傳動(dòng)的好處是可以把尺寸、重量都較大的驅(qū)動(dòng)源放在遠(yuǎn)離手腕處，有時(shí)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(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)的 平衡性

6、。圖2.3 5液壓直接驅(qū)動(dòng)B BR手腕圖 2. 3 6遠(yuǎn)距離傳動(dòng)R B R手腕手腕的典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手腕時(shí)除應(yīng)滿足啟動(dòng)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(dòng)靈活；多數(shù)情況下，要求將腕部結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)部分安排在小臂上，使外形整齊；設(shè)法使幾個(gè)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)傳遞到同軸旋轉(zhuǎn)的心軸和多 層套筒上去，運(yùn)動(dòng)傳入腕部后再分別實(shí)現(xiàn)各個(gè)動(dòng)作。下面介紹幾個(gè)常見的機(jī)器人手腕結(jié)構(gòu)。圖2. 3 7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(dòng) 的結(jié)構(gòu)圖。 A -A剖面所表示的是油缸外殼轉(zhuǎn)動(dòng)而中心軸不 動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)手腕的左右擺動(dòng)；B-B剖面所表示的是油缸外殼不 動(dòng)而中心軸回轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其

7、油路的分布如圖2.37所示。圖2. 37手腕回轉(zhuǎn)和左右擺動(dòng)的結(jié)構(gòu)圖圖2.3 8所示為PT -6 0 0型弧焊機(jī)器人手腕部結(jié)構(gòu)圖和傳動(dòng) 原理圖。由圖可以看出，這是一個(gè)具有腕擺與手轉(zhuǎn)兩個(gè)自由 度的手腕結(jié)構(gòu)，其傳動(dòng)路線為：腕擺電動(dòng)機(jī)通過同步齒形帶傳動(dòng)帶動(dòng)腕擺諧波減速器 7,減速器的輸出軸帶動(dòng)腕擺框1實(shí)現(xiàn)腕擺運(yùn)動(dòng)；手轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)通過同步齒形帶傳動(dòng)帶動(dòng)手轉(zhuǎn)諧 波減速器10,減速器的輸出通過一對(duì)錐齒輪9實(shí)現(xiàn)手轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。需要注意的是，當(dāng)腕擺框擺動(dòng)而手轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)時(shí)，聯(lián) 接末端執(zhí)行器的錐齒輪在另一錐齒輪上滾動(dòng)，將產(chǎn)生附加的手轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在控制上要進(jìn)行修正。圖2.38 PT-6 0 0型弧焊機(jī)器人手腕結(jié)構(gòu)圖圖2.39所示

8、為K U K A I R-6 6 2/100型機(jī)器人的手腕傳 動(dòng)原理圖。這是一個(gè)具有 3個(gè)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(dòng)鏈分成兩部分：一部分在機(jī)器人小臂殼內(nèi)，3個(gè)電動(dòng)機(jī)的輸出通過帶傳動(dòng)分別 傳遞到同軸傳動(dòng)的心軸、中間套、外套筒上；另一部分傳動(dòng)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(jī)器人手腕傳動(dòng)圖圖2.40KUK A IR-662/100型機(jī)器人手腕裝配圖其傳動(dòng)路線為：(1)臂轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。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(dòng)整個(gè)手腕旋轉(zhuǎn)完成臂轉(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng)。(2) 腕擺運(yùn)動(dòng)。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(duì)錐齒輪 12、13帶動(dòng)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(dòng)輪1 1通過蓋1 8和腕擺殼體1 9 相固接，當(dāng)中間套帶動(dòng)空心軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，腕擺殼體作腕擺運(yùn) 動(dòng)。(3) 手轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。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(duì)錐齒輪 45、4 6帶動(dòng)花鍵軸4 1 ,花鍵 軸的一端通過同步齒形帶傳動(dòng) 44、3 6帶動(dòng)花鍵軸3 5,再 通過一對(duì)錐齒輪傳動(dòng) 33、17帶動(dòng)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(dòng)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(dāng)臂部心軸帶動(dòng)腕部中心軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，法蘭盤作手轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。柔順手腕結(jié)構(gòu)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當(dāng)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要求時(shí)，會(huì)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(cè)、 控制的角度出發(fā)，采取各種不同的搜索方法 實(shí)現(xiàn)邊校正邊裝配；有的手爪還配有檢測(cè)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(dòng)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(gè)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(dòng) 柔順裝配。圖2. 4 1帶檢測(cè)元件的手

11、圖2.42所示是具有移動(dòng)和擺動(dòng)浮動(dòng)機(jī)構(gòu)的柔順手腕。水平浮動(dòng)機(jī)構(gòu)由平面、鋼球和彈簧構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)在兩個(gè)方向上進(jìn)行浮 動(dòng)；擺動(dòng)浮動(dòng)機(jī)構(gòu)由上、下球面和彈簧構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的擺動(dòng)。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(shí)，可自行校正。其動(dòng)作過程如圖2.43所示，在插入裝配中工件局部被卡住時(shí) 將會(huì)受到阻力， 促使柔順手腕起作用， 使手爪有一個(gè)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(gè)側(cè)面上通過板彈簧3、4聯(lián)接平板和軸，裝配時(shí)通過4塊板彈簧的變形實(shí)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(dòng)擺動(dòng)柔順手腕圖2. 43柔順手腕動(dòng)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