第三章3.3機器人腕部結(jié)構(gòu)

1、第三章機器人的機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)3.3機器人腕部結(jié)構(gòu)丄【內(nèi)容提要】本課主要學(xué)習(xí)工業(yè)機器人腕部結(jié)構(gòu)。介紹機器人腕部的三種運動、兩種轉(zhuǎn)動；機器人腕部的自由度；腕部的驅(qū)動方式；機器人的柔順腕部以及機器人腕部典型結(jié)構(gòu)。知識要點：? 機器人腕部分類? 手腕的自由度? 手腕的驅(qū)動方式? 柔順腕部? 腕部典型結(jié)構(gòu)重點：? 掌握機器人腕部的分類? 掌握機器人手腕的自由度? 掌握機器人手腕的驅(qū)動方式? 掌握機器人腕部典型結(jié)構(gòu)難點：? 掌握機器人腕部的分類? 機器人腕部典型結(jié)構(gòu)關(guān)鍵字:手腕、柔順腕部、腕部自由度丄【本課內(nèi)容相關(guān)資料】3.3機器人腕部結(jié)構(gòu)腕部是連接機器人的小臂與末端執(zhí)行器（臂部和手部）之間的結(jié)構(gòu)部件，其作

2、用是利用自身的活動度來確定手部的空間姿態(tài)，從而確定手部的作業(yè)方向。對于一般的機器人，與手部相連接的腕部都具有獨驅(qū)自轉(zhuǎn)的功能，若腕部能在空間取任意方位，那么與之相連的手部就可在空間取任意姿態(tài)，即達到完全靈活。多數(shù)將腕部結(jié)構(gòu)的驅(qū)動部分安排在小臂上。腕部是臂部與手部的連接部件，起支承手部和改變手部姿態(tài)的作用。目前，RRR型三自由度腕部應(yīng)用較普遍。3.3.1機器人腕部的轉(zhuǎn)動方式1. 腕部的運動機器人一般具有6個自由度才能使手部（末端執(zhí)行器）達到目標位置和處于期望的姿態(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3個坐標軸x，y, z的旋轉(zhuǎn)運動，如圖3-15所示。這便是腕部的 3個運動：腕部旋

3、轉(zhuǎn)、腕部彎曲、腕部側(cè)擺，或稱為 3個自 由度。（1）腕部旋轉(zhuǎn)腕部旋轉(zhuǎn)是指腕部繞小臂軸線的轉(zhuǎn)動，又叫做臂轉(zhuǎn)。有些機器人限制其腕部轉(zhuǎn)動角度小于360°另一些機器人則僅僅受到控制電纜纏繞圈數(shù)的限制，腕部可以轉(zhuǎn)幾圈。如圖3-15a所示。a）臂轉(zhuǎn)b）手轉(zhuǎn)c）腕擺d）腕部坐標系圖3-15腕部的三個運動和坐標系腕部彎曲腕部彎曲是指腕部的上下擺動，這種運動也稱為俯仰，又叫做手轉(zhuǎn)。如圖3-15b所示。腕部側(cè)擺腕部側(cè)擺指機器人腕部的水平擺動，又叫做腕擺。腕部的旋轉(zhuǎn)和俯仰兩種運動結(jié)合起來3-15C所示?？梢钥闯墒莻?cè)擺運動，通常機器人的側(cè)擺運動由一個單獨的關(guān)節(jié)提供。如圖腕部結(jié)構(gòu)多為上述三個回轉(zhuǎn)方式的組合，組

4、合的方式可以有多種形式，常用的腕部組合的方式有：臂轉(zhuǎn)-腕擺-手轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，臂轉(zhuǎn)-雙腕擺-手轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)等，如圖3-16所示。a）臂轉(zhuǎn)、腕擺、手轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)b）臂轉(zhuǎn)、雙腕擺、手轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)圖3-16腕部的組合方式2. 腕部的轉(zhuǎn)動按腕部轉(zhuǎn)動特點的不同，用于腕部關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動又可細分為滾轉(zhuǎn)和彎轉(zhuǎn)兩種。滾轉(zhuǎn)是指組成關(guān)節(jié)的兩個零件自身的幾何回轉(zhuǎn)中心和相對運動的回轉(zhuǎn)軸線重合，因而能實現(xiàn)360。無障礙旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)運動，通常用 R來標記，如圖3-17a所示。彎轉(zhuǎn)是指兩個零件的幾何回轉(zhuǎn)中心和其相對轉(zhuǎn)動軸線垂直的關(guān)節(jié)運動。受到結(jié)構(gòu)的限制，其相對轉(zhuǎn)動角度一般小于360°。彎轉(zhuǎn)通常用 B來標記，如圖3-17b所示。圖3-17腕部關(guān)節(jié)的

5、滾轉(zhuǎn)和彎轉(zhuǎn)可見滾轉(zhuǎn)可以實現(xiàn)腕部的旋轉(zhuǎn),彎轉(zhuǎn)可以實現(xiàn)腕部的彎曲，滾轉(zhuǎn)和彎轉(zhuǎn)的結(jié)合就實現(xiàn)了腕部的側(cè)擺。3.3.2機器人腕部的自由度并不是所有的腕部都必須具備3個自由度，腕部實際所需要的自由度數(shù)目應(yīng)根據(jù)實際使用的工作要求和機器人的工作性能來確定。在有些情況下，腕部具有2個自由度，即翻轉(zhuǎn)和俯仰或翻轉(zhuǎn)和偏轉(zhuǎn)。一些專用機械手甚至沒有腕部，但有些腕部為了滿足特殊要求還有橫向 移動自由度。1. 單自由度腕部具有幾種單一自由度功能的腕部，如圖3-18所示。a）單一的臂轉(zhuǎn)功能 b）單一的手轉(zhuǎn)功能 c）單一的側(cè)擺功能 d）單一的平移功能 圖3-18單一自由度功能的腕部（1）單一的臂轉(zhuǎn)功能腕部的關(guān)節(jié)軸線與手臂的縱軸線

6、共線，?；剞D(zhuǎn)角度不受結(jié)構(gòu)限制，可以回轉(zhuǎn)360°以上。該運動用滾轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（R關(guān)節(jié)）實現(xiàn)，如圖3-18a所示。（2）單一的手轉(zhuǎn)功能腕部關(guān)節(jié)軸線與手臂及手的軸線相互垂直，?；剞D(zhuǎn)角度受到結(jié)構(gòu)限制，通常小于360° 該運動用彎轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（B關(guān)節(jié)）實現(xiàn)，如圖3-18b所示。單一的側(cè)擺功能腕部關(guān)節(jié)軸線與手臂及手的軸線在另一個方向上相互垂直；?；剞D(zhuǎn)角度受到結(jié)構(gòu)限制, 通常小于360°該運動用彎轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（B關(guān)節(jié)）實現(xiàn)，如圖 3-18c所示。（4）單一的平移功能不能轉(zhuǎn)動只能平移。該運動用腕部關(guān)節(jié)軸線與手臂及手的軸線在一個方向上成一平面;平移關(guān)節(jié)（T關(guān)節(jié)）實現(xiàn)，如圖3-18d所示。2. 二自由

7、度腕部可以由一個滾轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個彎轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)聯(lián)合構(gòu)成滾轉(zhuǎn)彎轉(zhuǎn)BR關(guān)節(jié)實現(xiàn)；或由兩個彎轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成BB關(guān)節(jié)實現(xiàn)；但不能由兩個滾轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)RR構(gòu)成二自由度腕部，因為兩個滾轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的圖3-19二自由度腕部3-19所示。3. 三自由度腕部由R關(guān)節(jié)和B關(guān)節(jié)的組合構(gòu)成的三自由度腕部可以有多種形式，實現(xiàn)臂轉(zhuǎn)、手轉(zhuǎn)和腕擺功能?？梢宰C明，三自由度腕部能使手部取得空間任意姿態(tài)。圖 部的6種結(jié)合方式示意圖。3-20所示為三自由度腕a)BBR型 b)BRR 型 c)RBR 型 d)BRB 型 e)RBB 型 f)RRR 型圖3-20 6種三自由度腕部的結(jié)合方式示意圖腕部結(jié)構(gòu)的設(shè)計要滿足傳動靈活、結(jié)構(gòu)緊湊輕巧、避免干涉。機器人多數(shù)將

8、腕部結(jié)構(gòu)的 驅(qū)動部分安排在小臂上。首先設(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。運動傳入腕部后再分別實現(xiàn)各個動作。3.3.3機器人腕部的驅(qū)動方式多數(shù)機器人將腕部結(jié)構(gòu)的驅(qū)動部分安排在小臂上。首先設(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，當運動傳入腕部后再分別實現(xiàn)各個動作。從驅(qū)動方式看，腕部驅(qū)動一般有兩種形式，即直接驅(qū)動和遠程驅(qū)動。1. 直接驅(qū)動直接驅(qū)動是指驅(qū)動器安裝在腕部運動關(guān)節(jié)的附近直接驅(qū)動關(guān)節(jié)運動，因而傳動路線短，傳動剛度好，但腕部的尺寸和質(zhì)量大、慣量大。如圖3-21所示，為Moog公司的一種液壓直接驅(qū)動BBR手腕，設(shè)計緊湊巧妙。Mi、M2、M3是液壓馬達，

9、直接驅(qū)動手腕的偏轉(zhuǎn)、俯仰和翻轉(zhuǎn)三個自由度軸。I偏轉(zhuǎn)n圖3-21液壓直接驅(qū)動BBR腕部重量輕驅(qū)動源直接裝在腕部上，這種直接驅(qū)動腕部的關(guān)鍵是能否設(shè)計和加工出尺寸小、 而驅(qū)動轉(zhuǎn)矩大、驅(qū)動性能好的驅(qū)動電動機或液壓馬達。2. 遠程驅(qū)動遠程驅(qū)動方式的驅(qū)動器安裝在機器人的大臂、基座或小臂遠端，通過連桿、鏈條或其他傳動機構(gòu)間接驅(qū)動腕部關(guān)節(jié)運動， 因而腕部的結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸和質(zhì)量小，對改善機器人的整 體動態(tài)性能有好處，但傳動設(shè)計復(fù)雜，傳動剛度也降低了。如圖3-22所示，軸I做回轉(zhuǎn)運動，軸H做俯仰運動，軸川做偏轉(zhuǎn)運動。圖3-22遠程傳動腕部RRR型手腕容易實現(xiàn)遠距傳動。RRR型手腕的結(jié)構(gòu)如圖 3-23和圖3-24所

10、示。為了實現(xiàn)運動的傳遞，RRR型手腕的中間關(guān)節(jié)是斜置的，三根轉(zhuǎn)動軸內(nèi)外套在同一轉(zhuǎn)動軸線上， 最外面的轉(zhuǎn)動軸套直接驅(qū)動整個手腕轉(zhuǎn)動，中間的軸套驅(qū)動斜置的中間關(guān)節(jié)運動，中心軸驅(qū)動第三個滾轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。PUMA 262機器人的手腕部就采用了這種遠程關(guān)節(jié)傳動形式。RRR型手腕制造簡單，潤滑條件好，機械效率高，應(yīng)用較為普遍。圖3-23 RRR型手腕結(jié)構(gòu)示意圖圖3-24 RRR型手腕關(guān)節(jié)遠程傳動示意圖3.3.4機器人的柔順腕部一般來說，在用機器人進行精密裝配作業(yè)中，當被裝配零件不一致，工件的定位夾具、機器人的定位精度不能滿足裝配要求時，會導(dǎo)致裝配困難。這就提出了裝配動作的柔順性要求。柔順裝配技術(shù)有兩種，包括主動

11、柔順裝配和被動柔順裝配。1.主動柔順裝配從檢測、控制的角度，采取各種不同的搜索方法，可以實現(xiàn)邊校正邊裝配。如在手爪上裝有如視覺傳感器、力傳感器等檢測元件，這種柔順裝配稱為“主動柔順裝配”。主動柔順腕部需裝配一定功能的傳感器，價格較貴；另外，由于反饋控制響應(yīng)能力的限制，裝配速度較慢。2.被動柔順裝配從機械結(jié)構(gòu)的角度在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”(RCC。被動柔順腕部結(jié)構(gòu)比較簡單，價格比較便宜，裝配速度較快。相比主動柔順裝配技術(shù)，它要求裝配件要有傾角，允許的校正補償量受到傾角的限制，軸孔間隙不能太小。采用被動柔順裝配技術(shù)的機器人腕部稱為機器人的柔

12、順腕部。如圖3-25 所示。(1)柔順腕部的構(gòu)成水平浮動機構(gòu)由下浮動件和彈簧其動作過程如圖在柔順腕部中，圖3-25a是一個具有水平和擺動浮動機構(gòu)的柔順腕部。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、 構(gòu)成，實現(xiàn)兩個方向的擺動。(2)柔順腕部的原理在裝配作業(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。3-25b所示，在插入裝配中，工件局部被卡住時，將會受到阻力，促使柔順腕部起作用，使 手爪有一個微小的修正量，工件便能順利地插入。a)結(jié)構(gòu)b)動作過程下浮動件4鋼球5中空固定件6 螺釘7、8-彈簧9工件圖3-25柔順腕部3.3.5機器人腕部典型結(jié)構(gòu)1.單自由度手腕圖3

13、-26所示為采用回轉(zhuǎn)油缸的手腕結(jié)構(gòu)。定片I與后蓋3，回轉(zhuǎn)缸體6和前蓋7均用螺 釘和銷子進行連接和定位，動片 2 與手部的夾緊油缸缸體 （或轉(zhuǎn)軸 ）4 用鍵連接。缸體 4 與指 座 8 固連成一體。 當回轉(zhuǎn)油缸的兩腔分別通入壓力油時， 驅(qū)動動片連同夾緊油缸缸體 4 和指 座 8 一同轉(zhuǎn)動，即是手腕的回轉(zhuǎn)運動。此手腕具有結(jié)構(gòu)簡單和緊湊等優(yōu)點。圖 3-26 單自由度手腕回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)1- 定片； 2- 動片； 3- 后蓋； 4- 夾緊缸體； 5- 活塞桿； 6- 回轉(zhuǎn)缸體； 7- 前蓋； 8- 指座2. 二自由度手腕圖 3-27 所示為采用齒輪傳動機構(gòu)實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)和俯仰的二自由度手腕。手腕的回轉(zhuǎn)運 動由傳

14、動軸 S 傳遞，軸 S 驅(qū)動錐齒輪 1 回轉(zhuǎn)，并帶動錐齒輪 2、3、4 轉(zhuǎn)動。因手腕與錐齒輪 4為一體，從而實現(xiàn)手部繞 C軸的回轉(zhuǎn)運動。手腕的俯仰由傳動軸B傳遞，軸B驅(qū)動錐齒輪5回轉(zhuǎn)，并帶動錐齒輪6繞A軸回轉(zhuǎn)，因手腕的殼體7與傳動軸A用銷子連接為一體， 從而 實現(xiàn)手腕的俯仰運動。圖 3-27 實現(xiàn)回轉(zhuǎn)與俯仰的二自由度腕部結(jié)構(gòu)1-手腕； 2-中心軸； 3-固定中心軸； 4-定片； 5-擺動回轉(zhuǎn)油缸； 6-動片； 7-回轉(zhuǎn)軸； 8-回轉(zhuǎn)油缸圖3-28齒輪傳動回轉(zhuǎn)和俯仰型腕部原理由圖3-28可知，當S軸不轉(zhuǎn)而B軸回轉(zhuǎn)時，B軸除帶動手腕繞 A軸上下擺動外，還帶 動錐齒輪4也繞A軸作轉(zhuǎn)動。由于 S軸不轉(zhuǎn)

15、，故錐齒輪 3不轉(zhuǎn)，但錐齒輪 4與3相嚙合， 因此，迫使錐齒輪4繞C軸線有一個附加的自轉(zhuǎn)， 即為手腕的附加回轉(zhuǎn)運動。 因手腕俯仰運 動引起的手腕附加回轉(zhuǎn)運動被稱為誘導(dǎo)運動，這在考慮手腕的回轉(zhuǎn)運動時應(yīng)予以注意。圖3-29 KUKA IR 662/100型機器人的手腕傳動原理圖圖3-29所示為KUKA IR 662100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、外套筒上;另一部分傳動鏈安排在手腕部。圖3-30所示為手腕部分的裝配圖。1-軸承

16、；2-中心軸鏈輪；3, 4, 42, 49-軸套；4, 28-空心軸；6, 8, 20, 32, 47-端蓋；7-手腕殼體；9, 12, 21, 22,26, 50-壓蓋；10 , 31-定輪；11, 24-動輪；12, 13 , 45, 46-錐齒輪；14, 29-柔輪；16 , 25-波發(fā)生器；17, 33-錐齒輪傳動；18, 40-蓋；19-腕擺殼體；23-安裝架；27, 37 , 48-軸；30-法蘭盤；34-底座；35, 41-花鍵軸；36, 44-同步齒形 帶傳動；38 , 43-軸承套；39-固定架圖3-30 KUKAIR662100型機器人的手腕轉(zhuǎn)配圖其傳動路線如下： 臂轉(zhuǎn)運動

17、。臂部外套筒與手腕殼體7通過端面法蘭連接，外套筒直接帶動整個手腕旋轉(zhuǎn)完成臂轉(zhuǎn)運動； 腕擺運動。臂部中間套通過花鍵與空心軸4連接，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)生器上套有軸承與柔輪14,諧波減速器的定輪10與手腕殼體相連，動輪11通過蓋18和腕擺殼體19相固連，當中間套帶動空心軸旋轉(zhuǎn)時，腕擺殼體作腕擺運動； 手轉(zhuǎn)運動。臂部心軸通過花鍵與腕部中心軸2連接，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

18、波減速器的定輪 31通過底座34與腕擺殼體相連，動輪24通過安裝架23與連接手部的法蘭盤30相固定，當臂部心軸帶動腕部中心軸旋轉(zhuǎn)時，法蘭盤作手轉(zhuǎn)運動。然而，臂轉(zhuǎn)、腕擺、手轉(zhuǎn)三個傳動并不是相互獨立的，彼此之間存在較復(fù)雜的干涉現(xiàn)象。當中心軸2和空心軸4固定不轉(zhuǎn)，僅有手腕殼體7作臂轉(zhuǎn)運動時，由于錐齒輪12不轉(zhuǎn)，錐齒輪13在其上滾動，因此有附加的腕轉(zhuǎn)輸出；同理，錐齒輪 45在錐齒輪46上滾動時，也 產(chǎn)生附加的手轉(zhuǎn)運動。 當中心軸2和手腕殼體7固定不轉(zhuǎn)、空心軸4轉(zhuǎn)動使手腕作腕擺運動 時，也會產(chǎn)生附加的手轉(zhuǎn)運動。這些在最后要通過控制系統(tǒng)進行修正。3. 三自由度手腕圖3-31所示為齒輪、鏈輪傳動實現(xiàn)偏轉(zhuǎn)、俯

19、仰和回轉(zhuǎn)三個自由度運動的手腕原理圖。齒輪鏈輪傳動三自由度手腕在圖3-30所示手腕的基礎(chǔ)上增加了一個360。偏轉(zhuǎn)運動。其工作原理如下：當油缸1中的活塞作左右移動時，通過鏈條、鏈輪2、錐齒輪3和4帶動花鍵軸5和6轉(zhuǎn)動，而花鍵軸6與行星架9連成一體，因而也就帶動行星架作偏轉(zhuǎn)運動，即為手腕所增加的360。偏轉(zhuǎn)運動。由于增加了T軸（即花鍵軸6）的偏轉(zhuǎn)運動，將誘使手腕產(chǎn)生附加俯仰和附加回轉(zhuǎn)運動。 這兩個誘導(dǎo)運動產(chǎn)生的原因是當傳動軸B和傳動軸S不動時，齒輪21和23是相對不動的，由于行星架9的回轉(zhuǎn)運動，勢必引起齒輪22繞齒輪21和齒輪11繞齒輪23的轉(zhuǎn)動，齒輪22的自轉(zhuǎn)通過錐齒輪 20、16、17、18傳遞到擺動軸19,引起手腕 的誘導(dǎo)俯仰運動。而齒輪 11的自轉(zhuǎn)通過錐齒輪12、13、14、15傳遞到手部夾緊缸的殼體， 使手腕作誘導(dǎo)回轉(zhuǎn)運動。同樣當S T軸不動時，B軸的轉(zhuǎn)動