1、【详解】机器人手腕结构图机器人手腕是连接末端操作器和手臂的部件,它的作用是调节或改变工件的方位, 因而它具有独立的自由度,以使机器人末端操作器适应复杂的动作要求。工业机器人一般需要 6 个自由度才能使手部达到目标位置并处于期望的姿态。为了使手部能处于空间任意方向, 要求腕部能实现对空间三个坐标轴 x、y、z 的转动, 即具有翻转、俯仰和偏转三个自由度,如图 2.31 所示。通常也把手腕的翻转叫做 Roll, 用 R 表示; 把手腕的俯仰叫做 Pitch, 用 P 表示; 把手腕的偏转叫 Yaw, 用 Y 表示。图 2.31 手腕的自由度 (a) 绕 z 轴转动; (b) 绕 y 轴转动; (c
2、) 绕 x 轴转动; (d) 绕 x、 y、 z 轴转动手腕的分类1. 按自由度数目来分手腕按自由度数目来分, 可分为单自由度手腕、 2 自由度手腕和 3 自由度手腕。(1) 单自由度手腕，如图 2.32 所示。图(a)是一种翻转(Roll)关节, 它把手臂纵轴线和手腕关节轴线构成共轴形式。这种R 关节旋转角度大, 可达到 360以上。图(b)、 (c)是一种折曲(Bend)关节(简称 B 关节), 关节轴线与前后两个连接件的轴线相垂直。这种 B 关节因为受到结构上的干涉, 旋转角度小, 大大限制了方向角。图(d)所示为移动关节。图 2.32 单自由度手腕 (a) R 手腕； (b) B 手腕
3、; (c) Y 手腕； (d) T 手腕(2) 2 自由度手腕，如图 2.33 所示。2 自由度手腕可以由一个 R 关节和一个 B 关节组成 BR 手腕(见图 2.33(a)，也可以由两个 B 关节组成 BB 手腕( 见图 2.33(b)。但是, 不能由两个 R 关节组成 RR 手腕, 因为两个 R 共轴线, 所以退化了一个自由度, 实际只构成了单自由度手腕，见图 2.33(c)。图 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，如图 2.34 所示。3 自由度手腕可以由 B关节和 R 关节组成许多种形式。图 2.34(a)所示是通常
4、见到的 BBR 手腕, 使手部具有俯仰、偏转和翻转运动, 即 RPY运动。图 2.34(b)所示是一个 B 关节和两个 R 关节组成的BRR 手腕, 为了不使自由度退化 , 使手部产生 RPY 运动,第一个 R 关节必须进行如图所示的偏置。图 2.34(c)所示是三个 R 关节组成的 RRR 手腕,它也可以实现手部 RPY 运动。图 2.34(d)所示是 BBB 手腕, 很明显, 它已退化为二自由度手腕,只有 PY 运动,实际上不采用这种手腕。此外, B 关节和R 关节排列的次序不同,也会产生不同的效果,同时产生了其它形式的三自由度手腕。为了使手腕结构紧凑, 通常把两个B 关节安装在一个十字接
5、头上, 这对于 BBR 手腕来说，大大减小了手腕纵向尺寸。 图 2.34 三自由度手腕 (a) BBR 手腕; (b) BRR 手腕; (c) RRR 手腕; (d) BBB 手腕2. 按驱动方式来分手腕按驱动方式来分,可分为直接驱动手腕和远距离传动手腕。图 2.35 所示为 Moog 公司的一种液压直接驱动 BBR 手腕, 设计紧凑巧妙。 M1、M2 、M3 是液压马达, 直接驱动手腕的偏转、俯仰和翻转三个自由度轴。图 2.36 所示为一种远距离传动的 RBR 手腕。轴的转动使整个手腕翻转, 即第一个 R 关节运动。轴的转动使手腕获得俯仰运动, 即第二个 B 关节运动。轴的转动即第三个R 关
6、节运动。当 c 轴一离开纸平面后, RBR 手腕便在三个自由度轴上输出 RPY 运动。这种远距离传动的好处是可以把尺寸、重量都较大的驱动源放在远离手腕处, 有时放在手臂的后端作平衡重量用,这不仅减轻了手腕的整体重量, 而且改善了机器人的整体结构的平衡性。图 2.35 液压直接驱动 BBR 手腕图 2.36 远距离传动 RBR 手腕手腕的典型结构设计手腕时除应满足启动和传送过程中所需的输出力矩外, 还要求手腕结构简单,紧凑轻巧,避免干涉,传动灵活; 多数情况下，要求将腕部结构的驱动部分安排在小臂上, 使外形整齐; 设法使几个电动机的运动传递到同轴旋转的心轴和多层套筒上去, 运动传入腕部后再分别实
7、现各个动作。下面介绍几个常见的机器人手腕结构。图 2.37 所示为双手悬挂式机器人实现手腕回转和左右摆动的结构图。 A-A 剖面所表示的是油缸外壳转动而中心轴不动, 以实现手腕的左右摆动；B-B 剖面所表示的是油缸外壳不动而中心轴回转, 以实现手腕的回转运动。其油路的分布如图 2.37 所示。图 2.37 手腕回转和左右摆动的结构图图 2.38 所示为 PT600 型弧焊机器人手腕部结构图和传动原理图。由图可以看出, 这是一个具有腕摆与手转两个自由度的手腕结构, 其传动路线为: 腕摆电动机通过同步齿形带传动带动腕摆谐波减速器 7, 减速器的输出轴带动腕摆框 1实现腕摆运动; 手转电动机通过同步
8、齿形带传动带动手转谐波减速器 10, 减速器的输出通过一对锥齿轮 9 实现手转运动。需要注意的是, 当腕摆框摆动而手转电动机不转时, 联接末端执行器的锥齿轮在另一锥齿轮上滚动, 将产生附加的手转运动, 在控制上要进行修正。图 2.38 PT-600 型弧焊机器人手腕结构图图 2.39 所示为 KUKA IR-662100 型机器人的手腕传动原理图。这是一个具有 3 个自由度的手腕结构, 关节配置形式为臂转、 腕摆、 手转结构。其传动链分成两部分: 一部分在机器人小臂壳内, 3 个电动机的输出通过带传动分别传递到同轴传动的心轴、中间套、 外套筒上; 另一部分传动链安排在手腕部, 图 2.40 所
9、示为手腕部分的装配图。图 2.39 KUKA IR-662/100 型机器人手腕传动图图 2.40 KUKA IR-662/100 型机器人手腕装配图其传动路线为:(1) 臂转运动。臂部外套筒与手腕壳体 7 通过端面法兰联接,外套筒直接带动整个手腕旋转完成臂转运动。(2) 腕摆运动。臂部中间套通过花键与空心轴 4 联接, 空心轴另一端通过一对锥齿轮 12、13 带动腕摆谐波减速器的波发生器 16, 波发生器上套有轴承和柔轮 14,谐波减速器的定轮 10 与手腕壳体相联, 动轮 11 通过盖 18 和腕摆壳体 19 相固接, 当中间套带动空心轴旋转时, 腕摆壳体作腕摆运动。(3) 手转运动。臂部
10、心轴通过花键与腕部中心轴 2 联接, 中心轴的另一端通过一对锥齿轮 45、46 带动花键轴 41, 花键轴的一端通过同步齿形带传动 44、36 带动花键轴 35, 再通过一对锥齿轮传动 33、17 带动手转谐波减速器的波发生器25, 波发生器上套有轴承和柔轮 29, 谐波减速器的定轮 31通过底座 34 与腕摆壳体相联,动轮 24 通过安装架 23 与联接手部的法兰盘 30 相固定, 当臂部心轴带动腕部中心轴旋转时, 法兰盘作手转运动。柔顺手腕结构在用机器人进行的精密装配作业中, 当被装配零件之间的配合精度相当高, 由于被装配零件的不一致性, 工件的定位夹具、 机器人手爪的定位精度无法满足装配
11、要求时, 会导致装配困难, 因而, 柔顺性装配技术有两种：一种是从检测、 控制的角度出发, 采取各种不同的搜索方法, 实现边校正边装配; 有的手爪还配有检测元件, 如视觉传感器(如图 2.41 所示)、力传感器等, 这就是所谓主动柔顺装配。 另一种是从结构的角度出发, 在手腕部配置一个柔顺环节, 以满足柔顺装配的需要, 这种柔顺装配技术称为被动柔顺装配。图 2.41 带检测元件的手图 2.42 所示是具有移动和摆动浮动机构的柔顺手腕。水平浮动机构由平面、钢球和弹簧构成,实现在两个方向上进行浮动; 摆动浮动机构由上、下球面和弹簧构成, 实现两个方向的摆动。在装配作业中,如遇夹具定位不准或机器人手
12、爪定位不准时, 可自行校正。其动作过程如图 2.43 所示, 在插入装配中工件局部被卡住时,将会受到阻力, 促使柔顺手腕起作用, 使手爪有一个微小的修正量,工件便能顺利插入。图 2.44 所示是另一种结构形式的柔顺手腕, 其工作原理与上述柔顺手腕相似。图 2.45 所示是采用板弹簧作为柔性元件组成的柔顺手腕, 在基座上通过板弹簧 1、2 联接框架, 框架另两个侧面上通过板弹簧 3、4 联接平板和轴,装配时通过 4 块板弹簧的变形实现柔顺性装配。图 2.46 所示是采用数根钢丝弹簧并联组成的柔顺手腕。 图 2.42 移动摆动柔顺手腕 图 2.43 柔顺手腕动作过程 图 2.44 柔顺手腕 图 2.45 板弹簧柔顺手腕 图 2.46 钢丝弹簧柔顺手腕
