機器人腕部結構

機器人腕部結構

主講周蘭引言：腕部是臂部和手部的連接件，起支承手部和改變手部姿態(tài)的作用。

一、手腕的自由度

1．手腕的自由度：

為了使手部能處于空間任意方向，要求腕部能實現對空間三個坐標軸X、Y、Z的旋轉運動。這便是腕部運動的三個自由度，分別稱為翻轉R（Roll）、俯仰P（Pitch）和偏轉Y（Yaw）。并不是所有的手腕都必須具備三個自由度，而是根據實際使用的工作性能要求來確定。手腕自由度圖例：腕部坐標系手腕的偏轉手腕的俯仰手腕的回轉二、手腕的設計要求

結構緊湊、重量輕；動作靈活、平穩(wěn)，定位精度高；強度、剛度高；與臂部及手部的連接部位的合理連接結構，傳感器和驅動裝置的合理布局及安裝等。三、手腕的分類

1．按自由度的數目分（1）：

單自由度手腕：

手腕在空間可具有三個自由度，也可以具備以下單一功能：單一的翻轉功能：手腕的關節(jié)軸線與手臂的縱軸線共線，?；剞D角度不受結構限制，可以回轉360°以上。該運動用翻轉關節(jié)（R關節(jié)）實現。單一的俯仰功能：手腕關節(jié)軸線與手臂及手的軸線相互垂直，轉角度受結構限制，通常小于360°。該運動用折曲關節(jié)（B關節(jié)）實現。單一的偏轉功能：手腕關節(jié)軸線與手臂及手的軸線在另一個方向上相互垂直；轉角度受結構限制，通常小于360°。該運動用折曲關節(jié)（B關節(jié)）實現。單自由度手腕圖例：R手腕B手腕B手腕T手腕1．按自由度的數目分（2）：二自由度手腕：

可以由一個R關節(jié)和一個B關節(jié)聯合構成BR關節(jié)實現，或由兩個B關節(jié)組成BB關節(jié)實現，但不能由兩個RR關節(jié)構成二自由度手腕，因為兩個R關節(jié)的功能是重復的，實際上只起到單自由度的作用。二自由度手腕圖例：BR手腕BB手腕RR手腕(屬于單自由度)1．按自由度的數目分（3）：三自由度手腕：有R關節(jié)和B關節(jié)的組合構成的三自由度手腕可以有多種型式，實現翻轉、俯仰和偏轉功能。三自由度手腕圖例：BBR手腕BBR手腕B

2．按手腕的驅動方式分：

直接驅動手腕：

驅動源直接裝在手腕上。這種直接驅動手腕的關鍵是能否設計和加工出尺寸小、重量輕而驅動扭矩大、驅動性能好的驅動電機或液壓馬達。遠距離傳動手腕：

有時為了保證具有足夠大的驅動力，驅動裝置又不能做得足夠小，同時也為了減輕手腕的重量，采用遠距離的驅動方式，可以實現三個自由度的運動。液壓直接驅動BBR手腕圖例：RBB俯仰偏轉回轉遠距離傳動手腕圖例：問題：1、各軸分別實現什么運動？2、當手腕進行俯仰運動時，能否同時進行回轉運動？3、三個運動能否同時進行？回轉運動俯仰運動偏轉運動動作分解：偏轉運動俯仰運動回轉運動四、典型結構1．擺動液壓缸（又稱回轉液壓缸）：

結構：

由缸體、隔板、葉片、花鍵套等主要部件構成。其中葉片7固定在轉子上，用花鍵將轉子與驅動軸連接，用螺栓2將隔板與缸體連接。工作原理：在密封的缸體內，隔板與活動葉片之間圍成兩個油腔，相當油缸中的無桿腔和有桿腔。液壓力作用在活動葉片的端面上，對傳動軸中心產生力矩使被驅動軸轉動。擺動缸轉角在270°左右。擺動液壓缸結構圖：2．單自由度回轉運動手腕：結構特點：

機器人手部的張合是由汽缸驅動的，而手腕的回轉運動則由回轉液壓缸實現。工作原理：將夾緊汽缸的外殼與擺動油缸的動片連接在一起，當擺動液壓缸中不同的油腔中進油時，即可實現手腕不同方向的擺動。單回轉油缸驅動手腕圖例：問題：手部轉軸是與油缸的什么部件相聯？3．雙回轉油缸驅動手腕：結構特點：采用雙回轉油缸驅動，一個帶動手腕作俯仰運動，另一個油缸帶動手腕作回轉運動。V-V視圖表示的回轉缸中動片帶動回轉油缸的剛體，定片與固定中心軸聯結實現俯仰運動；L-L視圖表示回轉缸中動片與回轉中心軸聯結，定片與油缸缸體聯結實現回轉運動。雙回轉油缸驅動手腕圖例：3．輪系驅動的二自由度BR手腕：

結構特點：

由輪系驅動可實現手腕回轉和俯仰運動，其中手腕的回轉運動由傳動軸S傳遞，手腕的俯仰運動由傳動軸B傳遞。輪系驅動二自由度手腕圖例（1）：回轉運動：

軸S旋轉→錐齒輪副Z1、Z2→錐齒輪副Z3、Z4→手腕與錐齒輪Z4為一體→手腕實現繞C軸的旋轉運動俯仰回轉輪系驅動二自由度手腕圖例（2）：俯仰運動：

軸B旋轉→錐齒輪副Z5、Z6→軸A旋轉→手腕殼體7與軸A固聯→手腕實現繞A軸的俯仰運動輪系驅動二自由度手腕圖例（3）：附加回轉運動：

軸S不轉而B軸回轉→錐齒輪Z3不轉→錐齒輪Z3、Z4相嚙合→迫使Z4繞C軸線有一個附加的自轉，即為附加回轉運動。附加回轉運動在實際使用時應予以考慮。必要時應加以利用或補償。附加運動動作分解：軸主動齒輪固定不動行星運動輪系驅動二自由度手腕圖例（4）：思考題：

圖中所示的情況，當S軸不輸入，只有B軸輸入時，腕部存在哪些運動，為什么？4．輪系驅動的三自由度手腕：

結構特點：該機構為由齒輪、鏈輪傳動實現的偏轉、俯仰和回轉三個自由度運動的手腕結構。輪系驅動三自由度手腕圖例（1）：回轉運動：軸S旋轉→齒輪副Z10/Z23、Z23/Z11→錐齒輪副Z12、Z13→錐齒輪副Z14、Z15→手腕與錐齒輪Z15為一體→手腕實現旋轉運動俯仰回轉偏轉輪系驅動三自由度手腕圖例（2）：俯仰運動：軸B旋轉→齒輪副Z24/Z21，Z21/Z22→齒輪副Z20、Z16→齒輪副Z16、Z17→齒輪副Z17、Z18→軸19旋轉→手腕殼體與軸19固聯→實現手腕的俯仰運動直線運動轉化為旋轉運動：輪系驅動三自由度手腕圖例（3）：偏轉運動：油缸1中的活塞左右移動→帶動鏈輪2旋轉→錐齒輪副Z3/Z4→帶動花鍵軸5、6旋轉→花鍵軸6與行星架9連在一起→帶動行星架及手腕作偏轉運動輪系驅動三自由度手腕圖例（4）：附加俯仰運動：軸B、軸S不轉而T軸回轉→齒輪Z23、Z21不轉→當行星架回轉時→迫使齒輪Z22繞齒輪Z21的過程中自轉→經過Z20、Z16、Z17、Z18實現附加俯仰運動輪系驅動三自由度手腕圖例（5）：附加回轉運動：軸B、軸S不轉而T軸回轉→齒輪Z23、Z21不轉→當行星架回轉時→迫使齒輪Z11繞齒輪Z23的過程中