第3章3.3 机器人腕部结构

1) 1液.压1 直工接业驱机动器三人自由的度基手本腕概念
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3.3 机器人腕部结构 3 三自由度手腕
2) 1齿.轮1 链工轮业传机动器三人自由的度基腕本部概念
俯仰 偏转
回转
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❖ 结构特点： ▪ 该机构为 由齿轮、 链轮传动 实现的偏 转、俯仰 和回转三 个自由度 运动的手 腕结构。
轴主动
行星运动
齿轮固 定不动
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3.3 机器人腕部结构
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2 二自由度手腕
俯仰 1.1 工业机器人的基本概念❖思考?
▪ 图中所示的情况，当 S轴不输入，只有B轴 输入时，腕部存在哪
些运动，为什么？
回转
齿轮传动回转和俯仰型腕部原理
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3.3 机器人腕部结构
3 三自由度手腕
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3.3 机器人腕部结构
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2 腕部的转动
滚转1：.能1 实工现业36机0°器无人障的碍基旋本转的概关念节运动，通常用R来标记。
弯转：转动角度一般小于360°。弯转通常用B来标记。
滚转可以实现腕部的旋转；弯转可以实现腕部的弯曲
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3.3 机器人腕部结构
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3.3.2
1 单1.自1由工度业腕机部器人的基本概念
俯仰
偏转
回转
齿轮链轮传动三自由度手腕原理图
1—油缸；2—链轮；3、4—锥齿轮；5、6—花键轴T；7—传动轴S；8—腕架；9—行星架；10、11、22、24—圆
38 柱齿轮；12、13、14、15、16、17、18、20—锥齿轮；19—摆动轴；21、23—双联圆柱齿轮；25—传动轴B
3.3 机器人腕部结构
• 单一的翻转功能：手腕的关节轴线与手臂的纵轴线共线 ，常回转角度不受结构限制，可以回转360°以上。该 运动用翻转关节（R关节）实现。
• 单一的俯仰功能：手腕关节轴线与手臂及手的轴线相互 垂直，转角度受结构限制，通常小于360°。该运动用 折曲关节（B关节）实现。
• 单一的偏转功能：手腕关节轴线与手臂及手的轴线在另 一个方向上相互垂直；转角度受结构限制，通常小于
齿轮传动回转和俯仰型腕部原理
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3.3 机器人腕部结构
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2 二自由度手腕
俯仰 1.1 工业机器人的基本概念❖回转运动：
▪ 轴S旋转→锥齿轮副 Z1、Z2→锥齿轮副Z3 、Z4→手腕与锥齿轮 Z4为一体→手腕实现 绕C轴的旋转运动
回转
齿轮传动回转和俯仰型腕部原理
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3.3 机器人腕部结构
▪ 三自由度腕部能使手部取得空间任意姿态。
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3.3 机器人腕部结构
3 三自由度腕部
1.1 工业机器人的基本概念
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3.3.3
1 直1.接1驱工动业机器人的基本概念
❖ 直接驱动手腕
▪ 驱动源直接装在手腕上。
▪ 传动路线短，传动刚度好，尺寸和质量大，惯量大。
▪ 这种直接驱动手腕的关键是能否设计和加工出尺寸小、重 量轻而驱动扭矩大、驱动性能好的驱动电机或液压马达。
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3.3 机器人腕部结构
3.3.3
1 直1.接1驱工动业机器人的基本概念
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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。
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3.3 机器人腕部结构
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3.3 机器人腕部结构
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3.3.3
❖ R1R.R1型工手业腕机器人的基本概念
制造简单，润滑条件好，机械效率高，应用较为普遍。
RRR型手腕结构示意图
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3.3 机器人腕部结构
❖ RRR型手腕
1.1 工业机器人的基本概念
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RRR型手腕结构示意图
RRR型手腕关节远程传动示意图
▪ 采用双回转油缸驱动，一个带动手腕作 俯仰运动，另一个油缸带动手腕作回转 运动。
▪ V-V视图表示的回转缸中动片带动回转 油缸的刚体，定片与固定中心轴联结实 现俯仰运动；L-L视图表示回转缸中动片 与回转中心轴联结，定片与油缸缸体联 结实现回转运动。
3.3 机器人腕部结构
2 二自由度手腕
1.1 工业机器人的基本概念
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工业机器人基础
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第3章 机器人的机械结构系统
1.13工.1业概机述器人的基本概念 3.2 机器人机身及臂部结构 3.3 机器人腕部结构 3.4 机器人手部结构 3.5 机器人行走结构 3.6 机器人传动系统
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3.3 机器人腕部结构
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1❖.1功工用业：机器人的基本概念
▪ 直线运动转化为旋转运动 1.1 工业机器人的基本概念
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❖ 偏转运动：
▪ 油 键1轴缸.151、中工6的旋业活转塞机→左花器右键人移轴动6的与→行基带星动本架链概9轮连念2在旋一转起→→锥带齿动轮行副星Z架3/Z及4→手带腕动作偏花
转运动
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2 二自由度手腕
俯仰 1.1 工业机器人的基本概念❖俯仰运动：
▪ 轴B旋转→锥齿轮副 Z5、Z6→轴A旋转→ 手腕壳体7与轴A固联 →手腕实现绕A轴的 俯仰运动
回转
齿轮传动回转和俯仰型腕部原理
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3.3 机器人腕部结构
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2 二自由度手腕
俯仰 1.1 工业机器人的基本概念❖附加回转运动：
俯仰
偏转
回转
齿轮链轮传动三自由度手腕原理图
1—油缸；2—链轮；3、4—锥齿轮；5、6—花键轴T；7—传动轴S；8—腕架；9—行星架；10、11、22、24—圆
36 柱齿轮；12、13、14、15、16、17、18、20—锥齿轮；19—摆动轴；21、23—双联圆柱齿轮；25—传动轴B
3.3 机器人腕部结构
❖ 回转运动：
▪ 轴 Z11S4.、旋1Z转1工5→→业齿手轮腕机副与器Z锥1人0齿/Z轮的23Z、1基5Z为本23一/概Z体1→1念→手锥腕齿实轮现副旋Z转12运、动Z13→锥齿轮副
俯仰
偏转
回转
齿轮链轮传动三自由度手腕原理图
1—油缸；2—链轮；3、4—锥齿轮；5、6—花键轴T；7—传动轴S；8—腕架；9—行星架；10、11、22、24—圆
回转油缸直接驱动的单自由度腕部结构
1-定片；2-动片；3-后盖；4-夹紧缸体；5-活塞杆；6-回转缸体；7-前盖；8-指座
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3.3 机器人腕部结构
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❖ 结构特点：
▪ 机器1人.1手部工的业张合机是器由人汽缸的驱基动本的，概而念手腕的回转运动则由回转
液压缸实现。
❖ 工作原理：
▪ 将夹紧汽缸的外壳与摆动油缸的动片连接在一起，当摆动液压缸 中不同的油腔中进油时，即可实现手腕不同方向的摆动。
• 被动柔顺性装配：一种是从机械结构的角度在手腕部配置 一个柔顺环节，以满足柔顺装配的要求。
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3.3 机器人腕部结构
3.3.4
1.1 工业机器人的基本概念
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柔顺手腕结构
柔顺手腕动作过程
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3.3 机器人腕部结构
3.3.5
1 单1.自1由工度业手机腕器人的基本概念
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实现回转与俯仰的二自由度腕部结构
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2 二自由度手腕
1.1 工业机器人的基本概念
俯仰
回转
❖ 结构特点：
▪ 由轮系驱动可 实现手腕回转 和俯仰运动， 其中手腕的回 转运动由传动 轴S传递，手腕 的俯仰运动由 传动轴B传递。
1，2，3，4，5，6—锥齿轮；7—壳体；8—手腕；9—手爪
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3.3 机器人腕部结构
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3.3.1
1 腕1.部1的工运业动机器人的基本概念
手腕是联接手臂和手部的结构部件，它的主要作用 是确定手部的作业方向。因此它具有独立的自由度，以 满足机器人手部完成复杂的姿态。
要确定手部的作业方向，一般需要三个自由度，这 三个回转方向为：
１）臂转（腕部旋转）：绕小臂轴线方向的旋转。 ２）手转（腕部弯曲）：使手部绕自身的轴线方向旋转。 ３）腕摆（腕部侧摆）：使手部相对于臂进行摆动。
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❖ 附加俯仰运动：
▪ 轴 使 俯1仰齿B.、1运轮轴动Z工2S2不绕业转齿机而轮Z器T2轴1的人回过转的程→基中齿自本轮转Z概→23、经念Z过21Z不20转、→Z1当6、行Z星17、架Z回18转实时现→附迫加
▪ 腕部关节结构紧凑，尺寸和质量小，但传动设计复杂，传 动刚度也降低了。
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3.3 机器人腕部结构
3.3.3
2 远1.程1驱工动业机器人的基本概念
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偏转运动 俯仰运动 回转运动
问题：
1、各轴分别实现什么运动？
2、当手腕进行俯仰运动时，能否 同时进行回转运动？
3、三个运动能否同时进行？
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3.3 机器人腕部结构
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3.3.4
➢ 在1用.1机工器业人机进行器精人密的装基配本作概业念中，当被装配零件的不一
致、工件的定位夹具、机器人的定位精度不能满足装配 要求时，会导致装配困难。这就提出了柔顺性要求。
➢ 柔顺装配技术有两种：
• 主动柔顺性装配：从检测、控制的角度，采取各种不同的 搜索方法，实现边校正边装配。
回转油缸直接驱动的单自由度腕部结构
1-定片；2-动片；3-后盖；4-夹紧缸体；5-活塞杆；6-回转缸体；7-前盖；8-指座
3.3 机器人腕部结构
1.1 工业机器人的基本概念
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问题： 手部转轴是与油缸的什么部件相联？
3.3 机器人腕部结构
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2 二自由度手腕
1.1 工业机器人的基本概念 ❖ 结构特点：
360°。该运动用折曲关节（B关节）实现。
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3.3 机器人腕部结构 3.3.2
1 单1.自1由工度业腕机部器人的基本概念
R手腕
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B手腕
B手腕
T手腕
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3.3 机器人腕部结构
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3.3.2
2 二1.自1由工度业腕机部器人的基本概念
▪ 可以由一个R关节和一个B关节联合构成BR关节实现 ▪ 可以由两个B关节组成BB关节实现 ▪ 不能由两个RR关节构成二自由度手腕，因为两个R关
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3.3.3
2 远1.程1驱工动业机器人的基本概念
❖ 远距离传动手腕
▪ 有时为了保证具有足够大的驱动力，驱动装置又不能做得 足够小，同时也为了减轻手腕的重量，采用远距离的驱动 方式，可以实现三个自由度的运动。
▪ 驱动器安装在机器人的大臂、基座或小臂远端上，通过连 杆、链条或其他传动机构间接驱动。
▪ 轴S不转而B轴回转→
锥齿轮Z4也绕A轴转→ 锥齿轮Z3不转→锥齿轮 Z3、Z4相啮合→迫使Z4 绕C轴线有一个附加的
自转，即为附加回转运
动。
回转
▪ 附加回转运动在实际使
用时应予以考虑。必要
齿轮传动回转和俯仰型腕部原理
时应加以利用或补偿
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3.3 机器人腕部结构
附加运1动.1动工作业分机解器：人的基本概念
35 柱齿轮；12、13、14、15、16、17、18、20—锥齿轮；19—摆动轴；21、23—双联圆柱齿轮；25—传动轴B
3.3 机器人腕部结构
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❖ 俯仰运动：
▪ 轴 Z俯117仰B.→1旋运齿转动工轮→副业齿Z机1轮7、副器ZZ18人2→4/Z轴的211，9基旋Z本转21/Z→概22手→念腕齿壳轮体副与Z轴20、19固Z16联→→齿实轮现副手Z腕16的、
节的功能是重复的，实际上只起到单自由度的作用。
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3.3 机器人腕部结构
3.3.2
2 二1.自1由工度业腕机部器人的基本概念
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BR手腕
BB手腕
RR手腕(属于单自由度)
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3.3.2
3 三1.自1由工度业腕机部器人的基本概念
▪ 由R关节和B关节的组合构成的三自由度腕部可以有 多种形式，实现臂转、手转和腕摆功能。
腕部是臂部和手部的连接件，起支承手部和改变 手部姿态的作用。
人类的手是最灵活的肢体部分，能完成各种各样 的动作和任务。同样机器人的手部作为末端执行器是 完成抓握工件或执行特定作业的重要部件，也需要有 多种结构。腕部是臂部与手部的连接部件，起支承手 部和改变手部姿态的作用。目前，RRR型三自由度手 腕应用较普遍。
齿轮链轮传动三自由度手腕原理图
1—油缸；2—链轮；3、4—锥齿轮；5、6—花键轴T；7—传动轴S；8—腕架；9—行星架；10、11、22、24—圆
34 柱齿轮；12、13、14、15、16、17、18、20—锥齿轮；19—摆动轴；21、23—双联圆柱齿轮；25—传动轴B
3.3 机器人腕部结构
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3.3 机器人腕部结构
1.1 工业机器人的基本概念
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腕部坐标系
腕部旋转（臂转）
腕部弯曲（手转）
腕部侧摆（腕摆）
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3.3 机器人腕部结构
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1手.1腕工结业构机多为器上人述的三基个本回概转方念式的组合，组合的方
式可以有多种形式。
臂转-腕摆-手转结构
臂转-双腕摆-手转结构