工业机器人腕部结构分类、结构特点
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机器人腕部结构上课
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
2023/6/29
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
2023/6/29
2 二自由度手腕
1.1 工业机器人的基本概念 ❖ 结构特点：
17
3.3 机器人腕部结构
2023/6/29
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
18
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
2023/6/29
RRR型手腕结构示意图
RRR型手腕关节远程传动示意图
▪ 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。
16
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
2023/6/29
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？
齿轮传动回转和俯仰型腕部原理
27
3.3 机器人腕部结构
2023/6/29
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
机器人的结构形式及各类结构的特点
机器人的结构形式及各类结构的特点摘要：如今机器人已被广泛应用于机械、印刷机械、汽车工业、食品生产工业、药品生产工业、电子工业、机器制造业和化妆品生产等行业，不同领域因其需要的多样性和特殊性，也导致机器人在结构形式上存在多样性和特殊性。
关键字：结构形式，结构坐标系2011302590173刘亚辉遥感信息工程学院一、引言机器人按ISO 8373定义为：位置可以固定或移动，能够实现自动控制、可重复编程、多功能多用处、末端操作器的位置要在3个或3个以上自由度内可编程的工业自动化设备。
这里自由度就是指可运动或转动的轴。
工业机器人按其结构形式及编程坐标系主要分类为关节型机器人、移动机器人、水下机器人和直角坐标机器人等。
按主要功能特征及应用分为移动机器人、水下机器人、洁净机器人、直角坐标机器人、焊接机器人、手术机器人和军用机器人等。
机器人学涉及到机器人结构，机器人视觉，机器人运动规划，机器人传感器，机器人通讯和人工智能等许多方面，不同用处的机器人涉及到不同的学科，下面仅对这些机器人的结构和应用进行简单介绍。
机器人按照结构坐标系特点方式分类可分为：直角坐标机器人，圆柱坐标型机器人，极坐标机器人，多关节机器人等。
机器人按照机身结构特点可分为：升降回转型机身结构，俯仰型机身结构，直移型机身结构，类人机器人机身结构等。
二、各种结构坐标系1、直角坐标系机器人直角坐标型机器人结构如图所示，它主要是以直线运动轴为主，各个运动轴通常对应直角坐标系中的X轴，Y轴和Z轴，一般X轴和Y轴是水平面内运动轴，Z轴是上下运动轴。
在一些应用中Z轴上带有一个旋转轴，或带有一个摆动轴和一个旋转轴。
在绝大多数情况下直角坐标机器人的各个直线运动轴间的夹角为直角。
直角坐标型机械手可以在三个互相垂直的方向上作直线伸缩运动，这类机械手各个方向的运动是独立的，计算和控制比较方便，但占地面积大，限于特定的应用场合，有较多的局限性。
2、圆柱坐标机器人圆柱坐标型机器人的结构如下图所示，R、θ和x为坐标系的三个坐标，其中R、是手臂的径向长度，θ是手臂的角位置，x是垂直方向上手臂的位置。
机器人手部设计
有一种弹钢琴的表演机器人的手部已经与人手十分 相近，具有多个多关节手指,一个手的自由度达到20余 个，每个自由度独立驱动。目前工业机器人手部的自 由度还比较少，把具备足够驱动力量的多个驱动源和 关节安装在紧凑的手部里是十分困难的。本节主要介 绍和讨论手爪(Gripper)式手部的原理和设计，因为它 具有一定的通用性。而喷漆枪、焊具之类的专用工具 (Specialtooi)是行业性专业工具，不予介绍。
§4-5手部设计
一、概述 工业机器人的手部(Hand)也叫做末端操作器
(End-effector)，它是装在工业机器人手腕上直 接抓握工件或执行作业的部件。人的手有两种 含义：第一种含义是医学上把包括上臂、手腕 在内的整体叫做手；第二种含义是把手掌和手 指部分叫做手。工业机器人的手部接近于第二 种含义。
3.按手指或吸盘数目分 机械手爪可分为：二指手爪、多指手瓜。 机械手爪按手指关节分：单关节手指手爪、多关节手指手爪。 吸盘式手爪按吸盘数目分：单吸盘式手爪、多吸盘式手爪。 图4-49所示为一种三指手爪的外形图，每个手指是独立驱动的。
这种三指手爪与二指手瓜相比可以抓取像立方体、圆柱体、球体 等不同形状的物体。图4-50所示为一种多关节柔性手指手爪，它 的每个手指具有若干个被动式关节(PassivejointS)，每个关节不是 独立驱动。在拉紧夹紧钢丝绳后柔性手指环抱住物体，因此这种 柔性手指手爪对物体形状有一种适应性。但是，这种柔性手指并 不同于各个关节独立驱动的多关节手指。
工业机器人手部的特点：
(1)手部与手腕相连处可拆卸。手部与手腕有机械接 口，也可能有电、气、液接头，当工业机器人作业对 象不同时，可以方便地拆卸和更换手部。
(2)手都是工业机器人末端操作器。它可以像人手那 样具有手指，也可以是不具备手指的手；可以是类人 的手爪，也可以是进行专业作业的工具，比如装在机 器人手腕上的喷漆枪、焊接工具等。
§4-5手部设计
一、概述 工业机器人的手部(Hand)也叫做末端操作器
(End-effector)，它是装在工业机器人手腕上直 接抓握工件或执行作业的部件。人的手有两种 含义：第一种含义是医学上把包括上臂、手腕 在内的整体叫做手；第二种含义是把手掌和手 指部分叫做手。工业机器人的手部接近于第二 种含义。
3.按手指或吸盘数目分 机械手爪可分为：二指手爪、多指手瓜。 机械手爪按手指关节分：单关节手指手爪、多关节手指手爪。 吸盘式手爪按吸盘数目分：单吸盘式手爪、多吸盘式手爪。 图4-49所示为一种三指手爪的外形图，每个手指是独立驱动的。
这种三指手爪与二指手瓜相比可以抓取像立方体、圆柱体、球体 等不同形状的物体。图4-50所示为一种多关节柔性手指手爪，它 的每个手指具有若干个被动式关节(PassivejointS)，每个关节不是 独立驱动。在拉紧夹紧钢丝绳后柔性手指环抱住物体，因此这种 柔性手指手爪对物体形状有一种适应性。但是，这种柔性手指并 不同于各个关节独立驱动的多关节手指。
工业机器人手部的特点：
(1)手部与手腕相连处可拆卸。手部与手腕有机械接 口，也可能有电、气、液接头，当工业机器人作业对 象不同时，可以方便地拆卸和更换手部。
(2)手都是工业机器人末端操作器。它可以像人手那 样具有手指，也可以是不具备手指的手；可以是类人 的手爪，也可以是进行专业作业的工具，比如装在机 器人手腕上的喷漆枪、焊接工具等。
机器人手部结构
空, 吸取物料。放料时, 管路接通大气, 失去真空, 物体放下。 为避免在取、 放料时产生撞击, 有的还在支承杆上配有弹簧
缓冲。为了更好地适应物体吸附面的倾斜状况,有的在橡胶吸
盘背面设计有球铰链。真空吸附取料手有时还用于微小无法抓 取的零件, 如图1.2.11所示。
图 1.2.10 真空吸附取料手
•
1.2.3.机器人手部的分类 • 由于被握工件的形状、尺寸、 重量、 材质 及表面状态等不同,因此机器人取料手是多 种多样的, 大致可分为以下几类: • (1) 夹钳式取料手； • (2) 吸附式取料手； • (3) 仿生多指灵巧手； • (4)其它手。
1.2.3.1 夹钳式取料手 • 夹钳式手部与人手相似, 是工业机器人广为 应用的一种手部形式。 它一般由手指(手爪) 和驱动机构、 传动机构及连接与支承元件 组成, 如图1.2.1所示, 能通过手爪的开闭动 作实现对物体的夹持。
用时, 往往采用如图1.2.15(b)所示的盘式电磁铁, 衔铁是固
定的, 衔铁内用隔磁材料将磁力线切断, 当衔铁接触磁铁物体 零件时, 零件被磁化形成磁力线回路,并受到电磁吸力而被吸
住。
图 1.2.15 电磁铁工作原理
图1.2.16所示为盘状磁吸附取料手的结构图。铁心1和磁盘
3之间用黄铜焊料焊接并构成隔磁环2,既焊为一体又将铁心和磁 盘分隔, 这样使铁心1成为内磁极, 磁盘3成为外磁极。其磁路
如图1.2.2所示的三种V型指的形状, 用于夹持圆柱形工件。 如图1.2.3所示的平面指为夹钳式手的指端,一般用于夹持方形工件(具有两 个平行平面), 板形或细小棒料。 另外，尖指和薄、长指一般用于夹持小型或柔性工件。 其中, 薄指一般用
于夹持位于狭窄工作场地的细小工件, 以避免和周围障碍物相碰; 长指一
缓冲。为了更好地适应物体吸附面的倾斜状况,有的在橡胶吸
盘背面设计有球铰链。真空吸附取料手有时还用于微小无法抓 取的零件, 如图1.2.11所示。
图 1.2.10 真空吸附取料手
•
1.2.3.机器人手部的分类 • 由于被握工件的形状、尺寸、 重量、 材质 及表面状态等不同,因此机器人取料手是多 种多样的, 大致可分为以下几类: • (1) 夹钳式取料手； • (2) 吸附式取料手； • (3) 仿生多指灵巧手； • (4)其它手。
1.2.3.1 夹钳式取料手 • 夹钳式手部与人手相似, 是工业机器人广为 应用的一种手部形式。 它一般由手指(手爪) 和驱动机构、 传动机构及连接与支承元件 组成, 如图1.2.1所示, 能通过手爪的开闭动 作实现对物体的夹持。
用时, 往往采用如图1.2.15(b)所示的盘式电磁铁, 衔铁是固
定的, 衔铁内用隔磁材料将磁力线切断, 当衔铁接触磁铁物体 零件时, 零件被磁化形成磁力线回路,并受到电磁吸力而被吸
住。
图 1.2.15 电磁铁工作原理
图1.2.16所示为盘状磁吸附取料手的结构图。铁心1和磁盘
3之间用黄铜焊料焊接并构成隔磁环2,既焊为一体又将铁心和磁 盘分隔, 这样使铁心1成为内磁极, 磁盘3成为外磁极。其磁路
如图1.2.2所示的三种V型指的形状, 用于夹持圆柱形工件。 如图1.2.3所示的平面指为夹钳式手的指端,一般用于夹持方形工件(具有两 个平行平面), 板形或细小棒料。 另外，尖指和薄、长指一般用于夹持小型或柔性工件。 其中, 薄指一般用
于夹持位于狭窄工作场地的细小工件, 以避免和周围障碍物相碰; 长指一
工业机器人技术与应用第2章 工业机器人的机械结构
2.4 工业机器人手部结构
2.5 工业机器人驱动与传动
2.1 工业机器人机身结构
工业机器人机身是直接连接、支承和传动手臂及行走机构的部件。它是由 臂部运动（升降、平移、回转和俯仰）机构及有关的导向装置、支撑件等 组成。 1．回转与升降型机身结构 回转与升降型机身结构主要由实现臂部的回转和升降运动的机构组成。
KUKA IR-662/100型机器人手腕传动图
2.2 工业机器人臂部结构
三、机器人臂部机构 3．臂部回转与升降机构
手臂回转与升降机构常采用回转缸与升降缸单独驱动，适用于升降行程短而 回转角度小于360°的情况，也有采用升降缸与气动马达-锥齿轮传动的结构。
2.3 工业机器人腕部结构
腕部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调整。
一、机器人手腕的典型结构 2．手腕的典型结构 （1）单自由度回转运动手腕
回转油缸直接驱动的单自由度腕部结构 1-回转油缸 2-定片 3-腕回转轴 4-动片 5-手腕
2.3 工业机器人腕部结构
一、机器人手腕的典型结构 2．手腕的典型结构 （2）双自由度回转运动手腕
2.3 工业机器人腕部结构
一、机器人手腕的典型结构 2．手腕的典型结构 （3）三自由度回转运动手腕
4．类人机器人型机身结构 类人机器人的机身上除装 有驱动臂部的运动装置外 ，还应装有驱动腿部运动 的装置和腰部关节。
2.1 工业机器人机身结构
2.1 工业机器人机身结构
没有手臂的双足机器人Cassie
2.2 工业机器人臂部结构
手臂部件（简称臂部）是机器人的主要执行部件，它的作用是支撑腕部和 手部，并带动它们在空间运动，工业机器人腕部的空间位置及其工作空间 都与臂部的运动和臂部的参数有关。 一、机器人臂部的组成 机器人的手臂主要包括臂杆以及与其伸缩、屈伸或自转等运动有关的构件 ，如传动机构、驱动装置、导向定位装置、支撑联接和位置检测元件等。 根据臂部的运动和布局、驱动方式、传动和导向装置的不同可分为：伸缩 型臂部结构，转动伸缩型臂部结构，屈伸型臂部结构，其他专用的机械传 动臂部结构。
《工业机器人技术基础》(第3章)
（a）
（b）
图3-12 磁吸式末端执行器的工作原理
1—线圈；2—铁芯；3—衔铁
3.1.4 专用工具
工业机器人是一种通用性很强的自动化设备，可根据作业要求装配各种专用的末端 执行器来执行各种动作。
这些专用工具可通过电磁吸盘式换接器快速地进行更换，形成一整套系列满足用户 的不同加工需求，如图3-13所示。
（a）
（b） 图3-31 三轮行走机构
（c）
2．四轮行走机构
四轮行走机构在工业机器人中的应用最为广泛，其可采用不同的方式实现驱动和转 向，如图3-32所示。其中，图3-32〔a〕所示为后轮分散驱动；图3-32〔b〕所示为四轮 同步转向机构，这种机构可实现更灵活的转向和较大的回转半径。
（a）
（b）
图3-32 四轮行走机构
3.4.3 轮式行走机构
轮式行走机构在工业机器人中应用十分普遍，其主要应用在平坦的地面上，如图330所示。车轮的结构、材料取决于地面的性质和车辆的承载能力。
图3-30 轮式行走机构在工业机器人中的应用
1．三轮行走机构
三轮行走机构稳定性较好，代表性的车轮配置方式是一个前轮、两个后轮，如图331所示。其中，图3-31〔a〕所示为两个后轮独立驱动，前轮仅起支承作用，通过后轮 速度差实现转向；图3-31〔b〕所示为前轮驱动，并通过前轮转向；图3-31〔c〕所示为 两后轮驱动并配有差动器，通过前轮转向。
3.3.3 臂部结构的设计
工业机器人臂部结构的设计具体设计要求有以下几点：
〔1〕臂部的结构应该满足工业机器人作业空间的要求。 〔2〕合理选择臂部截面形状，选用高强度轻质制造材料。工字形截面的 弯曲刚度一般比圆截面大，空心管的弯曲刚度和扭转刚度都比实心轴大得多， 所以常用钢管制作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢制作支承板。 〔3〕尽量减小臂部重量和整个臂部相对于转动关节的转动惯量，以减小 运动时的动载荷与冲击。 〔4〕合理设计臂部与腕部、机身的连接部位。臂部安装形式和位置不仅 关系到机器人的强度、刚度和承载能力，而且还直接影响机器人的外观。
工业机器人4[1].3_臂部手腕设计
![工业机器人4[1].3_臂部手腕设计](https://img.taocdn.com/s3/m/1040630169eae009581bec96.png)
臂部作水平伸缩运动时，首先要克服摩擦阻力， 包括油（气）缸与活塞之间的摩擦阻力及导向杆与 支承滑套之间的摩擦阻力等，还要克服启动过程中 的惯性力。驱动力Pq(N)可按下式计算：
Pq Fm Fg
2、臂部回转运动驱动力矩的计算
臂部回转运动驱动力矩应根据启动时产生的惯性力矩 与回转部件支承处的摩擦力矩来计算。由于升速过程一 般不是等加速运动，故最大驱动力矩要比理论平均值大 一些，一般取平均的1.3倍。驱动力矩 M q (可N 按• m下) 式计 算：
此种传动机构的结构紧凑、轻巧、传动扭矩大， 能提高机械手的工作性能。在示教型的机械手中， 采用这类传动机构作手腕结构的比较多，但缺点 是手腕有一个“诱导运动”，因而要补偿。
下图为给图4-44所示手腕增加一个 3回60转 运动 后成为RBR三自由度手腕的传动示意图。当油缸1 中的活塞作左右移动时，通过链条、链轮2、锥齿 轮3和4带动花键轴5和6转动，而花键轴6与行星 架9连成一体，因而也就带动行星架作回转运动， 即为手腕所增加的作 的回36转0运动。
以由B关节和R关节组成许多种形式。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， 也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头上， 这对于BBR手腕来说大大减小了手腕纵向尺寸。
2.按驱动方式分类
(1)直接驱动手腕。
手腕因为装在手臂末端,所以必须设计得十分紧凑， 可以把驱动源装在手腕上。下图所示是Moog公司的 一种液压直接驱动的BBR手腕，设计紧凑巧妙。Ml、 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。这种直接驱动手腕的关键是能否选到 尺寸小、重量轻而驱动力矩大、驱动特性好的驱动电 机或液压驱动马达。
Pq Fm Fg
2、臂部回转运动驱动力矩的计算
臂部回转运动驱动力矩应根据启动时产生的惯性力矩 与回转部件支承处的摩擦力矩来计算。由于升速过程一 般不是等加速运动，故最大驱动力矩要比理论平均值大 一些，一般取平均的1.3倍。驱动力矩 M q (可N 按• m下) 式计 算：
此种传动机构的结构紧凑、轻巧、传动扭矩大， 能提高机械手的工作性能。在示教型的机械手中， 采用这类传动机构作手腕结构的比较多，但缺点 是手腕有一个“诱导运动”，因而要补偿。
下图为给图4-44所示手腕增加一个 3回60转 运动 后成为RBR三自由度手腕的传动示意图。当油缸1 中的活塞作左右移动时，通过链条、链轮2、锥齿 轮3和4带动花键轴5和6转动，而花键轴6与行星 架9连成一体，因而也就带动行星架作回转运动， 即为手腕所增加的作 的回36转0运动。
以由B关节和R关节组成许多种形式。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， 也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头上， 这对于BBR手腕来说大大减小了手腕纵向尺寸。
2.按驱动方式分类
(1)直接驱动手腕。
手腕因为装在手臂末端,所以必须设计得十分紧凑， 可以把驱动源装在手腕上。下图所示是Moog公司的 一种液压直接驱动的BBR手腕，设计紧凑巧妙。Ml、 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。这种直接驱动手腕的关键是能否选到 尺寸小、重量轻而驱动力矩大、驱动特性好的驱动电 机或液压驱动马达。
机器人手部结构详解
工具：进行作业的专用工具。
工件的定位和夹紧：
F
2．按夹持方式分：
外夹式：
手部与被夹件的外表面相接触。 手部与工件的内表面相接触。
内撑式：
内外夹持式：
手部与工件的内、外表面相接触。
夹持方式图例：
Y
X Z
3．按手爪的运动形式分：
回转型：
当手爪夹紧和松开物体时，手指作回转运动。当 被抓物体的直径大小变化时，需要调整手爪的位 置才能保持物体的中心位置不变。 手指由平行四杆机构传动，当手爪夹紧和松开物 体时，手指姿态不变，作平动。 当手爪夹紧和松开工件时，手指作平移运动，并 保持夹持中心的固定不变，不受工件直径变化的 影响。
应用：
喷气式吸盘图例：
7．挤气式吸盘：
主要构成：
吸盘架、压盖、 密封垫、吸盘
工作原理：
挤气式吸盘工作原理图：
六、手部结构的应用实例
1．平行指手爪机构：
工作原理：
回转动力源1和6 驱动构件2和5顺 时针或逆时针旋 转，通过平行四 边形机构带动手 指3和4作平动， 夹紧或释放工件。
齿轮齿条式手爪重力式手爪滑槽式手爪拨杆杠杆式手爪线圈通电空气间隙的存在线圈产生大的电感和启动电流周围产生磁场通电导体一定会在周围产生磁场吸附工件适用于用铁磁材料做成的工件
机器人手部结构
主讲 周兰
引言：
工业机器人的手部也叫末端操作器， 它直接装在工业机器人的手腕上用于 夹持工件或让工具按照规定的程序完 成指定的工作。
结构特点：
该吸盘具有一个 球关节，使吸盘 能倾斜自如，适 应工件表面倾角 的变化。
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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，如下图所示。
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，把手腕的偏转叫做 Yaw，用Y表示。下图手腕就可实现RPY运动。
腕部结构特点
• 手腕部件设置于手部和臂部之间，它的作用主 要是在臂部运动的基础上进一步改变或调整手 部在空间的方位，以扩大机械手的动作范围， 并使机械手变的更灵巧，适应性更强。一般机 械手手腕设有回转运动或再增加一个上下摆动 即可满足工作要求。目前，应用最为广泛的手 腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结 构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于 270。）,并且要求严格密封，否则就难保证稳 定的输出扭距。因此在要求较大回转角的情况 下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。
谢谢
设计要求
• 3、必须考虑工作条件 对于高温作业和腐 蚀性介质中工作的机械手，其腕部在设计 时应充分估计环境对腕部的不良影响比如 热膨胀、压力油的粘度和燃点，有关材料 及电控元件的耐热性等。
二、手腕的分类
1.按自由度数目来分类： 可分为单自由度手腕、二自由度手腕、 三自由度手腕。
腕部实际所需要的自由度 数目应根据机器人的工作
双回转油缸驱动手腕图例：
三、手腕设计举例 图中所示为具有两个自由度的手腕，是一种BR手腕。 手腕翻转由回转油缸3驱动，其中回转油缸壳体相对不 动，而动片与夹紧油缸5的外壳固联并一起回转。手腕 上下摆动即轴2的俯仰，是由安装在手臂尾部的回转油 缸4通过一对齿轮、链轮、链条及手腕上的链轮实现的。 此手腕具有传动简单，结构紧凑和轻巧等特点。
驱动机构
• 驱动机构是工业机械手的重要组成部分。 根据动力源的不同，工业机械手的驱动机 构大致可分为液压、气动、电动和机械驱 动等四类。采用液压机构驱动机械手，结 构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。 • 气压驱动 气压驱动的动力源来自空压机产生的压缩 空气，通过气压传动来控制执行机构的运 动。
• 电动机驱动 首先要考虑电源和电动机的调速控制装置等的 组成。 • a、电源 电源为驱动电动机提供电能，电动机 将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或 直接驱动车门机构。目前，应用最广泛的电源 是铅酸蓄电池，但随着电动汽车技术的发展， 铅酸蓄电池由于比能量较低，充电速度较慢， 寿命较短，逐渐被其他蓄电池所取代。正在发 展的电源主要有钠硫电池、镍铬电池、锂电池、 燃料电池、飞轮电池等。
设计要求
• 1、力求结构紧凑、重量轻 腕部处于臂部的 最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂 部承受。显然，腕部的结构、重量和动力 载荷，直接影响着臂部结构、重量和运作 性能。因此，在腕部设计时，必须力求结 构紧凑、重量轻
设计要求
• 2、综合考虑,合理布局 。腕部作为机械手 的执行机构，又承担连接和支承作用，除 保证力和运动的要求以及具有足够的强度、 刚度外，还应综合考虑合理布局。如应解 决好腕部与臂部和手部的连接，腕部各个 自由度的位置检测，管线布置，以及润滑、 维修、调整等问题
• b、驱动电动机 驱动电动机的作用是将电源的 电能转化为机械能，通过传动装直接驱动车轮 和工作装置。目前汽车上广泛采用直流串激电 动机，这种电机具有"软"的机械特性，串激电 动机负载的大小对电动机的转速影响较大,当 负载转矩较大时电动机的转速较低,当负载轻 时,转速又升高；还有一个优点就是启动时的 励磁电流大，所以与汽车的行驶特性非常相符。 但直流电动机由于存在换向火花，比功率较小、 效率较低，维护保养工作量大，随着电机技术 和电机控制技术的发展，势必逐渐被直流无刷 电动机（BCDM）、开关磁阻电机（SRM）和 交流异步电动机所取代
性能要求来确定。在有些
情况下，腕部具有两个自
由度：翻转和俯仰或翻转
和偏转。
2.按驱动方式分类 (1)直接驱动手腕。
手腕因为装在手臂末端,所以必须设计得十分紧 凑，可以把驱动源装在手腕上。下图所示是Moog公司 的一种液压直接驱动的BBR手腕，设计紧凑巧妙。Ml、 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。这种直接驱动手腕的关键是能否选 到尺寸小、重量轻而驱动力矩大、驱动特性好的驱动 电机或液压驱动马达。
工业机器人设计
摘要
• 本报告就工业机器人腕部，从分类、结构 特点、设计要求几方面做了一个系统的介 绍。并通过一个简单示例，对驱动系统和 腕部回转自由度的工作原理进行了深入探 讨。
腕部设计
一、概述
工业机器人的腕部是联接手部与臂部的部件， 起支承手部的作用。机器人一般具有六个自由度才 能使手部(末端操作器)达到目标位置和处于期望的 姿态，手腕上的自由度主要是实现所期望的姿态。
• （3）液压驱动 液压泵是将电动机输出的机械能转换为液 体压力能的能量转换装置，是液压系统的 动力源。液压驱动执行机构是液压缸，是 将液体的压力能转化为机械能，用于驱动 工作机构作直线往复运动或往复摆动的。 其结构简单、工作可靠，与杠杆、连杆、 齿轮齿条、棘轮棘爪、凸轮等机构配合能 实现多种机械运动
• 液压缸按其作用方式的不同，分为单作用 式和双作用式两大类。单作用液压缸只利 用液压力推动向一用 缸正反向的运动都依靠液压力推动来实现。 如果采用液压缸来驱动，则可以实现机械 手的多方位运动。
3．双回转油缸驱动手腕 ：
• 结构特点： – 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。
(2)远距离传动手腕，图中所示是一种远距离传动的RBR手腕。Ⅲ 轴的转动使整个手腕翻转，即第一个R关节运动。Ⅱ轴的转动使手腕 获得俯仰运动，即第二个B关节运动。I轴的转动即第三个R关节运动。 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，不仅减轻手腕的整 体质量，而且改善了机器人整体结构的平衡性。
• c、电动机调速控制装置 电动机调速控制装 置的作用是控制电动机的电压或电流，完 成电动机的驱动转矩和旋转方向的控制。 应用较广泛的是晶闸管斩波调速，通过均 匀地改变电动机的端电压，控制电动机的 电流，来实现电动机的无级调速。在驱动 电动机的旋向变换控制中，直流电动机依 靠接触器改变电枢或磁场的电流方向，实 现电动机的旋向变换。
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，把手腕的偏转叫做 Yaw，用Y表示。下图手腕就可实现RPY运动。
腕部结构特点
• 手腕部件设置于手部和臂部之间，它的作用主 要是在臂部运动的基础上进一步改变或调整手 部在空间的方位，以扩大机械手的动作范围， 并使机械手变的更灵巧，适应性更强。一般机 械手手腕设有回转运动或再增加一个上下摆动 即可满足工作要求。目前，应用最为广泛的手 腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结 构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于 270。）,并且要求严格密封，否则就难保证稳 定的输出扭距。因此在要求较大回转角的情况 下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。
谢谢
设计要求
• 3、必须考虑工作条件 对于高温作业和腐 蚀性介质中工作的机械手，其腕部在设计 时应充分估计环境对腕部的不良影响比如 热膨胀、压力油的粘度和燃点，有关材料 及电控元件的耐热性等。
二、手腕的分类
1.按自由度数目来分类： 可分为单自由度手腕、二自由度手腕、 三自由度手腕。
腕部实际所需要的自由度 数目应根据机器人的工作
双回转油缸驱动手腕图例：
三、手腕设计举例 图中所示为具有两个自由度的手腕，是一种BR手腕。 手腕翻转由回转油缸3驱动，其中回转油缸壳体相对不 动，而动片与夹紧油缸5的外壳固联并一起回转。手腕 上下摆动即轴2的俯仰，是由安装在手臂尾部的回转油 缸4通过一对齿轮、链轮、链条及手腕上的链轮实现的。 此手腕具有传动简单，结构紧凑和轻巧等特点。
驱动机构
• 驱动机构是工业机械手的重要组成部分。 根据动力源的不同，工业机械手的驱动机 构大致可分为液压、气动、电动和机械驱 动等四类。采用液压机构驱动机械手，结 构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。 • 气压驱动 气压驱动的动力源来自空压机产生的压缩 空气，通过气压传动来控制执行机构的运 动。
• 电动机驱动 首先要考虑电源和电动机的调速控制装置等的 组成。 • a、电源 电源为驱动电动机提供电能，电动机 将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或 直接驱动车门机构。目前，应用最广泛的电源 是铅酸蓄电池，但随着电动汽车技术的发展， 铅酸蓄电池由于比能量较低，充电速度较慢， 寿命较短，逐渐被其他蓄电池所取代。正在发 展的电源主要有钠硫电池、镍铬电池、锂电池、 燃料电池、飞轮电池等。
设计要求
• 1、力求结构紧凑、重量轻 腕部处于臂部的 最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂 部承受。显然，腕部的结构、重量和动力 载荷，直接影响着臂部结构、重量和运作 性能。因此，在腕部设计时，必须力求结 构紧凑、重量轻
设计要求
• 2、综合考虑,合理布局 。腕部作为机械手 的执行机构，又承担连接和支承作用，除 保证力和运动的要求以及具有足够的强度、 刚度外，还应综合考虑合理布局。如应解 决好腕部与臂部和手部的连接，腕部各个 自由度的位置检测，管线布置，以及润滑、 维修、调整等问题
• b、驱动电动机 驱动电动机的作用是将电源的 电能转化为机械能，通过传动装直接驱动车轮 和工作装置。目前汽车上广泛采用直流串激电 动机，这种电机具有"软"的机械特性，串激电 动机负载的大小对电动机的转速影响较大,当 负载转矩较大时电动机的转速较低,当负载轻 时,转速又升高；还有一个优点就是启动时的 励磁电流大，所以与汽车的行驶特性非常相符。 但直流电动机由于存在换向火花，比功率较小、 效率较低，维护保养工作量大，随着电机技术 和电机控制技术的发展，势必逐渐被直流无刷 电动机（BCDM）、开关磁阻电机（SRM）和 交流异步电动机所取代
性能要求来确定。在有些
情况下，腕部具有两个自
由度：翻转和俯仰或翻转
和偏转。
2.按驱动方式分类 (1)直接驱动手腕。
手腕因为装在手臂末端,所以必须设计得十分紧 凑，可以把驱动源装在手腕上。下图所示是Moog公司 的一种液压直接驱动的BBR手腕，设计紧凑巧妙。Ml、 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。这种直接驱动手腕的关键是能否选 到尺寸小、重量轻而驱动力矩大、驱动特性好的驱动 电机或液压驱动马达。
工业机器人设计
摘要
• 本报告就工业机器人腕部，从分类、结构 特点、设计要求几方面做了一个系统的介 绍。并通过一个简单示例，对驱动系统和 腕部回转自由度的工作原理进行了深入探 讨。
腕部设计
一、概述
工业机器人的腕部是联接手部与臂部的部件， 起支承手部的作用。机器人一般具有六个自由度才 能使手部(末端操作器)达到目标位置和处于期望的 姿态，手腕上的自由度主要是实现所期望的姿态。
• （3）液压驱动 液压泵是将电动机输出的机械能转换为液 体压力能的能量转换装置，是液压系统的 动力源。液压驱动执行机构是液压缸，是 将液体的压力能转化为机械能，用于驱动 工作机构作直线往复运动或往复摆动的。 其结构简单、工作可靠，与杠杆、连杆、 齿轮齿条、棘轮棘爪、凸轮等机构配合能 实现多种机械运动
• 液压缸按其作用方式的不同，分为单作用 式和双作用式两大类。单作用液压缸只利 用液压力推动向一用 缸正反向的运动都依靠液压力推动来实现。 如果采用液压缸来驱动，则可以实现机械 手的多方位运动。
3．双回转油缸驱动手腕 ：
• 结构特点： – 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。
(2)远距离传动手腕，图中所示是一种远距离传动的RBR手腕。Ⅲ 轴的转动使整个手腕翻转，即第一个R关节运动。Ⅱ轴的转动使手腕 获得俯仰运动，即第二个B关节运动。I轴的转动即第三个R关节运动。 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，不仅减轻手腕的整 体质量，而且改善了机器人整体结构的平衡性。
• c、电动机调速控制装置 电动机调速控制装 置的作用是控制电动机的电压或电流，完 成电动机的驱动转矩和旋转方向的控制。 应用较广泛的是晶闸管斩波调速，通过均 匀地改变电动机的端电压，控制电动机的 电流，来实现电动机的无级调速。在驱动 电动机的旋向变换控制中，直流电动机依 靠接触器改变电枢或磁场的电流方向，实 现电动机的旋向变换。