工业机器人腕部结构设计教材
机器人腕关节设计说明书
1前言1.1机器人的概念机器人是一个在三维空间中具有较多自由度，并能实现较多拟人动作和功能的机器，而工业机器人则是在工业生产上应用的机器人。
美国机器人工业协会提出的工业机器人定义为：“机器人是一种可重复编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机”。
英国和日本机器人协会也采用了类似的定义。
我国的国家标准GB/T12643-90将工业机器人定义为：“机器人是一种能自动定位控制、可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机。
能搬运材料、零件或操持工具，用以完成各种作业”。
而将操作机定义为：“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或进行其它操作的机械装置”。
机器人系统一般由操作机、驱动单元、控制装置和为使机器人进行作业而要求的外部设备组成。
1.1.1操作机操作机是机器人完成作业的实体，它具有和人手臂相似的动作功能。
通常由下列部分组成：a.末端执行器又称手部，是机器人直接执行工作的装置，并可设置夹持器、工具、传感器等，是工业机器人直接与工作对象接触以完成作业的机构。
b. 手腕是支承和调整末端执行器姿态的部件，主要用来确定和改变末端执行器的方位和扩大手臂的动作范围，一般有2～3个回转自由度以调整末端执行器的姿态。
有些专用机器人可以没有手腕而直接将末端执行器安装在手臂的端部。
c. 手臂它由机器人的动力关节和连接杆件等构成，是用于支承和调整手腕和末端执行器位置的部件。
手臂有时包括肘关节和肩关节，即手臂与手臂间。
手臂与机座间用关节连接，因而扩大了末端执行器姿态的变化范围和运动范围。
d. 机座有时称为立柱，是工业机器人机构中相对固定并承受相应的力的基础部件。
可分固定式和移动式两类。
1.1.2驱动单元它是由驱动器、检测单元等组成的部件，是用来为操作机各部件提供动力和运动的装置。
1.1.3控制装置它是由人对机器人的启动、停机及示教进行操作的一种装置，它指挥机器人按规定的要求动作。
1.1.4人工智能系统关节型机器人腕部结构设计它由两部分组成，一部分是感觉系统，另一部分为决策－规划智能系统。
工业机器人技术基础 工业机器人手腕
• 移动手腕（T手腕）
手腕自由度
二自由度手腕
• BR手腕
• BB手腕
• RR手腕
手腕自由度
三自由度手腕
• BBR 手腕
• BRR 手腕
• RRR手腕
• BBB手腕（2自由度）
柔顺手腕结构
主动柔顺装配
• 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。
被动柔顺装配
• 从结构的角度在手腕部配置一个柔顺环节，以满足柔顺装配的需要。
yaw偏航翻转运动r手腕自由度单自由度手腕移动手腕t手腕手腕自由度二自由度手腕rr手腕手腕自由度三自由度手腕bbr手腕brr手腕bbb手腕2自由度柔顺手腕结构主动柔顺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
工业机器人手腕
学习目标
手腕运动形式
臂转、手转、腕摆，RPY运动
手腕自由度
单自由度手腕、二自由度手腕、三自由度手腕结构
Ɵ1
手手
Ɵ1
腕 腕
臂转—双腕摆—手转结构
手腕运动形式
• 臂转 • 手转 • 腕摆
翻转运动（R）
俯仰运动（P） 偏转运动（Y）
RPY运动
Rot（Z, α）：Roll 翻滚 Rot（Y, β）：Pitch 俯仰 Rot（X, γ）：Yaw 偏航
手腕自由度
单自由度手腕
• 翻转手腕（R手腕）
• 折曲手腕（B手腕）
柔顺手腕结构
动作过程
柔顺手腕结构
案例一：具有水平浮动和摆动浮动机构
柔顺手腕结构
案例二：采用板弹簧作为柔性元件
手腕机械设计要求
• 1.结构紧凑、重量轻； • 2.灵活、定位精度高； • 3.刚度、强度较高； • 4.可靠性高。
任务二机器人的手腕结构课件
• 机器人手腕结构的应用与发展趋势 • 机器人手腕结构的优化与创新设计
CHAPTER 01
机器人手腕结构概述
手腕结构的重要性
提高机器人的灵活性
提升机器人的工作效率
手腕结构可以使机器人更准确地控制 末端执行器的姿态和位置，实现更加 精细和复杂的操作。
手腕结构可以扩大机器人的工作范围， 使其能够到达更远的空间位置，提高 工作效率。
详细描述
柔性手腕具有较好的柔性和顺应性，可以适应各种不同的工作需求。由于其结构简单，重量较轻，转动惯量较小， 响应速度快。但是，柔性手腕的刚度较低，承载能力有限，通常用于轻量级、对精度要求不高的机器人中。此外， 柔性手腕的设计需要考虑材料的力学性能和机构的稳定性。
多关节型手腕
总结词
多关节型手腕是一种复杂的手腕结构，由多个关节组 成，可以实现多自由度的运动。
详细描述
机械臂型手腕具有较高的刚度和承载能力，可以用于重负载、高精度的机器人中。由于 其结构复杂，机械臂型手腕的转动惯量较大，响应速度较慢。但是，通过优化设计，可 以减小转动惯量，提高响应速度。此外，机械臂型手腕还可以通过改变关节长度和连杆
结构来实现不同的运动轨迹和姿态。
柔性手腕
总结词
柔性手腕是一种特殊的手腕结构，通过柔性材料或机构实现弯曲和扭转。
机器人手腕结构的应用与发展趋势
工业机器人
工业机器人是手腕结构应用的主要领域之一，它们在生产线上的装配、焊接、搬运 等任务中发挥着重要作用。
工业机器人的手腕结构通常采用关节式或滑槽式设计，具有较高的自由度和灵活性， 能够完成各种复杂的动作。
随着工业自动化的发展，工业机器人将在智能制造、柔性制造等领域发挥更大的作用。
任务二机器人的手腕结构
单自由度手腕
按自由度数目
二自由度手腕 三自由度手腕
按驱动方式
直接驱动手腕
远距离传动手腕
工业机器人的手腕
二、手腕的典型结构 确定手部作业方向一般需要3个自由度 （1）臂转 绕小臂轴线方向的旋转。
（2）手转 使手部绕自身的轴线方向旋转。
（3）腕摆 使手部相对于臂进行摆动。
柔顺性概念
柔顺装配技术有两种：一种是从检测、控制的角度，采取各种不同的 搜索方法，实现边校正边装配。另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。
ห้องสมุดไป่ตู้
工业机器人的手腕
工业机器人的手腕
工业机器人的机械结构
手部（末端操作器） 工业机器人的 机械结构 手腕 手臂 机身 确定手部作业方向
工业机器人的手腕
课程目标
掌握机器人的手腕结构组成 掌握机器人的手腕工作原理 掌握机器人手腕的作用
工业机器人的手腕
机器人的手腕是连接手部与手臂的部件，它的主要作用是支承手 部，因此它具有独立的自由度，以满足机器人手部完成复杂动作的要 求。 一、手腕的分类
工业机器人课件2.2手部设计-2.3腕部设计
类人机器人的手部
具有多关节的三指手
No.40
类人机器人的手部
1
4
2
3
5
6
11 10
7
9
8
1,9-适应弹簧 2,3,8-连杆 4－食指 5－中指 6－无名指 7－小指 10－蜗轮 11－驱动杆
贝尔格莱德手
No.41
BH-4型灵巧手有四个 手指，每个手指有4个关节， 4个手指共16个自由度，其 关节由齿轮传动，包括直流 伺服电机、行星减速器和光 码盘在内的电机单元驱动。 光码盘用于测量电机轴相对 转角，关节轴绝对转角由电 位计测量。
在张启先院士的主持下， 北京航空航天大学机器人 研究所于80年代末开始 灵巧手的研究与开发。
灵巧手有三个手指，每 个手指有3个关节，3个 手指共9个自由度，微电 机放在灵巧手的内部，各 关节装有关节角度传感器， 指端配有三维力传感器， 采用两级分布式计算机实 时控制系统。
北航研制的BH-3灵巧手 北航研制的BH-4灵巧手 No.42
No.16
二、传动机构——其它结构型式
重力式手爪
No.17
二、传动机构——其它结构型式
拨杆杠杆式钳爪
No.18
二、传动机构——其它结构型式
内撑式三指钳爪
No.19
2.2.1 钳爪式手部的设计
三、钳爪式手部的设计要点
应具有足够的夹紧力 应具有足够的张开角 应能保证工件的可靠定位 应具有足够的强度和刚度 应适应被抓取对象的要求 应尽量做到结构紧凑、重量轻、效率高 应具有一定的通用性和可互换性
2.2 手部设计
SIWR-Ⅰ型和Ⅱ型水下作业机械手模拟试验装置
No.1
2.2 手部设计
新松的装配机器人
智能机器人-工业机器人腕部结构设计培训资料
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 用液压力推动向一个方向运动，而反向运 动则依靠重力、弹簧力等来实现；双作用 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。
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。
(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。
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)
• 二、手臂的常用结构
• 1.手臂直线运动机构
• 机器人手臂的伸缩、横向移动均属于直线运 动。实现手臂往复直线运动的机构形式比较多， 常用的有活塞油(气)缸、齿轮齿条机构、丝杠螺 母机构以及连杆机构等。由于活塞油(气)缸的体 积小、重量轻，因而在机器人的手臂结构中应用 比较多。
• 2.手臂回转运动机构
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。
4.按智能化分
(1)普通式手爪。手爪不具备传感器。
(3)手部的通用性比较差。工业机器人手部通常是 专用的装置，比如：一种手爪往往只能抓握一种或 几种在形状、尺寸、重量等方面相近似的工件；一 种工具只能执行一种作业任务。
(4)手部是一个独立的部件。假如把手腕归属于手 臂，那么工业机器人机械系统的三大件就是机身、 手臂和手部(未端操作器)。手部对于整个工业机器人 来说是完成作业好坏、作业柔性好坏的关键部件之 一。具有复杂感知能力的坦l能化手爪的出现，增加 了工业机器人作业的灵活性和可靠性。
• 实现机器人手臂回转运动的机构形式是多种 多样的，常用的有叶片式回转缸、齿轮传动机构、 链轮传动机构、活塞缸和连杆机构等。
•
•
下图所示为采用活塞缸和连杆机构的一种双
臂机器人手臂的结构图。手臂的上下摆动由饺接
活塞由缸和连杆机构来实现。当活塞油缸1的两
腔通压力油时，通过连杆2带动曲柄3(即手臂)绕
轴心 O 作 90的上下摆动(如双点划线所示位置)。
二、手部的分类
5.2工业机器人手腕
主要内容
• 一、手腕的运动形式 • 二、手腕的自由度 • 三、柔顺手腕结构
一、手腕的运动形式
• 手腕位置：在机器人末端操作器和臂部之间。 • 作用：有助于手部呈现期望的姿态，扩大臂部运动范围，增加机器人的自由度。
一、手腕的运动形式
• 1) 臂转 • 2) 手转 • 3) 腕摆
绕小臂轴线方向的旋转称臂转； 使末端执行器（手部）绕自身轴线方向的旋转称手转； 使末端执行器相对于手臂进行摆动。
1. 单自由度手腕
翻转手腕、折曲手腕与移动手腕
1) 翻转（roll）手腕
简称R手腕，该手腕关节的Z轴与手臂纵轴线构成共轴线形式，这种R手 腕旋转角度大，可达360°以上。
1. 单自由度手腕
2) 折曲（bend）手腕
简称B手腕，该手腕关节的X轴、Y轴线与手臂纵轴线相垂直。这种B关节 因为受到结构上干涉，旋转角度小，大大限制了方向角。
1. 单自由度手腕
3) 移动手腕 简称T手腕，该手腕关节做直线移动。
2. 二自由度手腕
俯仰
俯仰
偏转
翻转
BR手腕
BB手腕
翻转
RR手腕
3. 三自由度手腕
• 由B关节和R关节组合而成，组合的方式有多种多样。
• B关节和R关节排列的次序不同，会产生不同形式的三自由度手腕。
偏转 翻转
B
B
R
俯仰 俯仰
R
R 偏转
二、手腕的自由度
➢单自由度、二自由度和三自由度。
三、柔顺手腕结构
➢从结构的角度在手腕部配置一个柔顺环节，以满足柔顺装配的需要。
Z
w
腕 爪
手
Ɵ1
腕
一、手腕的运动形式
工业机器人设计-机械臂机械手学习资料-机械手手部结构教材
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。
2．设有检测开关的手爪装置：
工作原理：
手爪装有限位开 关5和7。在指爪 4沿垂直方向接 近工件6的过程 中，限位开关检 测手爪与工件的 相对位置。当工 件接触限位开关 时发信号，汽缸 通过连杆3驱动
指爪夹紧工件。
4．上料吸盘（1）：
4．上料吸盘（2）：
6．喷气式吸盘：
工作原理：
压缩空气进入喷嘴后，利用伯努利效应，当压缩 空气刚进入时，由于喷嘴口逐渐缩小，致使气流 速度逐渐增加。当管路截面收缩到最小处时，气 流速度达到临界速度，然后喷嘴管路的截面逐渐 增加，使与橡胶皮碗相连的吸气口处，造成很高 的气流速度而形成负压。
应用：
在工厂一般都有空压站，喷气式吸盘在工厂得到 广泛的应用。
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。
一、手部的特点
1．手部与手腕相连处可拆卸：
手部与手腕处有可拆卸的机械接口： 根据夹持对象的不同，手部结构会有 差异，通常一个机器人配有多个手部 装置或工具，因此要求手部与手腕处 的接头具有通用性和互换性。
3．手部是一个独立的部件：
工业机器人通常分为三个大的部件： 机身、手臂（含手腕）、手部。手部 对整个机器人完成任务的好坏起着关 键的作用，它直接关系着夹持工件时 的定位精度、夹持力的大小等。
M10型工业机器人手腕转动机构设计说明书
摘要机器人技术是一门综合学科，包含有机械设计、机械原理、电子设计、软件工程、材料科学、以及仿生学等一系列基础学科。
作为现代化高新技术，其应用于各式各样的场合，尤其突出的是在制造领域中的应用。
机械制造业的基本发展方向是既要增加产品数量，又要提高产品质量，同时还要降低成本。
机器人技术恰恰能够较好的处理好制造业中这几个方面的问题，它把人类从完成机械重复的枯燥劳动中解放出来，补充了对简单劳动各种增长的需要。
本毕业设计概述了工业机器人的分类、历史、以及发展趋势。
探讨了用于金属切削机床的M10型工业机器人的总体结构和手腕转动机构。
重点在对于手腕转动组件的分析与设计，首先是原理分析，其次是其各个部件作用，最后对于其主要零部件进行了设计，包括计算、结构等方面的问题。
例如轴承选用、轴的设计、蜗杆传动的选择。
关键词：工业机器人；机械制造；机器人总体结构；手腕转动机构AbstractRobot technology is a comprehensive discipline，it includes mechanical design, mechanical principle, electronics design, software engineering, materials science, and bionics and so on a series of basic subjects.As a modern technology, its application in a wide variety of situations, especially the application in the field of manufacturing.the basic direction of machinery manufacturing industry is to increase the product quantity, and to improve the quality of products, but also reduce the cost.The robot technology can well handle the problems in the manufacturing industry.It freed mankind from the dull work of the mechanical repetition and added the needs of the various growth in simple labor.This graduation design outlines the classification, history, and development trend of industrial robots.The overall structure and wrist institutions of the type M10 industrial robots which used for metal cutting machine tools is discussed.Focuses on the analysis and design for the wrist rotation components, first is the principle analysis, the second is its role in components, finally is the design of the main components, including calculation, structure and other aspects. Such as bearing selection, shaft design, selection of worm drive shaft.Keywords：Industry robot；Machinery manufacturing；General structure of robot；Wrist institutions.目录第一章前言 (1)1.1 工业机器人概述 (1)1.2 工业机器人驱动方式 (1)1.2.1 气动式工业机器人 (1)1.2.2 液压式工业机器人 (1)1.2.3 电动式工业机器人 (2)1.3 工业机器人的分类 (2)1.3.1 按承载能力分 (2)1.3.2 按生产形式分 (2)1.4 工业机器人的历史 (3)1.5 工业机器人的技术现状和发展趋势 (5)1.5.1 工业机器人的技术现状 (5)1.5.2 工业机器人的发展趋势 (5)第二章工业机器人总体结构设计 (7)2.1 工业机器人设计内容与要求 (7)2.1.1 工业机器人在制造领域主要作用 (7)2.1.2 工业机器人主要设计内容 (7)2.2 工业机器人的总体设计 (7)2.2.1 M10型工业机器人总体结构图 (8)2.2.2 M10型工业机器人主要设计参数 (8)2.3 工业机器人的驱动方式选择 (9)2.4 工业机器人的运动学分析 (12)2.4.1 M10型工业机器人运动学简图 (12)2.4.2 M10型工业机器人运动分析 (13)2.4.3 结合运动学简图和总体结构图的综合分析 (13)2.5 工业机器人的材料选择 (13)2.5.1 材料选择的基本要求 (13)2.5.2 结构材料介绍 (14)第三章手腕转动机构设计 (16)3.1 工业机器人手腕介绍 (16)3.1.1 设计要求 (16)3.1.2 手腕的结构 (17)3.2 手腕转动机构Ⅰ运动分析和电动机的选择 (19)3.2.1 手腕转动机构Ⅰ结构图 (19)3.2.2 运动分析 (19)3.3 电动机的选择 (19)3.3.1 选择电动机类型 (19)3.3.2 选择电动机的容量 (20)3.3.3 确定电动机转速 (20)3.4 手腕转动机构Ⅱ气动原理和运动结构分析 (21)3.4.1 手腕转动机构气动原理图 (21)3.4.2 气动原理图分析 (21)3.4.3 结构图 (22)3.4.4 运动分析 (22)3.5 手腕转动机构轴承和键的选择 (22)3.5.1 常用轴承类型及选择 (22)3.5.2常用轴承类型及选择 (23)3.5.3 键的选择 (28)第四章典型零件设计 (29)4.1 轴的设计与校核 (29)4.1.1 轴用途及分类 (29)4.1.2 轴设计的主要内容 (29)4.1.3 轴的结构设计 (29)4.1.4 轴的强度校核计算 (30)4.2 蜗杆传动的选择 (35)4.2.1 蜗杆传动的介绍 (35)4.2.2 蜗杆传动的类型 (35)4.2.3 蜗杆传动主要参数介绍 (36)4.2.4 涡轮蜗杆参数选择 (38)第五章结论 (42)参考文献 (43)致谢 (44)第1章前言1.1工业机器人概述工业机器人是一种模拟人手臂、手腕和手功能的机电一体化装置，其应用领域分为很多种类，从常用的机器人系列和市场占有率来看，焊接、装配、搬运、上料/卸料、铸造、冲压和喷漆是主要的工业机器人品种。
工业机器人技术基础 工业机器人手腕
学习目标
手腕运动形式
臂转、手转、腕摆，RPY运动
手腕自由度
单自由度手腕、二自由度手腕、三自由度手腕结构
柔顺手腕结构
主被动柔顺装配概念、结构特点、运动过程
手腕简介
• 定义：腕部是连接手部和臂部的部件 • 作用：调整或改变手部的姿态
手腕运动形式
• 臂转：绕小臂轴线方向的旋转
• 手转：使末端执行器（手部）绕自身轴线方向的旋转称手转
• 腕摆：使末端执行器相对于手臂进行摆动
Z
Z
ww
腕 爪
腕 爪
臂转—腕摆—手转
Ɵ1
手手
Ɵ1
腕 腕
臂转—双腕摆—手转结构
手腕运动形式
• 臂转 • 手转 • 腕摆
翻转运动（R）
俯仰运动（P） 偏转运动（Y）
RPY运动
Rot（Z, α）：Roll 翻滚 Rot（Y, β）：Pitch 俯仰 Rot（X, γ）：Yaw 偏航
手腕自由度
单自由度手腕
• 翻转手腕（R手腕）
• 折曲手腕（B手腕）
• 移动手腕（T手腕）
手腕自由度
二自由度手腕
• BR手腕
• BB手腕
• RR手腕
手腕自由度
三自由度手腕
• BBR 手腕
• BRR 手腕
• RRR手腕
• BBB手腕（2自由度）
柔顺手腕结构
主动柔顺装配
• 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。
总结
1. 掌握手腕的三种运动形 2. 掌握手腕三种自由度的组合 3. 了解柔顺手腕结构特点 4. 了解手腕机构组成和设计要求
被动柔顺装配
• 从结构的角度在手腕部配置一个柔顺环节，以满足柔顺装配的需要。
工业机器人2.2手部设计-2.3腕部设计
2.2.3 类人机器人的手部—关节式手指
大部分的工业机器人的手部只有两个 手指，而且手指上一般没有关节。为了 使机器人的手臂能完成各种不同的工作， 有更大的适应性和通用性，除了要使臂 部具有更大的空间活动范围外，还要在 其上安装一个更灵巧的手，即类人手。 这种手是由若干带有关节的手指构成。
一、气吸式手部的种类
5 3 4
4
2
1
1-电机 2-真空泵 3,4-电磁阀 5-吸盘 真空吸盘控制系统
No.29
2.2.2 吸附式手部的设计
一、气吸式手部的种类
气流负压喷嘴吸盘结构原理图 挤压负压式吸盘
No.30
2.2.2 吸附式手部的设计
二、气吸式手部的设计要素
吸力大小与吸盘的直径大小，吸盘内的 真空度(或负压大小)以及吸盘的吸附面积 的大小有关。工件被吸附表面的形状和 表面不平度也对其有一定的影响，设计 时要充分考虑上述各种因素，以保证有 足够的吸附力。
一、手指
No.9
2.2.1 钳爪式手部的设计
二、传动机构——回转型传动机构
斜楔杠杆式手部
No.10
2.2.1 钳爪式手部的设计
二、传动机构——回转型传动机构
滑槽杠杆式手部
No.11
2.2.1 钳爪式手部的设计
二、传动机构——回转型传动机构
双支点连杆杠杆式手部
No.12
2.2.1 钳爪式手部的设计
No.34
2.2.2 吸附式手部的设计
五、磁吸式手部
盘状磁吸附手部结构
No.35
2.2.2 吸附式手部的设计
五、磁吸式手部
几种电磁式吸盘工作示意图
No.36
2.2.2 吸附式手部的设计
《工业机器人》教学课件_第3章_工业机器人的腕部
一、概论 二、手腕的设计要求 三、手腕的分类
四、典型结构
一 概论
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。 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的旋转运动。 这便是腕部运动的三个自由度，分别称为手腕 的回转R、手腕的俯仰P和手腕的摆动Y。
回转
回转运动：
轴齿运S动轮旋副转Z→14、齿Z轮15副→Z手10腕/Z与23、锥Z齿23轮/ZZ111→5为锥一齿体轮→副手Z腕12、实Z现13旋→转锥
轮系驱动三自由度手腕图例〔2〕：
俯仰运动：
轴副19固BZ1旋6联、转→Z→实17→齿现轮齿手副轮腕Z副的24Z/俯Z172仰、1，运ZZ1动281→/Z轴22→19齿旋轮转副→Z手20、腕Z壳16体→与齿轴轮
双回转油缸驱动手腕图例：
3．轮系驱动的二自由度BR手腕：
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。
ห้องสมุดไป่ตู้
轮系驱动二自由度手腕图例〔1〕：
回转运动：
轴 S 旋 转 → 锥 齿 轮 俯仰 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
轮系驱动三自由度手腕图例〔5〕：
附加回转运动：
轴B、轴S不转而T轴回转→齿轮Z23、Z21不转→当行星架 回转时→迫使齿轮Z11绕齿轮Z23的过程中自转→经过Z12、 Z13、Z14、Z15实现附加回转运动
第三章3.3机器人腕部结构
第三章机器人的机械结构系统3.3机器人腕部结构【内容提要】本课主要学习工业机器人腕部结构。
介绍机器人腕部的三种运动、两种转动；机器人腕部的自由度；腕部的驱动方式；机器人的柔顺腕部以及机器人腕部典型结构。
知识要点：✓机器人腕部分类✓手腕的自由度✓手腕的驱动方式✓柔顺腕部✓腕部典型结构重点：✓掌握机器人腕部的分类✓掌握机器人手腕的自由度✓掌握机器人手腕的驱动方式✓掌握机器人腕部典型结构难点：✓掌握机器人腕部的分类✓机器人腕部典型结构关键字：✓手腕、柔顺腕部、腕部自由度【本课内容相关资料】3.3机器人腕部结构腕部是连接机器人的小臂与末端执行器（臂部和手部）之间的结构部件，其作用是利用自身的活动度来确定手部的空间姿态，从而确定手部的作业方向。
对于一般的机器人，与手部相连接的腕部都具有独驱自转的功能，若腕部能在空间取任意方位，那么与之相连的手部就可在空间取任意姿态，即达到完全灵活。
多数将腕部结构的驱动部分安排在小臂上。
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型三自由度腕部应用较普遍。
3.3.1机器人腕部的转动方式1.腕部的运动机器人一般具有6个自由度才能使手部（末端执行器）达到目标位置和处于期望的姿态。
为了使手部能处于空间任意方向，要求腕部能实现对空间3个坐标轴x，y，z的旋转运动，如图3-15所示。
这便是腕部的3个运动：腕部旋转、腕部弯曲、腕部侧摆，或称为3个自由度。
(1)腕部旋转腕部旋转是指腕部绕小臂轴线的转动，又叫做臂转。
有些机器人限制其腕部转动角度小于360°。
另一些机器人则仅仅受到控制电缆缠绕圈数的限制，腕部可以转几圈。
如图3-15a 所示。
a)臂转b)手转c)腕摆d)腕部坐标系图3-15腕部的三个运动和坐标系(2)腕部弯曲腕部弯曲是指腕部的上下摆动，这种运动也称为俯仰，又叫做手转。
如图3-15b所示。
(3)腕部侧摆腕部侧摆指机器人腕部的水平摆动，又叫做腕摆。
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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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
谢谢
(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。
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 用液压力推动向一个方向运动，而反向运 动则依靠重力、弹簧力等来实现；双作用 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。
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
腕部实际所需要的自由度 数目应根据机器人的工作
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。
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。
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。
（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