《工业机器人》教学课件_第3章_工业机器人的腕部
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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。 并不是所有的手腕都必须具备三个自由度， 而是根据实际使用的工作性能要求来确定。
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头上, 这 对于BBR手腕来说， 大大减小了手腕纵向尺寸。
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。 （1）直接驱动手腕 如图所示为一种液压直接驱动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。
（2）远距离传动手腕
如图所示为一种远距离传动的RBR手腕。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。
四、典型结构
1．摆动液压缸（又称回转液压缸）：
结构：
由缸体、隔板、叶片、花键套等主要部件构成。其中 叶片7固定在转子上，用花键将转子与驱动轴连接， 用螺栓2将隔板与缸体连接。 在密封的缸体内，隔板与活动叶片之间围成两个油腔， 相当油缸中的无杆腔和有杆腔。液压力作用在活动叶 片的端面上，对传动轴中心产生力矩使被驱动轴转动。 摆动缸转角在270°左右。
轮系驱动三自由度手腕图例（3）：
偏转运动：
油缸1中的活塞左右移动→带动链轮2旋转→锥齿轮副 Z3/Z4→带动花键轴5、6旋转→花键轴6与行星架9连在 一起→带动行星架及手腕作偏转运动
轮系驱动三自由度手腕图例（4）：
附加俯仰运动：
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Z22 绕齿轮Z21 的过程中自转→经过Z20 、 Z16、Z17、Z18实现附加俯仰运动
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
思考题：
1、当B轴、T轴分别回转时，手腕存在哪些运动，为什么？ 2、齿轮24、22所在的轴能否做成一体，为什么？ 3、齿轮17作的什么运动？俯仰运动轮系属于什么轮系，试分析其运动。
问题：
手部转轴是与油缸的什么部件相联？
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。
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 (c))。
二自由度手腕 (a) BR手腕； (b) BB手腕; (c) RR手腕
(3) 三自由度手腕
如图所示。三自由度手腕可以由B关节和R关节组成许多
种形式。图 (a)所示是通常见到的BBR手腕, 使手部具有俯仰、 偏转和翻转运动, 即RPY运动。图 (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 (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 (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
俯仰
回转
轮系驱动二自由度手腕图例（2）：
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
轮系驱动二自由度手腕图例（3）：
附加回转运动：
轴S不转而B轴回转→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。
腕部坐标系
手腕的摆动
手腕的俯仰
手腕的回转
二、手腕的设计要求
1.结构紧凑、重量轻； 2.动作灵活、平稳，定位精度高； 3.强度、刚度高； 4.合理连接结构，传感器和驱动装置的合理 布局及安装等； 5.要适应工作环境的需要。
三、手腕的分类
1. 2.
按自由度数目来分 按驱动方式来分
1. 按自由度数目来分
工作原理：
摆动液压缸结构图：
2．单自由度回转运动手腕 ：
ຫໍສະໝຸດ Baidu
结构特点：
机器人手部的张合是由汽缸驱动的，而手腕 的回转运动则由回转液压缸实现。 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。
工作原理：
单回转油缸驱动手腕图例：
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。
轮系驱动二自由度手腕图例（1）：
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
附加回转运动在实际使 用时应予以考虑。必要 时应加以利用或补偿。
轮系驱动二自由度手腕图例（4）：
思考题：
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？
4．轮系驱动的三自由度手腕：
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。
手腕按自由度数目来分, 可分为单自由度手腕、 二自由
度手腕和三自由度手腕。
(1) 单自由度手腕 如图所示。 图 (a)是一种回转关节, 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)是一种俯仰、摆动关节(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
俯仰 轮系驱动三自由度手腕图例（1）： 偏转
回转
回转运动：
轴S旋转→齿轮副Z10/Z23、Z23/Z11→锥齿轮副Z12、Z13→锥 齿轮副Z14、Z15→手腕与锥齿轮Z15为一体→手腕实现旋转 运动
轮系驱动三自由度手腕图例（2）：
俯仰运动：
轴B旋转→齿轮副Z24/Z21，Z21/Z22→齿轮副Z20、Z16→齿轮 副Z16 、Z17→齿轮副Z17 、Z18→轴19旋转→手腕壳体与轴 19固联→实现手腕的俯仰运动
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。
单自由度手腕图例：
R手腕
B手腕
B手腕
T手腕
(2) 二自由度手腕
如图所示。二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 (a))，也可以由两个B关节组成BB手腕
(见图 (b))。但是, 不能由两个R关节组成RR手腕, 因为两个
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。 并不是所有的手腕都必须具备三个自由度， 而是根据实际使用的工作性能要求来确定。
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头上, 这 对于BBR手腕来说， 大大减小了手腕纵向尺寸。
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。 （1）直接驱动手腕 如图所示为一种液压直接驱动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。
（2）远距离传动手腕
如图所示为一种远距离传动的RBR手腕。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。
四、典型结构
1．摆动液压缸（又称回转液压缸）：
结构：
由缸体、隔板、叶片、花键套等主要部件构成。其中 叶片7固定在转子上，用花键将转子与驱动轴连接， 用螺栓2将隔板与缸体连接。 在密封的缸体内，隔板与活动叶片之间围成两个油腔， 相当油缸中的无杆腔和有杆腔。液压力作用在活动叶 片的端面上，对传动轴中心产生力矩使被驱动轴转动。 摆动缸转角在270°左右。
轮系驱动三自由度手腕图例（3）：
偏转运动：
油缸1中的活塞左右移动→带动链轮2旋转→锥齿轮副 Z3/Z4→带动花键轴5、6旋转→花键轴6与行星架9连在 一起→带动行星架及手腕作偏转运动
轮系驱动三自由度手腕图例（4）：
附加俯仰运动：
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Z22 绕齿轮Z21 的过程中自转→经过Z20 、 Z16、Z17、Z18实现附加俯仰运动
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
思考题：
1、当B轴、T轴分别回转时，手腕存在哪些运动，为什么？ 2、齿轮24、22所在的轴能否做成一体，为什么？ 3、齿轮17作的什么运动？俯仰运动轮系属于什么轮系，试分析其运动。
问题：
手部转轴是与油缸的什么部件相联？
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。
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 (c))。
二自由度手腕 (a) BR手腕； (b) BB手腕; (c) RR手腕
(3) 三自由度手腕
如图所示。三自由度手腕可以由B关节和R关节组成许多
种形式。图 (a)所示是通常见到的BBR手腕, 使手部具有俯仰、 偏转和翻转运动, 即RPY运动。图 (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 (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 (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
俯仰
回转
轮系驱动二自由度手腕图例（2）：
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
轮系驱动二自由度手腕图例（3）：
附加回转运动：
轴S不转而B轴回转→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。
腕部坐标系
手腕的摆动
手腕的俯仰
手腕的回转
二、手腕的设计要求
1.结构紧凑、重量轻； 2.动作灵活、平稳，定位精度高； 3.强度、刚度高； 4.合理连接结构，传感器和驱动装置的合理 布局及安装等； 5.要适应工作环境的需要。
三、手腕的分类
1. 2.
按自由度数目来分 按驱动方式来分
1. 按自由度数目来分
工作原理：
摆动液压缸结构图：
2．单自由度回转运动手腕 ：
ຫໍສະໝຸດ Baidu
结构特点：
机器人手部的张合是由汽缸驱动的，而手腕 的回转运动则由回转液压缸实现。 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。
工作原理：
单回转油缸驱动手腕图例：
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。
轮系驱动二自由度手腕图例（1）：
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
附加回转运动在实际使 用时应予以考虑。必要 时应加以利用或补偿。
轮系驱动二自由度手腕图例（4）：
思考题：
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？
4．轮系驱动的三自由度手腕：
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。
手腕按自由度数目来分, 可分为单自由度手腕、 二自由
度手腕和三自由度手腕。
(1) 单自由度手腕 如图所示。 图 (a)是一种回转关节, 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)是一种俯仰、摆动关节(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
俯仰 轮系驱动三自由度手腕图例（1）： 偏转
回转
回转运动：
轴S旋转→齿轮副Z10/Z23、Z23/Z11→锥齿轮副Z12、Z13→锥 齿轮副Z14、Z15→手腕与锥齿轮Z15为一体→手腕实现旋转 运动
轮系驱动三自由度手腕图例（2）：
俯仰运动：
轴B旋转→齿轮副Z24/Z21，Z21/Z22→齿轮副Z20、Z16→齿轮 副Z16 、Z17→齿轮副Z17 、Z18→轴19旋转→手腕壳体与轴 19固联→实现手腕的俯仰运动
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。
单自由度手腕图例：
R手腕
B手腕
B手腕
T手腕
(2) 二自由度手腕
如图所示。二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 (a))，也可以由两个B关节组成BB手腕
(见图 (b))。但是, 不能由两个R关节组成RR手腕, 因为两个