详解机器人手腕结构图

详解机器人手腕结构图

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【详解】机器人手腕结构图

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。工业机器人一般需要6个自由度才能使手部达到目标位置并处于期望的姿态。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,如图2．3１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Yaｗ,用Y表示。

图2.31 手腕的自由度(a）绕z轴转动; (b)绕y轴转动; (c) 绕ｘ轴转动；（d) 绕x、y、ｚ轴转动

手腕的分类

１．按自由度数目来分手腕按自由度数目来分, 可分为单自由度手腕、2自由度手腕和3自由度手腕。

(1）单自由度手腕,如图2.32所示。图（ａ)是一种翻转(Rｏll)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）是一种折曲（Benｄ)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。

图2.3２单自由度手腕（a) R手腕；(ｂ) B手腕;(c）Ｙ手腕；(d) T手腕

(2) ２自由度手腕,如图2．3３所示。２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２.3３(a))，也可以由两个B关节组成BB手腕(见图2.33(b））。但是,不能由两个Ｒ关节组成RR手腕，因为两个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2.33(ｃ)。图2.33 二自由度手腕(ａ) BR手腕; (b) ＢＢ手腕; (c) ＲＲ手腕

(3)3自由度手腕，如图2.34所示。3自由度手腕可以由B 关节和R关节组成许多种形式。图2.34(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RP Ｙ运动。图2.３4(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2.３4（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2.3４(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。图2.34 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。

图2.35所示为Mｏoｇ公司的一种液压直接驱动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。

图２.36所示为一种远距离传动的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,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。

图2.3５液压直接驱动ＢBR手腕

图 2.３6 远距离传动RＢR手腕

手腕的典型结构

设计手腕时除应满足启动和传送过程中所需的输出力矩外, 还要求手腕结构简单,紧凑轻巧,避免干涉,传动灵活；多数情

况下,要求将腕部结构的驱动部分安排在小臂上，使外形整齐；设法使几个电动机的运动传递到同轴旋转的心轴和多层套筒上去,运动传入腕部后再分别实现各个动作。下面介绍几个常见的机器人手腕结构。

图2.３7所示为双手悬挂式机器人实现手腕回转和左右摆动的结构图。Ａ-A剖面所表示的是油缸外壳转动而中心轴不动, 以实现手腕的左右摆动;B-B剖面所表示的是油缸外壳不动而中心轴回转，以实现手腕的回转运动。其油路的分布如图2.37所示。

图２．37 手腕回转和左右摆动的结构图

图2.3８所示为PＴ-6０0型弧焊机器人手腕部结构图和传动原理图。由图可以看出, 这是一个具有腕摆与手转两个自由度的手腕结构，其传动路线为: 腕摆电动机通过同步齿形带传动带动腕摆谐波减速器7,减速器的输出轴带动腕摆框1实现腕摆运动; 手转电动机通过同步齿形带传动带动手转谐波减速器10, 减速器的输出通过一对锥齿轮9实现手转运动。需要注意的是, 当腕摆框摆动而手转电动机不转时,联接末端执行器的锥齿轮在另一锥齿轮上滚动, 将产生附加的手转运动, 在控制上要进行修正。

图 2.38 PT-6００型弧焊机器人手腕结构图

图2.39所示为ＫUＫAＩR-6６2／100型机器人的手腕传动原理图。这是一个具有3个自由度的手腕结构, 关节配置

形式为臂转、腕摆、手转结构。其传动链分成两部分: 一部分在机器人小臂壳内, ３个电动机的输出通过带传动分别传递到同轴传动的心轴、中间套、外套筒上; 另一部分传动链安排在手腕部, 图2.４０所示为手腕部分的装配图。

图2.39 ＫUKA IR-662/1０0型机器人手腕传动图图2.40 KUKＡIR-662/100型机器人手腕装配图

其传动路线为:(１）臂转运动。臂部外套筒与手腕壳体7通过端面法兰联接,外套筒直接带动整个手腕旋转完成臂转运动。

（2) 腕摆运动。臂部中间套通过花键与空心轴4联接, 空心轴另一端通过一对锥齿轮12、１３带动腕摆谐波减速器的波发生器16, 波发生器上套有轴承和柔轮14，谐波减速器的定轮１0与手腕壳体相联,动轮１1通过盖１8和腕摆壳体１9相固接, 当中间套带动空心轴旋转时,腕摆壳体作腕摆运动。

(3）手转运动。臂部心轴通过花键与腕部中心轴2联接, 中心轴的另一端通过一对锥齿轮45、4６带动花键轴4１, 花键轴的一端通过同步齿形带传动44、３６带动花键轴３5，再通过一对锥齿轮传动33、17带动手转谐波减速器的波发生器25, 波发生器上套有轴承和柔轮29, 谐波减速器的定轮31通过底座34与腕摆壳体相联,动轮24通过安装架23与联接手部的法兰盘3０相固定, 当臂部心轴带动腕部中心轴旋转