《工业机器人》教学课件__工业机器人的腕部

1、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。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

2、.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、手腕的分类按自由度数目来分按驱动方式来分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、 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

3、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

4、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

5、。 （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。工作原理： 在密封的缸体内，隔板与活动叶片之

6、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。摆动液压缸结构图：2单自由度回转运动手腕 ：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。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。单回转油缸驱动手腕图例：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

7、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。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

8、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。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。轮系驱动三自由度手腕图例（1）：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俯仰回转偏转轮系驱动三自由度手腕图例（2）：俯仰运动：轴B

9、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