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1、機器人腕部結(jié)構(gòu) 主講 郝建豹 引言： 腕部是臂部和手部的連接件，起支承 手部和改變手部姿態(tài)的作用。 一、手腕的自由度 1手腕的自由度： 為了使手部能處于空間任意 方向 ， 要求 腕部能實現(xiàn)對空間三個坐標(biāo)軸 X、 Y、 Z 的旋轉(zhuǎn)運動 。 這便是腕部運動的三個自 由度 ， 分別稱為 翻轉(zhuǎn) R（ Roll） 、 俯仰 P （ Pitch） 和 偏轉(zhuǎn) Y（ Yaw） 。 并不是所有的手腕都必須具備三個自由 度 ， 而是根據(jù)實際使用的工作性能要求 來確定 。 手腕自由度圖例： 腕部坐標(biāo)系 手腕的偏轉(zhuǎn) 手腕的俯仰 手腕的回轉(zhuǎn) 二、手腕的設(shè)計要求 結(jié)構(gòu)緊湊 、 重
2、量輕； 動作靈活 、 平穩(wěn) ， 定位精度高； 強度 、 剛度高； 與臂部及手部的連接部位的合理連接 結(jié)構(gòu) ， 傳感器和驅(qū)動裝置的合理布局 及安裝等 。 三、手腕的分類 1按自由度的數(shù)目分（ 1）： 單自由度 手腕 ： 手腕在空間可具有三個自由度 ， 也可以具備以下 單一功能： 單一的翻轉(zhuǎn)功能： 手腕的關(guān)節(jié)軸線與手臂的縱軸線共 線 ， ?；剞D(zhuǎn)角度不受結(jié)構(gòu)限制 ， 可以回轉(zhuǎn) 360 以上 。 該運動用翻轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) （ R關(guān)節(jié) ） 實現(xiàn) 。 單一的俯仰功能： 手腕關(guān)節(jié)軸線與手臂及手的軸線相 互垂直 ， 轉(zhuǎn)角度受結(jié)構(gòu)限制 ， 通常小于 360 。 該運動 用折曲關(guān)節(jié) （
3、 B關(guān)節(jié) ） 實現(xiàn) 。 單一的偏轉(zhuǎn)功能： 手腕關(guān)節(jié)軸線與手臂及手的軸線在 另一個方向上相互垂直；轉(zhuǎn)角度受結(jié)構(gòu)限制 ， 通常小 于 360 。 該運動用折曲關(guān)節(jié) （ B關(guān)節(jié) ） 實現(xiàn) 。 單自由度手腕圖例： R手腕 B手腕 B手腕 T手腕 1按自由度的數(shù)目分（ 2）： 二自由度 手腕 ： 可以由一個 R關(guān)節(jié)和一個 B關(guān)節(jié)聯(lián)合構(gòu)成 BR關(guān)節(jié) 實現(xiàn) ， 或由兩個 B關(guān)節(jié)組成 BB關(guān)節(jié) 實現(xiàn) ， 但 不能由兩個 RR關(guān)節(jié)構(gòu)成二自由 度手腕 ， 因為兩個 R關(guān)節(jié)的功能是重復(fù)的 ， 實際上只起到單自由度的作用 。 二自由度手腕圖例： BR手腕 BB手腕 RR手腕 (屬于單
4、自由度 ) 1按自由度的數(shù)目分（ 3）： 三自由度 手腕 ： 有 R關(guān)節(jié)和 B關(guān)節(jié)的組合構(gòu)成的三自由 度手腕可以有多種型式 ， 實現(xiàn) 翻轉(zhuǎn) 、 俯仰 和 偏轉(zhuǎn)功能 。 三自由度手腕圖例： BBR手腕 BRR手腕 R 2按手腕的驅(qū)動方式分： 直接驅(qū)動 手腕 ： 驅(qū)動源直接裝在手腕上 。 這種直接驅(qū)動手腕的 關(guān)鍵是能否設(shè)計和加工出尺寸小 、 重量輕而驅(qū) 動扭矩大 、 驅(qū)動性能好的 驅(qū)動電機 或 液壓馬達(dá) 。 遠(yuǎn)距離傳動 手腕 ： 有時為了保證具有足夠大的驅(qū)動力 ， 驅(qū)動裝置 又不能做得足夠小 ， 同時也為了減輕手腕的重 量 ， 采用 遠(yuǎn)距離的驅(qū)動方式 ， 可以實
5、現(xiàn)三個自 由度的運動 。 液壓直接驅(qū)動 BBR手腕圖例： R B B 偏轉(zhuǎn) 俯仰 回轉(zhuǎn) 遠(yuǎn)距離傳動手腕圖例： 問題： 1、各軸分別實現(xiàn)什么運動？ 2、當(dāng)手腕進行俯仰運動時，能否 同時進行回轉(zhuǎn)運動？ 回轉(zhuǎn)運動 俯仰運動 偏轉(zhuǎn)運動 動作分解： 偏轉(zhuǎn) 運動 俯仰運動 回轉(zhuǎn)運動 四 、 典型結(jié)構(gòu) 1擺動液壓缸（又稱回轉(zhuǎn)液壓缸）： 結(jié)構(gòu) ： 由缸體 、 隔板 、 葉片 、 花鍵套等主要部件構(gòu)成 。 其中葉片 7固定在轉(zhuǎn)子上 ， 用花鍵將轉(zhuǎn)子與驅(qū)動軸 連接 ， 用螺栓 2將隔板與缸體連接 。 工作原理： 在密封的缸體內(nèi) ， 隔板與活動葉片之間圍成兩個 油
6、腔 ， 相當(dāng)油缸中的無桿腔和有桿腔 。 液壓力作 用在活動葉片的端面上 ， 對傳動軸中心產(chǎn)生力矩 使被驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動 。 擺動缸轉(zhuǎn)角在 270 左右 。 擺動液壓缸結(jié)構(gòu)圖： 2單自由度回轉(zhuǎn)運動手腕 ： 結(jié)構(gòu) 特點 ： 機器人手部的張合是由汽缸驅(qū)動的 ， 而手 腕的回轉(zhuǎn)運動則由回轉(zhuǎn)液壓缸實現(xiàn) 。 工作原理： 將 夾緊汽缸的外殼與擺動油缸的動片連接 在一起 ， 當(dāng)擺動液壓缸中不同的油腔中進 油時 ， 即可實現(xiàn)手腕不同方向的擺動 。 單回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動手腕圖例： 3雙回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動手腕 ： 結(jié)構(gòu) 特點 ： 采用雙回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動，一個帶動手腕作 俯仰運動 ，另一個油缸帶動
7、手腕作 回轉(zhuǎn) 運動 。 V-V視圖表示的回轉(zhuǎn)缸中動片帶動回轉(zhuǎn)油 缸的剛體，定片與固定中心軸聯(lián)結(jié)實現(xiàn) 俯仰運動 ； L-L視圖表示回轉(zhuǎn)缸中動片與 回轉(zhuǎn)中心軸聯(lián)結(jié)，定片與油缸缸體聯(lián)結(jié) 實現(xiàn) 回轉(zhuǎn)運動 。 雙回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動手腕圖例： 3輪系驅(qū)動的二自由度 BR手腕： 結(jié)構(gòu) 特點 ： 由輪系驅(qū)動可實現(xiàn)手腕 回轉(zhuǎn) 和 俯仰 運動 ， 其中手腕的回轉(zhuǎn)運動由傳動軸 S傳遞 ， 手 腕的俯仰運動由傳動軸 B傳遞 。 輪系驅(qū)動二自由度手腕圖例（ 1）： 回轉(zhuǎn)運動： 軸 S旋轉(zhuǎn) 錐齒輪 副 Z1、 Z2 錐齒輪 副 Z3、 Z4 手腕與 錐齒輪 Z4為一體 手腕實現(xiàn)繞 C軸的 旋轉(zhuǎn)
8、運動 俯仰 回轉(zhuǎn) 輪系驅(qū)動二自由度手腕圖例（ 2）： 俯仰運動： 軸 B旋轉(zhuǎn) 錐齒輪副 Z5、 Z6 軸 A旋轉(zhuǎn) 手腕殼體 7與軸 A固聯(lián) 手腕實現(xiàn)繞 A軸的 俯仰運動 輪系驅(qū)動二自由度手腕圖例（ 4）： 思考題： 圖中所示的情況，當(dāng) S軸不輸入，只有 B軸 輸入時，腕部存在哪 些運動，為什么？ 輪系驅(qū)動二自由度手腕圖例（ 3）： 附加回轉(zhuǎn)運動： 軸 S不轉(zhuǎn)而 B軸回轉(zhuǎn) 錐 齒輪 Z3不轉(zhuǎn) 錐齒輪 Z3、 Z4相嚙合 迫使 Z4繞 C軸 線有一個附加的自轉(zhuǎn) ， 即為附加回轉(zhuǎn)運動 。 附加回轉(zhuǎn)運動在實際使 用時應(yīng)予以考慮 。 必要 時應(yīng)加
9、以利用或 補償 。 附加運動動作分解： 軸主動 齒輪固 定不動 行星運動 4輪系驅(qū)動的三自由度手腕： 結(jié)構(gòu) 特點 ： 該機構(gòu)為由齒輪 、 鏈輪傳動實現(xiàn)的 偏轉(zhuǎn) 、 俯仰 和 回轉(zhuǎn) 三個自由度運動的手腕結(jié)構(gòu) 。 輪系驅(qū)動三自由度手腕圖例（ 1）： 回轉(zhuǎn)運動： 軸 S旋轉(zhuǎn) 齒輪副 Z10/Z23、 Z23/Z11 錐齒輪副 Z12、 Z13 錐 齒輪副 Z14、 Z15 手腕與錐齒輪 Z15為一體 手腕實現(xiàn)旋轉(zhuǎn) 運動 俯仰 回轉(zhuǎn) 偏轉(zhuǎn) 輪系驅(qū)動三自由度手腕圖例（ 2）： 俯仰運動： 軸 B旋轉(zhuǎn) 齒輪副 Z24/Z21， Z21/Z22 齒輪副
10、 Z20、 Z16 齒輪 副 Z16、 Z17 齒輪副 Z17、 Z18 軸 19旋轉(zhuǎn) 手腕殼體與軸 19固聯(lián) 實現(xiàn)手腕的俯仰運動 直線運動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運動： 輪系驅(qū)動三自由度手腕圖例（ 3）： 偏轉(zhuǎn)運動： 油缸 1中的活塞左右移動 帶動鏈輪 2旋轉(zhuǎn) 錐齒輪副 Z3/Z4 帶動花鍵軸 5、 6旋轉(zhuǎn) 花鍵軸 6與行星架 9連在 一起 帶動行星架及手腕作偏轉(zhuǎn)運動 輪系驅(qū)動三自由度手腕圖例（ 4）： 附加俯仰運動： 軸 B、 軸 S不轉(zhuǎn)而 T軸回轉(zhuǎn) 齒輪 Z23、 Z21不轉(zhuǎn) 當(dāng)行星架 回轉(zhuǎn)時 迫使齒輪 Z22繞齒輪 Z21的過程中自轉(zhuǎn) 經(jīng)過 Z20、 Z16、 Z17、 Z18實現(xiàn)附加俯仰運動 輪系驅(qū)動三自由度手腕圖例（ 5）： 附加回轉(zhuǎn)運動： 軸 B、 軸 S不轉(zhuǎn)而 T軸回轉(zhuǎn) 齒輪 Z23、 Z21不轉(zhuǎn) 當(dāng)行星架 回轉(zhuǎn)時 迫使齒輪 Z11繞齒輪 Z23的過程中自轉(zhuǎn) 經(jīng)過 Z12、 Z13、 Z14、 Z15實現(xiàn)附加回轉(zhuǎn)運動 思考題： 1、 當(dāng) B軸 、 T軸分別回轉(zhuǎn)時 ， 手腕存在哪些運動 ， 為什么 ？ 2、 齒輪 24、 22所在的軸能否做成一體 ， 為什么 ？ 3、 齒輪 17作的什么運動 ？ 俯仰運動輪系屬于什么輪系 ， 試分析其運動 。
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