第八讲机器人的腕部结构

机器人腕部结构引言机器人的腕部是臂部和手部的连接部件，起支承手部和改变手部姿态的作用。手腕的结构是机器人中最复杂的结构。一、手腕的自由度1．手腕的自由度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，分别称为翻转R（Roll）、俯仰P（Pitch）和偏转Y（Yaw）。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。手腕自由度图例：腕部坐标系手腕的偏转手腕的俯仰手腕的回转二、手腕的设计要求结构紧凑、重量轻；动作灵活、平稳，定位精度高；强度、刚度高；与臂部及手部的连接部位的合理连接结构，传感器和驱动装置的合理布局及安装等。三、手腕的分类1．按自由度的数目分（1）单自由度手腕：手腕在空间可具有三个自由度，也可以具备以下单一功能：单一的翻转功能：手腕的关节轴线与手臂的纵轴线共线，常回转角度不受结构限制，可以回转360°以上。该运动用翻转关节（R关节）实现。单一的俯仰功能：手腕关节轴线与手臂及手的轴线相互垂直，转角度受结构限制，通常小于360°。该运动用折曲关节（B关节）实现。单一的偏转功能：手腕关节轴线与手臂及手的轴线在另一个方向上相互垂直；转角度受结构限制，通常小于360°。该运动用折曲关节（B关节）实现。单自由度手腕图例R手腕B手腕B手腕T手腕1．按自由度的数目分（2）二自由度手腕：可以由一个R关节和一个B关节联合构成BR关节实现，或由两个B关节组成BB关节实现，但不能由两个RR关节构成二自由度手腕，因为两个R关节的功能是重复的，实际上只起到单自由度的作用。二自由度手腕图例：BR手腕BB手腕RR手腕(属于单自由度)1．按自由度的数目分（3）三自由度手腕：有R关节和B关节的组合构成的三自由度手腕可以有多种型式，实现翻转、俯仰和偏转功能。三自由度手腕图例：BBR手腕BBR手腕B2．按手腕的驱动方式分直接驱动手腕：驱动源直接装在手腕上。这种直接驱动手腕的关键是能否设计和加工出尺寸小、重量轻而驱动扭矩大、驱动性能好的驱动电机或液压马达。远距离传动手腕：有时为了保证具有足够大的驱动力，驱动装置又不能做得足够小，同时也为了减轻手腕的重量，采用远距离的驱动方式，可以实现三个自由度的运动。液压直接驱动BBR手腕图例：RBB俯仰偏转回转液压马达直接驱动BBR手腕，关键是设计和加工出尺寸小、重量轻、驱动力矩大，驱动特性好的液压驱动马达。远距离传动手腕图例：问题：1、各轴分别实现什么运动？2、当手腕进行俯仰运动时，能否同时进行回转运动？回转运动俯仰运动偏转运动四、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气缸驱动的，而手腕的回转运动则由回转液压缸实现。工作原理：将夹紧气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→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。直线运动转化为旋转运动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直线运动转化为旋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。