《工業(yè)機(jī)器人》教學(xué)課件__工業(yè)機(jī)器人的腕部

1、第3章 工業(yè)機(jī)器人的腕部一、概論 二、手腕的設(shè)計(jì)要求 三、手腕的分類四、典型結(jié)構(gòu)一 概論 機(jī)器人手腕是連接末端操作器和手臂的部件,它的作用是調(diào)節(jié)或改變工件的方位, 因而它具有獨(dú)立的自由度,以使機(jī)器人末端操作器適應(yīng)復(fù)雜的動(dòng)作要求。 為了使手部能處于空間任意方向，要求腕部能實(shí)現(xiàn)對(duì)空間三個(gè)坐標(biāo)軸X、Y、Z的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這便是腕部運(yùn)動(dòng)的三個(gè)自由度，分別稱為手腕的回轉(zhuǎn)R、手腕的俯仰P和手腕的擺動(dòng)Y。 并不是所有的手腕都必須具備三個(gè)自由度，而是根據(jù)實(shí)際使用的工作性能要求來確定。腕部坐標(biāo)系手腕的擺動(dòng)手腕的俯仰手腕的回轉(zhuǎn)二、手腕的設(shè)計(jì)要求1.結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕；2.動(dòng)作靈活、平穩(wěn)，定位精度高；3.強(qiáng)度、剛度高；4

2、.合理連接結(jié)構(gòu)，傳感器和驅(qū)動(dòng)裝置的合理布局及安裝等；5.要適應(yīng)工作環(huán)境的需要。三、手腕的分類按自由度數(shù)目來分按驅(qū)動(dòng)方式來分1. 按自由度數(shù)目來分手腕按自由度數(shù)目來分, 可分為單自由度手腕、 二自由度手腕和三自由度手腕。 (1) 單自由度手腕如圖所示。 圖 (a)是一種回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié), 它把手臂縱軸線和手腕關(guān)節(jié)軸線構(gòu)成共軸形式。 這種R關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度大, 可達(dá)到360以上。 圖 (b)、 (c)是一種俯仰、擺動(dòng)關(guān)節(jié)(簡(jiǎn)稱B關(guān)節(jié)), 關(guān)節(jié)軸線與前后兩個(gè)連接件的軸線相垂直。 這種B關(guān)節(jié)因?yàn)槭艿浇Y(jié)構(gòu)上的干涉, 旋轉(zhuǎn)角度小, 大大限制了方向角。 圖 (d)所示為移動(dòng)關(guān)節(jié)。 單自由度手腕圖例：R手腕B手腕B手腕T

3、手腕(2) 二自由度手腕如圖所示。二自由度手腕可以由一個(gè)R關(guān)節(jié)和一個(gè)B關(guān)節(jié)組成BR手腕(見圖 (a)，也可以由兩個(gè)B關(guān)節(jié)組成BB手腕(見圖 (b)。但是, 不能由兩個(gè)R關(guān)節(jié)組成RR手腕, 因?yàn)閮蓚€(gè)R共軸線, 所以退化了一個(gè)自由度, 實(shí)際只構(gòu)成了單自由度手腕(見圖 (c)。 二自由度手腕(a) BR手腕； (b) BB手腕; (c) RR手腕 (3) 三自由度手腕如圖所示。三自由度手腕可以由B關(guān)節(jié)和R關(guān)節(jié)組成許多種形式。圖 (a)所示是通常見到的BBR手腕, 使手部具有俯仰、 偏轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng), 即RPY運(yùn)動(dòng)。圖 (b)所示是一個(gè)B關(guān)節(jié)和兩個(gè)R關(guān)節(jié)組成的BRR手腕, 為了不使自由度退化, 使手部產(chǎn)

4、生RPY運(yùn)動(dòng),第一個(gè)R關(guān)節(jié)必須進(jìn)行如圖所示的偏置。圖 (c)所示是三個(gè)R關(guān)節(jié)組成的RRR手腕,它也可以實(shí)現(xiàn)手部RPY運(yùn)動(dòng)。圖 (d)所示是BBB手腕, 很明顯, 它已退化為二自由度手腕,只有PY運(yùn)動(dòng),實(shí)際上不采用這種手腕。 此外, B關(guān)節(jié)和R關(guān)節(jié)排列的次序不同,也會(huì)產(chǎn)生不同的效果,同時(shí)產(chǎn)生了其它形式的三自由度手腕。為了使手腕結(jié)構(gòu)緊湊, 通常把兩個(gè)B關(guān)節(jié)安裝在一個(gè)十字接頭上, 這對(duì)于BBR手腕來說， 大大減小了手腕縱向尺寸。 三自由度手腕(a) BBR手腕; (b) BRR手腕; (c) RRR手腕; (d) BBB手腕 2. 按驅(qū)動(dòng)方式來分手腕按驅(qū)動(dòng)方式來分,可分為直接驅(qū)動(dòng)手腕和遠(yuǎn)距離傳動(dòng)手腕

5、。 （1）直接驅(qū)動(dòng)手腕如圖所示為一種液壓直接驅(qū)動(dòng)BBR手腕, 設(shè)計(jì)緊湊巧妙。 M1、M2、M3是液壓馬達(dá), 直接驅(qū)動(dòng)手腕的偏轉(zhuǎn)、 俯仰和翻轉(zhuǎn)三個(gè)自由度軸。（2）遠(yuǎn)距離傳動(dòng)手腕 如圖所示為一種遠(yuǎn)距離傳動(dòng)的RBR手腕。這種遠(yuǎn)距離傳動(dòng)的好處是可以把尺寸、重量都較大的驅(qū)動(dòng)源放在遠(yuǎn)離手腕處, 有時(shí)放在手臂的后端作平衡重量用,這不僅減輕了手腕的整體重量, 而且改善了機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)的平衡性。 四、典型結(jié)構(gòu)1擺動(dòng)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(dòng)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(dòng)葉片之

6、間圍成兩個(gè)油腔，相當(dāng)油缸中的無桿腔和有桿腔。液壓力作用在活動(dòng)葉片的端面上，對(duì)傳動(dòng)軸中心產(chǎn)生力矩使被驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。擺動(dòng)缸轉(zhuǎn)角在270左右。擺動(dòng)液壓缸結(jié)構(gòu)圖：2單自由度回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)手腕 ：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 機(jī)器人手部的張合是由汽缸驅(qū)動(dòng)的，而手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)則由回轉(zhuǎn)液壓缸實(shí)現(xiàn)。工作原理：將夾緊汽缸的外殼與擺動(dòng)油缸的動(dòng)片連接在一起，當(dāng)擺動(dòng)液壓缸中不同的油腔中進(jìn)油時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)手腕不同方向的擺動(dòng)。單回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動(dòng)手腕圖例：?jiǎn)栴}：手部轉(zhuǎn)軸是與油缸的什么部件相聯(lián)？3雙回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動(dòng)手腕 ：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：采用雙回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動(dòng)，一個(gè)帶動(dòng)手腕作俯仰運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)油缸帶動(dòng)手腕作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。V-V視圖表示的回轉(zhuǎn)缸中動(dòng)片帶動(dòng)回轉(zhuǎn)油缸的剛體，定片與固

7、定中心軸聯(lián)結(jié)實(shí)現(xiàn)俯仰運(yùn)動(dòng)；L-L視圖表示回轉(zhuǎn)缸中動(dòng)片與回轉(zhuǎn)中心軸聯(lián)結(jié)，定片與油缸缸體聯(lián)結(jié)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。雙回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動(dòng)手腕圖例：3輪系驅(qū)動(dòng)的二自由度BR手腕： 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 由輪系驅(qū)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)和俯仰運(yùn)動(dòng)，其中手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由傳動(dòng)軸S傳遞，手腕的俯仰運(yùn)動(dòng)由傳動(dòng)軸B傳遞。輪系驅(qū)動(dòng)二自由度手腕圖例（1）：回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)： 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(shí)現(xiàn)繞C軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)俯仰回轉(zhuǎn)輪系驅(qū)動(dòng)二自由度手腕圖例（2）：俯仰運(yùn)動(dòng)： 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(shí)現(xiàn)繞A軸的俯仰運(yùn)動(dòng)輪系驅(qū)動(dòng)二自由度手腕圖例（3）：附加回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)： 軸S不轉(zhuǎn)而B軸回轉(zhuǎn)

8、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(gè)附加的自轉(zhuǎn)，即為附加回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。附加回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)在實(shí)際使用時(shí)應(yīng)予以考慮。必要時(shí)應(yīng)加以利用或補(bǔ)償。輪系驅(qū)動(dòng)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(shí)，腕部存在哪些運(yùn)動(dòng)，為什么？4輪系驅(qū)動(dòng)的三自由度手腕： 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：該機(jī)構(gòu)為由齒輪、鏈輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)的偏轉(zhuǎn)、俯仰和回轉(zhuǎn)三個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的手腕結(jié)構(gòu)。輪系驅(qū)動(dòng)三自由度手腕圖例（1）：回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：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(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)俯仰回轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)輪系驅(qū)動(dòng)三自由度手腕圖例（2）：俯仰運(yùn)動(dòng)：軸B

9、旋轉(zhuǎn)齒輪副Z24/Z21，Z21/Z22齒輪副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(shí)現(xiàn)手腕的俯仰運(yùn)動(dòng)輪系驅(qū)動(dòng)三自由度手腕圖例（3）：偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：油缸1中的活塞左右移動(dòng)帶動(dòng)鏈輪2旋轉(zhuǎn)錐齒輪副Z3/Z4帶動(dòng)花鍵軸5、6旋轉(zhuǎn)花鍵軸6與行星架9連在一起帶動(dòng)行星架及手腕作偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)輪系驅(qū)動(dòng)三自由度手腕圖例（4）：附加俯仰運(yùn)動(dòng)：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(shí)迫使齒輪Z22繞齒輪Z21的過程中自轉(zhuǎn)經(jīng)過Z20、Z16、Z17、Z18實(shí)現(xiàn)附加俯仰運(yùn)動(dòng)輪系驅(qū)動(dòng)三自由度手腕圖例（5）：附加回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：軸B、軸S不轉(zhuǎn)而T軸回轉(zhuǎn)齒輪Z23、Z21不轉(zhuǎn)