《工业机器人》教学幻灯片-第3章-工业机器人的腕部.ppt

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.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 （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,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。