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工业机器人腕部结构分类、结构特点

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机器人腕部结构上课

机器人腕部结构上课

回转油缸直接驱动的单自由度腕部结构
1-定片；2-动片；3-后盖；4-夹紧缸体；5-活塞杆；6-回转缸体；7-前盖；8-指座
3.3 机器人腕部结构
1.1 工业机器人的基本概念
2023/6/29
问题： 手部转轴是与油缸的什么部件相联？
3.3 机器人腕部结构
2023/6/29
2 二自由度手腕
1.1 工业机器人的基本概念 ❖ 结构特点：
17
3.3 机器人腕部结构
2023/6/29
3.3.3
❖ R1R.R1型工手业腕机器人的基本概念
制造简单，润滑条件好，机械效率高，应用较为普遍。
RRR型手腕结构示意图
18
3.3 机器人腕部结构
❖ RRR型手腕
1.1 工业机器人的基本概念
2023/6/29
RRR型手腕结构示意图
RRR型手腕关节远程传动示意图
▪ 腕部关节结构紧凑，尺寸和质量小，但传动设计复杂，传 动刚度也降低了。
16
3.3 机器人腕部结构
3.3.3
2 远1.程1驱工动业机器人的基本概念
2023/6/29
偏转运动 俯仰运动 回转运动
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？
3、三个运动能否同时进行？
齿轮传动回转和俯仰型腕部原理
27
3.3 机器人腕部结构
2023/6/29
2 二自由度手腕
俯仰 1.1 工业机器人的基本概念❖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
回转
齿轮传动回转和俯仰型腕部原理

机器人的结构形式及各类结构的特点

机器人的结构形式及各类结构的特点

机器人的结构形式及各类结构的特点摘要：如今机器人已被广泛应用于机械、印刷机械、汽车工业、食品生产工业、药品生产工业、电子工业、机器制造业和化妆品生产等行业，不同领域因其需要的多样性和特殊性，也导致机器人在结构形式上存在多样性和特殊性。

关键字：结构形式，结构坐标系2011302590173刘亚辉遥感信息工程学院一、引言机器人按ISO 8373定义为：位置可以固定或移动，能够实现自动控制、可重复编程、多功能多用处、末端操作器的位置要在3个或3个以上自由度内可编程的工业自动化设备。

这里自由度就是指可运动或转动的轴。

工业机器人按其结构形式及编程坐标系主要分类为关节型机器人、移动机器人、水下机器人和直角坐标机器人等。

按主要功能特征及应用分为移动机器人、水下机器人、洁净机器人、直角坐标机器人、焊接机器人、手术机器人和军用机器人等。

机器人学涉及到机器人结构，机器人视觉，机器人运动规划，机器人传感器，机器人通讯和人工智能等许多方面，不同用处的机器人涉及到不同的学科，下面仅对这些机器人的结构和应用进行简单介绍。

机器人按照结构坐标系特点方式分类可分为：直角坐标机器人，圆柱坐标型机器人，极坐标机器人，多关节机器人等。

机器人按照机身结构特点可分为：升降回转型机身结构，俯仰型机身结构，直移型机身结构，类人机器人机身结构等。

二、各种结构坐标系1、直角坐标系机器人直角坐标型机器人结构如图所示，它主要是以直线运动轴为主，各个运动轴通常对应直角坐标系中的X轴，Y轴和Z轴，一般X轴和Y轴是水平面内运动轴，Z轴是上下运动轴。

在一些应用中Z轴上带有一个旋转轴，或带有一个摆动轴和一个旋转轴。

在绝大多数情况下直角坐标机器人的各个直线运动轴间的夹角为直角。

直角坐标型机械手可以在三个互相垂直的方向上作直线伸缩运动，这类机械手各个方向的运动是独立的，计算和控制比较方便，但占地面积大，限于特定的应用场合，有较多的局限性。

2、圆柱坐标机器人圆柱坐标型机器人的结构如下图所示，R、θ和x为坐标系的三个坐标，其中R、是手臂的径向长度，θ是手臂的角位置，x是垂直方向上手臂的位置。

机器人手部设计

机器人手部设计
有一种弹钢琴的表演机器人的手部已经与人手十分 相近，具有多个多关节手指,一个手的自由度达到20余 个，每个自由度独立驱动。目前工业机器人手部的自 由度还比较少，把具备足够驱动力量的多个驱动源和 关节安装在紧凑的手部里是十分困难的。本节主要介 绍和讨论手爪(Gripper)式手部的原理和设计，因为它 具有一定的通用性。而喷漆枪、焊具之类的专用工具 (Specialtooi)是行业性专业工具，不予介绍。
§4-5手部设计
一、概述 工业机器人的手部(Hand)也叫做末端操作器
(End-effector)，它是装在工业机器人手腕上直 接抓握工件或执行作业的部件。人的手有两种 含义：第一种含义是医学上把包括上臂、手腕 在内的整体叫做手；第二种含义是把手掌和手 指部分叫做手。工业机器人的手部接近于第二 种含义。
3.按手指或吸盘数目分 机械手爪可分为：二指手爪、多指手瓜。 机械手爪按手指关节分：单关节手指手爪、多关节手指手爪。 吸盘式手爪按吸盘数目分：单吸盘式手爪、多吸盘式手爪。 图4-49所示为一种三指手爪的外形图，每个手指是独立驱动的。
这种三指手爪与二指手瓜相比可以抓取像立方体、圆柱体、球体 等不同形状的物体。图4-50所示为一种多关节柔性手指手爪，它 的每个手指具有若干个被动式关节(PassivejointS)，每个关节不是 独立驱动。在拉紧夹紧钢丝绳后柔性手指环抱住物体，因此这种 柔性手指手爪对物体形状有一种适应性。但是，这种柔性手指并 不同于各个关节独立驱动的多关节手指。
工业机器人手部的特点：
(1)手部与手腕相连处可拆卸。手部与手腕有机械接 口，也可能有电、气、液接头，当工业机器人作业对 象不同时，可以方便地拆卸和更换手部。
(2)手都是工业机器人末端操作器。它可以像人手那 样具有手指，也可以是不具备手指的手；可以是类人 的手爪，也可以是进行专业作业的工具，比如装在机 器人手腕上的喷漆枪、焊接工具等。

机器人手部结构

机器人手部结构
空, 吸取物料。放料时, 管路接通大气, 失去真空, 物体放下。 为避免在取、 放料时产生撞击, 有的还在支承杆上配有弹簧
缓冲。为了更好地适应物体吸附面的倾斜状况,有的在橡胶吸
盘背面设计有球铰链。真空吸附取料手有时还用于微小无法抓 取的零件, 如图1.2.11所示。
图 1.2.10 真空吸附取料手
•
1.2.3.机器人手部的分类 • 由于被握工件的形状、尺寸、 重量、 材质 及表面状态等不同,因此机器人取料手是多 种多样的, 大致可分为以下几类: • (1) 夹钳式取料手； • (2) 吸附式取料手； • (3) 仿生多指灵巧手； • (4)其它手。
1.2.3.1 夹钳式取料手 • 夹钳式手部与人手相似, 是工业机器人广为 应用的一种手部形式。 它一般由手指(手爪) 和驱动机构、 传动机构及连接与支承元件 组成, 如图1.2.1所示, 能通过手爪的开闭动 作实现对物体的夹持。
用时, 往往采用如图1.2.15(b)所示的盘式电磁铁, 衔铁是固
定的, 衔铁内用隔磁材料将磁力线切断, 当衔铁接触磁铁物体 零件时, 零件被磁化形成磁力线回路,并受到电磁吸力而被吸
住。
图 1.2.15 电磁铁工作原理
图1.2.16所示为盘状磁吸附取料手的结构图。铁心1和磁盘
3之间用黄铜焊料焊接并构成隔磁环2,既焊为一体又将铁心和磁 盘分隔, 这样使铁心1成为内磁极, 磁盘3成为外磁极。其磁路
如图1.2.2所示的三种V型指的形状, 用于夹持圆柱形工件。 如图1.2.3所示的平面指为夹钳式手的指端,一般用于夹持方形工件(具有两 个平行平面), 板形或细小棒料。 另外，尖指和薄、长指一般用于夹持小型或柔性工件。 其中, 薄指一般用
于夹持位于狭窄工作场地的细小工件, 以避免和周围障碍物相碰; 长指一

工业机器人技术与应用第2章 工业机器人的机械结构

工业机器人技术与应用第2章 工业机器人的机械结构

2.4 工业机器人手部结构
2.5 工业机器人驱动与传动
2.1 工业机器人机身结构
工业机器人机身是直接连接、支承和传动手臂及行走机构的部件。它是由 臂部运动（升降、平移、回转和俯仰）机构及有关的导向装置、支撑件等 组成。 1．回转与升降型机身结构 回转与升降型机身结构主要由实现臂部的回转和升降运动的机构组成。
KUKA IR-662/100型机器人手腕传动图
2.2 工业机器人臂部结构
三、机器人臂部机构 3．臂部回转与升降机构
手臂回转与升降机构常采用回转缸与升降缸单独驱动，适用于升降行程短而 回转角度小于360°的情况，也有采用升降缸与气动马达-锥齿轮传动的结构。
2.3 工业机器人腕部结构
腕部是联接手臂和手部的结构部件，它的主要作用是确定手部的作业方向。 因此它具有独立的自由度，以满足机器人手部完成复杂的姿态调整。
一、机器人手腕的典型结构 2．手腕的典型结构 （1）单自由度回转运动手腕
回转油缸直接驱动的单自由度腕部结构 1-回转油缸 2-定片 3-腕回转轴 4-动片 5-手腕
2.3 工业机器人腕部结构
一、机器人手腕的典型结构 2．手腕的典型结构 （2）双自由度回转运动手腕
2.3 工业机器人腕部结构
一、机器人手腕的典型结构 2．手腕的典型结构 （3）三自由度回转运动手腕
4．类人机器人型机身结构 类人机器人的机身上除装 有驱动臂部的运动装置外 ，还应装有驱动腿部运动 的装置和腰部关节。
2.1 工业机器人机身结构
2.1 工业机器人机身结构
没有手臂的双足机器人Cassie
2.2 工业机器人臂部结构
手臂部件（简称臂部）是机器人的主要执行部件，它的作用是支撑腕部和 手部，并带动它们在空间运动，工业机器人腕部的空间位置及其工作空间 都与臂部的运动和臂部的参数有关。 一、机器人臂部的组成 机器人的手臂主要包括臂杆以及与其伸缩、屈伸或自转等运动有关的构件 ，如传动机构、驱动装置、导向定位装置、支撑联接和位置检测元件等。 根据臂部的运动和布局、驱动方式、传动和导向装置的不同可分为：伸缩 型臂部结构，转动伸缩型臂部结构，屈伸型臂部结构，其他专用的机械传 动臂部结构。

《工业机器人技术基础》(第3章)

《工业机器人技术基础》(第3章)

（a）
（b）
图3-12 磁吸式末端执行器的工作原理
1—线圈；2—铁芯；3—衔铁
3.1.4 专用工具
工业机器人是一种通用性很强的自动化设备，可根据作业要求装配各种专用的末端 执行器来执行各种动作。
这些专用工具可通过电磁吸盘式换接器快速地进行更换，形成一整套系列满足用户 的不同加工需求，如图3-13所示。
（a）
（b） 图3-31 三轮行走机构
（c）
2．四轮行走机构
四轮行走机构在工业机器人中的应用最为广泛，其可采用不同的方式实现驱动和转 向，如图3-32所示。其中，图3-32〔a〕所示为后轮分散驱动；图3-32〔b〕所示为四轮 同步转向机构，这种机构可实现更灵活的转向和较大的回转半径。
（a）
（b）
图3-32 四轮行走机构
3.4.3 轮式行走机构
轮式行走机构在工业机器人中应用十分普遍，其主要应用在平坦的地面上，如图330所示。车轮的结构、材料取决于地面的性质和车辆的承载能力。
图3-30 轮式行走机构在工业机器人中的应用
1．三轮行走机构
三轮行走机构稳定性较好，代表性的车轮配置方式是一个前轮、两个后轮，如图331所示。其中，图3-31〔a〕所示为两个后轮独立驱动，前轮仅起支承作用，通过后轮 速度差实现转向；图3-31〔b〕所示为前轮驱动，并通过前轮转向；图3-31〔c〕所示为 两后轮驱动并配有差动器，通过前轮转向。
3.3.3 臂部结构的设计
工业机器人臂部结构的设计具体设计要求有以下几点：
〔1〕臂部的结构应该满足工业机器人作业空间的要求。 〔2〕合理选择臂部截面形状，选用高强度轻质制造材料。工字形截面的 弯曲刚度一般比圆截面大，空心管的弯曲刚度和扭转刚度都比实心轴大得多， 所以常用钢管制作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢制作支承板。 〔3〕尽量减小臂部重量和整个臂部相对于转动关节的转动惯量，以减小 运动时的动载荷与冲击。 〔4〕合理设计臂部与腕部、机身的连接部位。臂部安装形式和位置不仅 关系到机器人的强度、刚度和承载能力，而且还直接影响机器人的外观。

工业机器人4[1].3_臂部手腕设计

工业机器人4[1].3_臂部手腕设计
臂部作水平伸缩运动时，首先要克服摩擦阻力， 包括油（气）缸与活塞之间的摩擦阻力及导向杆与 支承滑套之间的摩擦阻力等，还要克服启动过程中 的惯性力。驱动力Pq(N)可按下式计算：
Pq Fm Fg
2、臂部回转运动驱动力矩的计算
臂部回转运动驱动力矩应根据启动时产生的惯性力矩 与回转部件支承处的摩擦力矩来计算。由于升速过程一 般不是等加速运动，故最大驱动力矩要比理论平均值大 一些，一般取平均的1.3倍。驱动力矩 M q (可N 按• m下) 式计 算：
此种传动机构的结构紧凑、轻巧、传动扭矩大， 能提高机械手的工作性能。在示教型的机械手中， 采用这类传动机构作手腕结构的比较多，但缺点 是手腕有一个“诱导运动”，因而要补偿。
下图为给图4-44所示手腕增加一个 3回60转 运动 后成为RBR三自由度手腕的传动示意图。当油缸1 中的活塞作左右移动时，通过链条、链轮2、锥齿 轮3和4带动花键轴5和6转动，而花键轴6与行星 架9连成一体，因而也就带动行星架作回转运动， 即为手腕所增加的作 的回36转0运动。
以由B关节和R关节组成许多种形式。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， 也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。
2.按驱动方式分类
(1)直接驱动手腕。
手腕因为装在手臂末端,所以必须设计得十分紧凑， 可以把驱动源装在手腕上。下图所示是Moog公司的 一种液压直接驱动的BBR手腕，设计紧凑巧妙。Ml、 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。这种直接驱动手腕的关键是能否选到 尺寸小、重量轻而驱动力矩大、驱动特性好的驱动电 机或液压驱动马达。

机器人手部结构详解

机器人手部结构详解




工具：进行作业的专用工具。
工件的定位和夹紧：
F
2．按夹持方式分：

外夹式：

手部与被夹件的外表面相接触。 手部与工件的内表面相接触。

内撑式：


内外夹持式：

手部与工件的内、外表面相接触。
夹持方式图例：
Y
X Z
3．按手爪的运动形式分：

回转型：

当手爪夹紧和松开物体时，手指作回转运动。当 被抓物体的直径大小变化时，需要调整手爪的位 置才能保持物体的中心位置不变。 手指由平行四杆机构传动，当手爪夹紧和松开物 体时，手指姿态不变，作平动。 当手爪夹紧和松开工件时，手指作平移运动，并 保持夹持中心的固定不变，不受工件直径变化的 影响。

应用：

喷气式吸盘图例：
7．挤气式吸盘：

主要构成：

吸盘架、压盖、 密封垫、吸盘

工作原理：
挤气式吸盘工作原理图：
六、手部结构的应用实例
1．平行指手爪机构：

工作原理：
回转动力源1和6 驱动构件2和5顺 时针或逆时针旋 转，通过平行四 边形机构带动手 指3和4作平动， 夹紧或释放工件。
齿轮齿条式手爪重力式手爪滑槽式手爪拨杆杠杆式手爪线圈通电空气间隙的存在线圈产生大的电感和启动电流周围产生磁场通电导体一定会在周围产生磁场吸附工件适用于用铁磁材料做成的工件
机器人手部结构
主讲 周兰
引言：

工业机器人的手部也叫末端操作器， 它直接装在工业机器人的手腕上用于 夹持工件或让工具按照规定的程序完 成指定的工作。
结构特点：
该吸盘具有一个 球关节，使吸盘 能倾斜自如，适 应工件表面倾角 的变化。

工业机器人结构设计ppt课件

工业机器人结构设计ppt课件

2.2.1 钳爪式手部的设计
四、钳爪式手部结构及其夹紧力的计算公式举例
N
N
P
N=P/2 注：①两手指平移 ②增力比（N/P）小
齿轮齿条式手部结构
No.32
2.2.1 钳爪式手部的设计
四、钳爪式手部结构及其夹紧力的计算公式举例
α
γB A β
P
C
EN
N
N=PLcos(α+β+γ)/(2lsinαcosβ)
2、开式连杆系中的每根连杆都 具有独立的驱动器，属于主动连 杆系，连杆的运动各自独立，不 同连杆的运动之间没有依从关系， 运动灵活。
No.5
2.1 机器人本体的基本结构
二、机器人本体基本结构特点：
3、连杆驱动扭矩的顺态过程在 时域中的变化非常复杂，且和执 行器反馈信号有关。连杆的驱动 属于伺服控制型，因而对机械传 动系统的刚度、间隙和运动精度 都有较高的要求。
应根据被抓取工件的要求确定吸盘的形 状。由于气吸式手部多吸附薄片状的工 件，故可用耐油橡胶压制不同尺寸的盘 状吸头。
No.41
2.2.2 吸附式手部的设计
三、气吸式手部的吸力计算
吸盘吸力的大小主要取决于真空度(或 负压的大小)与吸附面积的大小。
真空吸盘吸力F计算公式：
F nD2 ( H )
4K1K2K3 76
注：①AB＝DE，DB＝AE，L＝BC杆长，l＝AB杆长； ②两手指保持平行；③当α角较小时，可获得较大的力比。
平行连杆杠杆式手部结构
No.33
2.2.1 钳爪式手部的设计
四、钳爪式手部结构及其夹紧力的计算公式举例
P
φ
α
c
bN
N
N=Pcsin(α+φ)/2bsinαsinφ

详解机器人手腕结构图

详解机器人手腕结构图

详解机器人手腕结构图————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：【详解】机器人手腕结构图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。

工业机器人一般需要6个自由度才能使手部达到目标位置并处于期望的姿态。

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的转动，即具有翻转、俯仰和偏转三个自由度,如图2．3１所示。

通常也把手腕的翻转叫做Roｌl,用R表示;把手腕的俯仰叫做Pｉtch，用Ｐ表示; 把手腕的偏转叫Yaｗ,用Y表示。

图2.31 手腕的自由度(a）绕z轴转动; (b)绕y轴转动; (c) 绕ｘ轴转动；（d) 绕x、y、ｚ轴转动手腕的分类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、2自由度手腕和3自由度手腕。

(1）单自由度手腕,如图2.32所示。

图（ａ)是一种翻转(Rｏll)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）是一种折曲（Benｄ)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。

图2.3２单自由度手腕（a) R手腕；(ｂ) B手腕;(c）Ｙ手腕；(d) T手腕(2) ２自由度手腕,如图2．3３所示。

２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２.3３(a))，也可以由两个B关节组成BB手腕(见图2.33(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2.33(ｃ)。

图2.33 二自由度手腕(ａ) BR手腕; (b) ＢＢ手腕; (c) ＲＲ手腕(3)3自由度手腕，如图2.34所示。

5.2工业机器人手腕

5.2工业机器人手腕
工业机器人手腕
主要内容
• 一、手腕的运动形式 • 二、手腕的自由度 • 三、柔顺手腕结构
一、手腕的运动形式
• 手腕位置：在机器人末端操作器和臂部之间。 • 作用：有助于手部呈现期望的姿态，扩大臂部运动范围，增加机器人的自由度。
一、手腕的运动形式
• 1) 臂转 • 2) 手转 • 3) 腕摆
绕小臂轴线方向的旋转称臂转； 使末端执行器（手部）绕自身轴线方向的旋转称手转； 使末端执行器相对于手臂进行摆动。
1. 单自由度手腕
翻转手腕、折曲手腕与移动手腕
1) 翻转（roll）手腕
简称R手腕，该手腕关节的Z轴与手臂纵轴线构成共轴线形式，这种R手 腕旋转角度大，可达360°以上。
1. 单自由度手腕
2) 折曲（bend）手腕
简称B手腕，该手腕关节的X轴、Y轴线与手臂纵轴线相垂直。这种B关节 因为受到结构上干涉，旋转角度小，大大限制了方向角。
1. 单自由度手腕
3) 移动手腕 简称T手腕，该手腕关节做直线移动。
2. 二自由度手腕
俯仰
俯仰
偏转
翻转
BR手腕
BB手腕
翻转
RR手腕
3. 三自由度手腕
• 由B关节和R关节组合而成，组合的方式有多种多样。
• B关节和R关节排列的次序不同，会产生不同形式的三自由度手腕。
偏转 翻转
B
B
R
俯仰 俯仰
R
R 偏转
二、手腕的自由度
➢单自由度、二自由度和三自由度。
三、柔顺手腕结构
➢从结构的角度在手腕部配置一个柔顺环节，以满足柔顺装配的需要。
Z
w
腕 爪
手
Ɵ1
腕
一、手腕的运动形式

【详解】机器人手腕结构图

【详解】机器人手腕结构图

[详解]机器人手腕结构图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.工业机器人一般需要6个自由度才能使手部达到目标位置并处于期望的姿态.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的转动, 即具有翻转、俯仰和偏转三个自由度,如图2.31所示.通常也把手腕的翻转叫做Roll, 用R表示; 把手腕的俯仰叫做Pitch, 用P表示; 把手腕的偏转叫Yaw, 用Y表示.图2.31 手腕的自由度<a> 绕z轴转动; <b> 绕y轴转动; <c> 绕x轴转动; <d> 绕x、y、z轴转动手腕的分类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、2自由度手腕和3自由度手腕.<1> 单自由度手腕,如图2.32所示.图<a>是一种翻转<Roll>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>是一种折曲<Bend>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.图2.32 单自由度手腕<a> R手腕；<b> B手腕; <c> Y手腕；<d> T手腕<2> 2自由度手腕,如图2.33所示.2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2.33<a>>,也可以由两个B关节组成BB手腕<见图2.33<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2.33<c>.图2.33 二自由度手腕<a> BR手腕；<b> BB手腕; <c> RR 手腕<3> 3自由度手腕,如图2.34所示.3自由度手腕可以由B关节和R关节组成许多种形式.图2.34<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2.34<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2.34<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2.34<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. 图2.34 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.图2.35所示为Moog公司的一种液压直接驱动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.图2.36所示为一种远距离传动的RBR手腕.Ⅲ轴的转动使整个手腕翻转, 即第一个R关节运动.Ⅱ轴的转动使手腕获得俯仰运动, 即第二个B关节运动.Ⅰ轴的转动即第三个R关节运动.当c轴一离开纸平面后, RBR手腕便在三个自由度轴上输出RPY运动.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.图2.35 液压直接驱动BBR手腕图2.36 远距离传动RBR手腕手腕的典型结构设计手腕时除应满足启动和传送过程中所需的输出力矩外, 还要求手腕结构简单,紧凑轻巧,避免干涉,传动灵活; 多数情况下,要求将腕部结构的驱动部分安排在小臂上, 使外形整齐; 设法使几个电动机的运动传递到同轴旋转的心轴和多层套筒上去, 运动传入腕部后再分别实现各个动作.下面介绍几个常见的机器人手腕结构.图2.37所示为双手悬挂式机器人实现手腕回转和左右摆动的结构图. A-A剖面所表示的是油缸外壳转动而中心轴不动, 以实现手腕的左右摆动；B-B剖面所表示的是油缸外壳不动而中心轴回转, 以实现手腕的回转运动.其油路的分布如图2.37所示.图2.37 手腕回转和左右摆动的结构图图2.38所示为PT－600型弧焊机器人手腕部结构图和传动原理图.由图可以看出, 这是一个具有腕摆与手转两个自由度的手腕结构, 其传动路线为: 腕摆电动机通过同步齿形带传动带动腕摆谐波减速器7, 减速器的输出轴带动腕摆框1实现腕摆运动; 手转电动机通过同步齿形带传动带动手转谐波减速器10, 减速器的输出通过一对锥齿轮9实现手转运动.需要注意的是, 当腕摆框摆动而手转电动机不转时, 联接末端执行器的锥齿轮在另一锥齿轮上滚动, 将产生附加的手转运动, 在控制上要进行修正.图2.38 PT-600型弧焊机器人手腕结构图图2.39所示为KUKA IR-662／100型机器人的手腕传动原理图.这是一个具有3个自由度的手腕结构, 关节配置形式为臂转、腕摆、手转结构.其传动链分成两部分: 一部分在机器人小臂壳内, 3个电动机的输出通过带传动分别传递到同轴传动的心轴、中间套、外套筒上; 另一部分传动链安排在手腕部, 图2.40所示为手腕部分的装配图.图2.39 KUKA IR-662/100型机器人手腕传动图图2.40 KUKA IR-662/100型机器人手腕装配图其传动路线为:<1> 臂转运动.臂部外套筒与手腕壳体7通过端面法兰联接,外套筒直接带动整个手腕旋转完成臂转运动.<2> 腕摆运动.臂部中间套通过花键与空心轴4联接, 空心轴另一端通过一对锥齿轮12、13带动腕摆谐波减速器的波发生器16, 波发生器上套有轴承和柔轮14,谐波减速器的定轮10与手腕壳体相联, 动轮11通过盖18和腕摆壳体19相固接, 当中间套带动空心轴旋转时, 腕摆壳体作腕摆运动.<3> 手转运动.臂部心轴通过花键与腕部中心轴2联接, 中心轴的另一端通过一对锥齿轮45、46带动花键轴41, 花键轴的一端通过同步齿形带传动44、36带动花键轴35, 再通过一对锥齿轮传动33、17带动手转谐波减速器的波发生器25, 波发生器上套有轴承和柔轮29, 谐波减速器的定轮31通过底座34与腕摆壳体相联,动轮24通过安装架23与联接手部的法兰盘30相固定, 当臂部心轴带动腕部中心轴旋转时, 法兰盘作手转运动.柔顺手腕结构在用机器人进行的精密装配作业中, 当被装配零件之间的配合精度相当高, 由于被装配零件的不一致性, 工件的定位夹具、机器人手爪的定位精度无法满足装配要求时, 会导致装配困难, 因而, 柔顺性装配技术有两种：一种是从检测、控制的角度出发, 采取各种不同的搜索方法, 实现边校正边装配; 有的手爪还配有检测元件, 如视觉传感器<如图 2.41 所示>、力传感器等, 这就是所谓主动柔顺装配. 另一种是从结构的角度出发, 在手腕部配置一个柔顺环节, 以满足柔顺装配的需要, 这种柔顺装配技术称为被动柔顺装配.图2.41 带检测元件的手图2.42所示是具有移动和摆动浮动机构的柔顺手腕.水平浮动机构由平面、钢球和弹簧构成,实现在两个方向上进行浮动; 摆动浮动机构由上、下球面和弹簧构成, 实现两个方向的摆动.在装配作业中,如遇夹具定位不准或机器人手爪定位不准时, 可自行校正.其动作过程如图2.43所示, 在插入装配中工件局部被卡住时,将会受到阻力, 促使柔顺手腕起作用, 使手爪有一个微小的修正量,工件便能顺利插入.图2.44所示是另一种结构形式的柔顺手腕, 其工作原理与上述柔顺手腕相似.图2.45所示是采用板弹簧作为柔性元件组成的柔顺手腕,在基座上通过板弹簧1、2联接框架, 框架另两个侧面上通过板弹簧3、4联接平板和轴,装配时通过4块板弹簧的变形实现柔顺性装配.图2.46所示是采用数根钢丝弹簧并联组成的柔顺手腕. 图2.42 移动摆动柔顺手腕图2.43 柔顺手腕动作过程图 2.44 柔顺手腕图 2.45 板弹簧柔顺手腕图2.46 钢丝弹簧柔顺手腕。

工业机器人技术基础 工业机器人手腕

工业机器人技术基础 工业机器人手腕
工业机器人手腕
学习目标
手腕运动形式
臂转、手转、腕摆，RPY运动
手腕自由度
单自由度手腕、二自由度手腕、三自由度手腕结构
柔顺手腕结构
主被动柔顺装配概念、结构特点、运动过程
手腕简介
• 定义：腕部是连接手部和臂部的部件 • 作用：调整或改变手部的姿态
手腕运动形式
• 臂转：绕小臂轴线方向的旋转
• 手转：使末端执行器（手部）绕自身轴线方向的旋转称手转
• 腕摆：使末端执行器相对于手臂进行摆动
Z
Z
ww
腕 爪
腕 爪
臂转—腕摆—手转
Ɵ1
手手
Ɵ1
腕 腕
臂转—双腕摆—手转结构
手腕运动形式
• 臂转 • 手转 • 腕摆
翻转运动（R）
俯仰运动（P） 偏转运动（Y）
RPY运动
Rot（Z, α）：Roll 翻滚 Rot（Y, β）：Pitch 俯仰 Rot（X, γ）：Yaw 偏航
手腕自由度
单自由度手腕
• 翻转手腕（R手腕）
• 折曲手腕（B手腕）
• 移动手腕（T手腕）
手腕自由度
二自由度手腕
• BR手腕
• BB手腕
• RR手腕
手腕自由度
三自由度手腕
• BBR 手腕
• BRR 手腕
• RRR手腕
• BBB手腕（2自由度）
柔顺手腕结构
主动柔顺装配
• 从检测、控制的角度，采取各种不同的搜索方法，实现边校正边装配。
总结
1. 掌握手腕的三种运动形 2. 掌握手腕三种自由度的组合 3. 了解柔顺手腕结构特点 4. 了解手腕机构组成和设计要求
被动柔顺装配
• 从结构的角度在手腕部配置一个柔顺环节，以满足柔顺装配的需要。

机器人本体结构

机器人本体结构

三、手爪的典型结构
1．机械手爪
气动手爪 1—扇形齿轮；2—齿条； 3—活塞；4—气缸；5—爪钳
V形爪钳
四种手爪传动机构
2．磁力吸盘
电磁吸盘结构 l—电磁吸盘；2—防尘盖；3—线圈；4—外壳体
3．真空式吸盘
1—电动机；2—真空泵；3、4—电磁阀；5—吸盘；6—通大气
四、机器人传动机构
1．齿轮传动 行星齿轮传动
二、RRR型手腕
RRR型手腕结构示意图
RRR型手腕容易实现远距传动。 为了实现运动的传递，RRR型手腕的中间关节是斜置 的，三根转动轴内外套在同一转动轴线上，最外面 的转动轴套直接驱动整个手腕转动，中间的轴套驱 动斜置的中间关节运动，中心轴驱动第三个滚转关 节。 RRR型手腕制造简单，润滑条件好，机械效率高，应 用较为普遍。
一、腕部的自由度
手腕按自由度个数可分为单自由度手腕、二自由度手腕和三自由度手腕。 腕部实际所需要的自由度数目应根据机器人的工作性能要求来确定。在有些情况下，腕部具 有两个自由度，即翻转和俯仰或翻转和偏转。一些专用机械手甚至没有腕部，但有些腕部为 了满足特殊要求还有横向移动自由度。
6种三自由度手腕的结合方式示意图
谐波传动
1—刚轮；2—刚轮内齿圈；3—输入轴； 4—谐波发生器；5—轴；6—柔轮；7—柔轮齿圈 液压静压谐波发生器的谐波传动
1—凸轮；2—柔轮；3—小孔
2．丝杠—螺母；3—滚珠；4—导向槽
3．带传动与链传动 4．绳传动与钢带传动 5．连杆与凸轮传动 6．流体传动
RRR型手腕关节远程传动示意图
三、腕部的典型结构
1.单自由度回转运动手腕
单自由度回转运动手腕用回转油缸或气缸直接驱动实现腕部回转运动。这种手腕具有结构紧凑， 体积小，运动灵活，响应快，精度高等特点，但回转角度受限制，一般小于270°

工业机器人手腕结构概述

工业机器人手腕结构概述

工业机器人手腕结构概述徐会正;金晓龙【摘要】介绍了时代工业机器人的两种手腕结构,并对其它工业机器人手腕结构作了简要的概述.【期刊名称】《工程与试验》【年(卷),期】2015(000)0z1【总页数】4页(P45-48)【关键词】工业机器人;手腕结构;本体【作者】徐会正;金晓龙【作者单位】济南时代试金试验机有限公司,山东济南250300;济南时代试金试验机有限公司,山东济南250300【正文语种】中文【中图分类】TP242.2目前，随着国内工业机器人需求量的日益剧增，工业机器人的发展也非常迅速。

在国内，已涌现出一批机器人本体制作商。

本文就工业机器人本体的手腕结构做一些描述。

这一运动传递过程中，主要注意谐波减速器输入轴的支撑与谐波减速器的密封。

本案中，谐波减速器的输入轴是通过两个深沟球轴承与一带轮及其中心螺钉来固定的，同时，该输入轴通过键与一个轴用挡圈来固定谐波减速器。

深沟球轴承的支撑座借用谐波减速器的安装孔与谐波减速器的壳体一起安装在支撑臂上。

2.1 时代工业机器人TIR6手腕结构时代工业机器人TIR6手腕结构如图1所示。

图中有3个旋转运动，箭头1实现整个手腕的正反旋转，箭头2实现腕壳的正反运动，箭头3实现末端法兰的正反旋转，由这3个运动组成TIR6机器人手腕的结构。

下面主要介绍箭头2与箭头3运动的实现。

（1）箭头2腕壳正反运动的实现。

电机旋转带动同步带，同步带通过带轮联接到一谐波减速器的输入端，减速器输出端固定腕壳。

当电机正反旋转时，就实现了腕壳的正反运动。

在（2）箭头3末端法兰正反运动的实现。

电机转速经过同步带、锥齿轮后到达谐波减速器，再经谐波减速器减速后到达末端法兰。

当电机正反旋转时，就实现了末端法兰壳的正反运动。

这个运动过程增加了一对锥齿轮，该对锥齿轮采用格利森齿制的螺旋齿轮。

采用该种齿轮的优点是增加齿面啮合长度，传运平稳，承受力大，可以高速运转。

缺点是加工制造难度增加，若加工不好，在高速运转时会产生噪声，同时增加装配难度。

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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的转动，即具有翻 转、俯仰和偏转三个自由度，如下图所示。
通常也把手腕的翻转叫做Roll，用R表示：把手 腕的俯仰叫做Pitch，用P表示，把手腕的偏转叫做 Yaw，用Y表示。下图手腕就可实现RPY运动。
腕部结构特点
• 手腕部件设置于手部和臂部之间，它的作用主 要是在臂部运动的基础上进一步改变或调整手 部在空间的方位，以扩大机械手的动作范围， 并使机械手变的更灵巧，适应性更强。一般机 械手手腕设有回转运动或再增加一个上下摆动 即可满足工作要求。目前，应用最为广泛的手 腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结 构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于 270。）,并且要求严格密封，否则就难保证稳 定的输出扭距。因此在要求较大回转角的情况 下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。
谢谢
设计要求
• 3、必须考虑工作条件 对于高温作业和腐 蚀性介质中工作的机械手，其腕部在设计 时应充分估计环境对腕部的不良影响比如 热膨胀、压力油的粘度和燃点，有关材料 及电控元件的耐热性等。
二、手腕的分类
1.按自由度数目来分类： 可分为单自由度手腕、二自由度手腕、 三自由度手腕。
腕部实际所需要的自由度 数目应根据机器人的工作
双回转油缸驱动手腕图例：
三、手腕设计举例 图中所示为具有两个自由度的手腕，是一种BR手腕。 手腕翻转由回转油缸3驱动，其中回转油缸壳体相对不 动，而动片与夹紧油缸5的外壳固联并一起回转。手腕 上下摆动即轴2的俯仰，是由安装在手臂尾部的回转油 缸4通过一对齿轮、链轮、链条及手腕上的链轮实现的。 此手腕具有传动简单，结构紧凑和轻巧等特点。
驱动机构
• 驱动机构是工业机械手的重要组成部分。 根据动力源的不同，工业机械手的驱动机 构大致可分为液压、气动、电动和机械驱 动等四类。采用液压机构驱动机械手，结 构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。 • 气压驱动 气压驱动的动力源来自空压机产生的压缩 空气，通过气压传动来控制执行机构的运 动。
• 电动机驱动 首先要考虑电源和电动机的调速控制装置等的 组成。 • a、电源 电源为驱动电动机提供电能，电动机 将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或 直接驱动车门机构。目前，应用最广泛的电源 是铅酸蓄电池，但随着电动汽车技术的发展， 铅酸蓄电池由于比能量较低，充电速度较慢， 寿命较短，逐渐被其他蓄电池所取代。正在发 展的电源主要有钠硫电池、镍铬电池、锂电池、 燃料电池、飞轮电池等。
设计要求
• 1、力求结构紧凑、重量轻 腕部处于臂部的 最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂 部承受。显然，腕部的结构、重量和动力 载荷，直接影响着臂部结构、重量和运作 性能。因此，在腕部设计时，必须力求结 构紧凑、重量轻
设计要求
• 2、综合考虑,合理布局 。腕部作为机械手 的执行机构，又承担连接和支承作用，除 保证力和运动的要求以及具有足够的强度、 刚度外，还应综合考虑合理布局。如应解 决好腕部与臂部和手部的连接，腕部各个 自由度的位置检测，管线布置，以及润滑、 维修、调整等问题
• b、驱动电动机 驱动电动机的作用是将电源的 电能转化为机械能，通过传动装直接驱动车轮 和工作装置。目前汽车上广泛采用直流串激电 动机，这种电机具有"软"的机械特性，串激电 动机负载的大小对电动机的转速影响较大,当 负载转矩较大时电动机的转速较低,当负载轻 时,转速又升高；还有一个优点就是启动时的 励磁电流大，所以与汽车的行驶特性非常相符。 但直流电动机由于存在换向火花，比功率较小、 效率较低，维护保养工作量大，随着电机技术 和电机控制技术的发展，势必逐渐被直流无刷 电动机（BCDM）、开关磁阻电机（SRM）和 交流异步电动机所取代
性能要求来确定。在有些
情况下，腕部具有两个自
由度：翻转和俯仰或翻转
和偏转。
2.按驱动方式分类 (1)直接驱动手腕。
手腕因为装在手臂末端,所以必须设计得十分紧 凑，可以把驱动源装在手腕上。下图所示是Moog公司 的一种液压直接驱动的BBR手腕，设计紧凑巧妙。Ml、 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。这种直接驱动手腕的关键是能否选 到尺寸小、重量轻而驱动力矩大、驱动特性好的驱动 电机或液压驱动马达。
工业机器人设计
摘要
• 本报告就工业机器人腕部，从分类、结构 特点、设计要求几方面做了一个系统的介 绍。并通过一个简单示例，对驱动系统和 腕部回转自由度的工作原理进行了深入探 讨。
腕部设计
一、概述
工业机器人的腕部是联接手部与臂部的部件， 起支承手部的作用。机器人一般具有六个自由度才 能使手部(末端操作器)达到目标位置和处于期望的 姿态，手腕上的自由度主要是实现所期望的姿态。
• （3）液压驱动 液压泵是将电动机输出的机械能转换为液 体压力能的能量转换装置，是液压系统的 动力源。液压驱动执行机构是液压缸，是 将液体的压力能转化为机械能，用于驱动 工作机构作直线往复运动或往复摆动的。 其结构简单、工作可靠，与杠杆、连杆、 齿轮齿条、棘轮棘爪、凸轮等机构配合能 实现多种机械运动
• 液压缸按其作用方式的不同，分为单作用 式和双作用式两大类。单作用液压缸只利 用液压力推动向一用 缸正反向的运动都依靠液压力推动来实现。 如果采用液压缸来驱动，则可以实现机械 手的多方位运动。
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。
(2)远距离传动手腕，图中所示是一种远距离传动的RBR手腕。Ⅲ 轴的转动使整个手腕翻转，即第一个R关节运动。Ⅱ轴的转动使手腕 获得俯仰运动，即第二个B关节运动。I轴的转动即第三个R关节运动。 当c轴一离开纸平面后，RBR手腕便在三个自由度轴上输出RPY运动。 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，不仅减轻手腕的整 体质量，而且改善了机器人整体结构的平衡性。
• c、电动机调速控制装置 电动机调速控制装 置的作用是控制电动机的电压或电流，完 成电动机的驱动转矩和旋转方向的控制。 应用较广泛的是晶闸管斩波调速，通过均 匀地改变电动机的端电压，控制电动机的 电流，来实现电动机的无级调速。在驱动 电动机的旋向变换控制中，直流电动机依 靠接触器改变电枢或磁场的电流方向，实 现电动机的旋向变换。