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关节型机器人腕部结构结构设计1绪论1.1 选题背景及其意义本题设计的是关节型机器人腕部结构，主要是整体方案设计和手腕的结构设计及控制系统设计，此课题来源于实际生产，对于目前手工电弧焊接效率低，操作环境差，而且对操作员技术熟练成都要求高，因此采用机器人技术，实现焊接生产操作的柔性自动化，提高产品质量与劳动生产力，实现生产过程自动化，改善劳动条件。
题目要求是：动作范围：手腕回转ο150,摆动ο90,旋转ο360。
各轴最大速度要求：s /30ο。
额定载荷kg 5，最大速度s m /3。
2、腕部最大负荷：5kg 。
机器人是近30年发展起来的一种典型的、机电一体化的、独立的自动化生产工具。
在制造工业中，应用工业机器人技术是提高生产过程自动化，改善劳动条件，提高产品质量和生产效率的有效手段之一，也是新技术革命的一个重要内容。
自古以来,人们所设想的机器人一般是一种在外形和功能上均能模拟人类智能的机器。
特别是在20世纪20年代前后,捷克和美国的一些科幻作家创作了一批关于未来机器人与人类共处中可能发生的故事之类的文学作品,更使机器人在人们的思想中成为一种无所不能的“超人”。
在现实生活中,一些民间工匠根据这些文学描绘,也制造出一些仿人或仿生的机器人。
然而在当时的科技条件下,要使机器人具有某种特殊的“智能”而成为“超人”,显然是不可能的。
美国的戴沃尔设想了一种可控制的机械手,他首先突破了对机器人的传统观点,提出机器人并不一定必须像人,但是必须能做一些人的工作。
1954年,他依据这一想法设计制作了世界上第一台机器人实验装置,发表了《适用于重复作业的通用性工业机器人》一文,并获得了美国专利。
戴沃尔将遥控操纵器的关节型连杆机构与数控机床的伺服轴联结在一起,预定的机械手动作一经编程输入后,机械等就可以离开人的辅助而独立运行。
这种机器人也可以接受示教而完成各种简单任务。
示教过程中操作者用手带动机械手依次通过工作任务的各个位置，这些位置序列记录在数字存储器中，任务的执行过程中，机器人的各个关节在伺服驱动下再现出那些位置序列。
第三章机器人的机械结构系统3.3机器人腕部结构【内容提要】本课主要学习工业机器人腕部结构。
介绍机器人腕部的三种运动、两种转动；机器人腕部的自由度；腕部的驱动方式；机器人的柔顺腕部以及机器人腕部典型结构。
知识要点：✓机器人腕部分类✓手腕的自由度✓手腕的驱动方式✓柔顺腕部✓腕部典型结构重点：✓掌握机器人腕部的分类✓掌握机器人手腕的自由度✓掌握机器人手腕的驱动方式✓掌握机器人腕部典型结构难点：✓掌握机器人腕部的分类✓机器人腕部典型结构关键字：✓手腕、柔顺腕部、腕部自由度【本课内容相关资料】3.3机器人腕部结构腕部是连接机器人的小臂与末端执行器（臂部和手部）之间的结构部件，其作用是利用自身的活动度来确定手部的空间姿态，从而确定手部的作业方向。
对于一般的机器人，与手部相连接的腕部都具有独驱自转的功能，若腕部能在空间取任意方位，那么与之相连的手部就可在空间取任意姿态，即达到完全灵活。
多数将腕部结构的驱动部分安排在小臂上。
腕部是臂部与手部的连接部件，起支承手部和改变手部姿态的作用。
目前，RRR型三自由度腕部应用较普遍。
3.3.1机器人腕部的转动方式1.腕部的运动机器人一般具有6个自由度才能使手部（末端执行器）达到目标位置和处于期望的姿态。
为了使手部能处于空间任意方向，要求腕部能实现对空间3个坐标轴x，y，z的旋转运动，如图3-15所示。
这便是腕部的3个运动：腕部旋转、腕部弯曲、腕部侧摆，或称为3个自由度。
(1)腕部旋转腕部旋转是指腕部绕小臂轴线的转动，又叫做臂转。
有些机器人限制其腕部转动角度小于360°。
另一些机器人则仅仅受到控制电缆缠绕圈数的限制，腕部可以转几圈。
如图3-15a 所示。
a)臂转b)手转c)腕摆d)腕部坐标系图3-15腕部的三个运动和坐标系(2)腕部弯曲腕部弯曲是指腕部的上下摆动，这种运动也称为俯仰，又叫做手转。
如图3-15b所示。
(3)腕部侧摆腕部侧摆指机器人腕部的水平摆动，又叫做腕摆。
k定义:腕跚是臂跚和手部的连接件，起支承手跚相改变手部姿态的作用。
2、手U的自由度：■为了便手貉能处于空ranfn向，要求腕册能实现对空间三个坐林轴X、Y、Z的废转运动。
迪便是腕笳运动的三个自由度，分别称为制转R(Roll)、ffin P ( Pitch ) 和19 转Y(Yaw)o■并不是所有的手腕邵必须具笛三f自由度，而是根据实际便用的工作性能要求来确定。
手腕的PDWI 手腕的回转3、手H的披廿要*■结构紧凑、虫量轻；■朋作灵活、平稳，定EH青度高；■强8L啊度高；■与臂册及手部的连接81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。
4、手H的分类(门二自由度手H：可以由一个R关节相一fB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关节构戒二自由度手腕，因为两个R关节的功能是車复的，实际上只起到单自由度的作用。
翻转（c）RR手腕（属于单自由厦）（2 ）三自由度手Rh有R £节和B关节的组合构成的三自由度手腕可以有多种型氏，实观甜转、備仰和備转血能。
BBR手腕BRR手腕5. 按手ji的烟动方式分：■直接駆动手Ji：■驰动澹宜接芸在手腕上。
逹种直接驱动手腕的关址是能否设岀尺寸小、車量轻而驱动扭拒夫、驰动性能好的驱动电机或液压马达。
■传动手阖：■有时为了保证貝有足昭大的驰朋力，驱动装置Q不能做得足够小，冋时也为了廠轻手腕的車量，采用远卽离的驱动方式，可以实现三个自由度的运动。
220-偏钱浪压肓接駆动BBR手腕图例远即离传动手腕图例6、典里结构（D g动浪压H 压缸）：■结枳■由缸体、用板、叶片、花邃套等壬要跚件构戒。
貝中叶片7固定在转子上，用花键将转子与驱朋轴连接，用螺栓2將隔极与H体连接。
■工作原理：■在密封的iltt,用板与活动时片之同围应两个油腔，当油亂中的无杆腔和有杆腔。
液压力作用在Siinf片的端面上，对传动轴中心严生力矩使被驱动(2) 单自由SBftg 动手H ：■ 结构箝点：■机器人手部的合是由汽紙驱动的,而手腕的回转运动则由回转液圧幻实现。
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。
1、定义:腕部是臂部和手部的连接件，起支承手部和改变手部姿态的作用。
2、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。
腕部坐标系手腕的偏转
手腕的仰俯手腕的回转
3、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。
4、手腕的分类
（1）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。
BR手腕BB手腕
RR手腕（属于单自由度）
（2）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。
BBR手腕BRR手腕
5.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
远距离传动手腕图例
6、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。
（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。
（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。
（4）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。
⏹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
⏹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。
（5）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。
⏹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
⏹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。
