机器人腕部结构

1) 1液.压1 直工接业驱机动器三人自由的度基手本腕概念
2020/2/27
33
3.3 机器人腕部结构 3 三自由度手腕
2) 1齿.轮1 链工轮业传机动器三人自由的度基腕本部概念
俯仰 偏转
回转
2020/2/27
❖ 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。
轴主动
行星运动
齿轮固 定不动
2020/2/27
31
3.3 机器人腕部结构
2020/2/27
2 二自由度手腕
俯仰 1.1 工业机器人的基本概念❖思考?
▪ 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？
回转
齿轮传动回转和俯仰型腕部原理
32
3.3 机器人腕部结构
3 三自由度手腕
6
3.3 机器人腕部结构
2020/2/27
2 腕部的转动
滚转1：.能1 实工现业36机0°器无人障的碍基旋本转的概关念节运动，通常用R来标记。
弯转：转动角度一般小于360°。弯转通常用B来标记。
滚转可以实现腕部的旋转；弯转可以实现腕部的弯曲
7
3.3 机器人腕部结构
2020/2/27
3.3.2
1 单1.自1由工度业腕机部器人的基本概念
俯仰
偏转
回转
齿轮链轮传动三自由度手腕原理图
1—油缸；2—链轮；3、4—锥齿轮；5、6—花键轴T；7—传动轴S；8—腕架；9—行星架；10、11、22、24—圆
38 柱齿轮；12、13、14、15、16、17、18、20—锥齿轮；19—摆动轴；21、23—双联圆柱齿轮；25—传动轴B

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。

任务二机器人的手腕结 构课件
• 机器人手腕结构的应用与发展趋势 • 机器人手腕结构的优化与创新设计
CHAPTER 01
机器人手腕结构概述
手腕结构的重要性
提高机器人的灵活性
提升机器人的工作效率
手腕结构可以使机器人更准确地控制 末端执行器的姿态和位置，实现更加 精细和复杂的操作。
手腕结构可以扩大机器人的工作范围， 使其能够到达更远的空间位置，提高 工作效率。
详细描述
柔性手腕具有较好的柔性和顺应性，可以适应各种不同的工作需求。由于其结构简单，重量较轻，转动惯量较小， 响应速度快。但是，柔性手腕的刚度较低，承载能力有限，通常用于轻量级、对精度要求不高的机器人中。此外， 柔性手腕的设计需要考虑材料的力学性能和机构的稳定性。
多关节型手腕
总结词
多关节型手腕是一种复杂的手腕结构，由多个关节组 成，可以实现多自由度的运动。
详细描述
机械臂型手腕具有较高的刚度和承载能力，可以用于重负载、高精度的机器人中。由于 其结构复杂，机械臂型手腕的转动惯量较大，响应速度较慢。但是，通过优化设计，可 以减小转动惯量，提高响应速度。此外，机械臂型手腕还可以通过改变关节长度和连杆
结构来实现不同的运动轨迹和姿态。
柔性手腕
总结词
柔性手腕是一种特殊的手腕结构，通过柔性材料或机构实现弯曲和扭转。
机器人手腕结构的应用与发展趋势
工业机器人
工业机器人是手腕结构应用的主要领域之一，它们在生产线上的装配、焊接、搬运 等任务中发挥着重要作用。
工业机器人的手腕结构通常采用关节式或滑槽式设计，具有较高的自由度和灵活性， 能够完成各种复杂的动作。
随着工业自动化的发展，工业机器人将在智能制造、柔性制造等领域发挥更大的作用。

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。
直线运动转化为旋转运动
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： 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
直接驱动手腕： 直接驱动手腕： 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： 远距离传动手腕： 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。
轮系驱动二自由度手腕图例（4）
思考题： 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： 结构特点： 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
俯仰
轮系驱动三自由度手腕图例（1）：

手 腕 分 类
单自由度手腕
按自由度数目
二自由度手腕 三自由度手腕
按驱动方式
直接驱动手腕
远距离传动手腕
工业机器人的手腕
二、手腕的典型结构 确定手部作业方向一般需要3个自由度 （1）臂转 绕小臂轴线方向的旋转。
（2）手转 使手部绕自身的轴线方向旋转。
（3）腕摆 使手部相对于臂进行摆动。
柔顺性概念
柔顺装配技术有两种：一种是从检测、控制的角度，采取各种不同的 搜索方法，实现边校正边装配。另一种是从机械结构的角度在手腕部配置 一个柔顺环节，以满足柔顺装配的要求。
ห้องสมุดไป่ตู้
工业机器人的手腕
工业机器人的手腕
工业机器人的机械结构
手部（末端操作器） 工业机器人的 机械结构 手腕 手臂 机身 确定手部作业方向
工业机器人的手腕
课程目标
掌握机器人的手腕结构组成 掌握机器人的手腕工作原理 掌握机器人手腕的作用
工业机器人的手腕
机器人的手腕是连接手部与手臂的部件，它的主要作用是支承手 部，因此它具有独立的自由度，以满足机器人手部完成复杂动作的要 求。 一、手腕的分类

No.39
类人机器人的手部
具有多关节的三指手
No.40
类人机器人的手部
1
4
2
3
5
6
11 10
7
9
8
1,9-适应弹簧 2,3,8-连杆 4－食指 5－中指 6－无名指 7－小指 10－蜗轮 11－驱动杆
贝尔格莱德手
No.41
BH-4型灵巧手有四个 手指，每个手指有4个关节， 4个手指共16个自由度，其 关节由齿轮传动，包括直流 伺服电机、行星减速器和光 码盘在内的电机单元驱动。 光码盘用于测量电机轴相对 转角，关节轴绝对转角由电 位计测量。
在张启先院士的主持下， 北京航空航天大学机器人 研究所于80年代末开始 灵巧手的研究与开发。
灵巧手有三个手指，每 个手指有3个关节，3个 手指共9个自由度，微电 机放在灵巧手的内部，各 关节装有关节角度传感器， 指端配有三维力传感器， 采用两级分布式计算机实 时控制系统。
北航研制的BH-3灵巧手 北航研制的BH-4灵巧手 No.42
No.16
二、传动机构——其它结构型式
重力式手爪
No.17
二、传动机构——其它结构型式
拨杆杠杆式钳爪
No.18
二、传动机构——其它结构型式
内撑式三指钳爪
No.19
2.2.1 钳爪式手部的设计
三、钳爪式手部的设计要点
应具有足够的夹紧力 应具有足够的张开角 应能保证工件的可靠定位 应具有足够的强度和刚度 应适应被抓取对象的要求 应尽量做到结构紧凑、重量轻、效率高 应具有一定的通用性和可互换性
2.2 手部设计
SIWR-Ⅰ型和Ⅱ型水下作业机械手模拟试验装置
No.1
2.2 手部设计
新松的装配机器人

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。

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。

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。

• 微软雅黑，大小（18为推荐，若内容多，可改为16）；此区域图文混排， 动画元件最后固定位置勿超出此区域。；编排形式可自选，勿超出此区域
俯仰
俯仰
偏转
翻转
BR手腕
BB手腕
翻转
RR手腕
2024/2/29
10
微 3. 软三雅自黑由，度2手0，腕标题
•➢微由软B关雅黑节，和大R关小（节1组8为合推而荐成，，若组内合容的多方，式可改有为多1种6）多；样此。区域图文混排，
2024/2/29
5
微 二软、雅手黑腕，的20自，标由题度
• 微软雅黑，大小（18为推荐，若内容多，可改为16）；此区域图文混排， 动画元件最后固定位置勿超出此区域。；编排形Z 式可自选，勿超出此区域
w
腕 爪
手
Ɵ1
腕
➢ 按自由度数目来分，手腕可分为单自由度、二自由度和三自由度。
2024/2/29
6
2024/2/29
12
三微、软雅柔黑顺，手20腕，结标题构
• 微中软空雅固定黑件，大小（18为推荐，若内容多，可改为16）；此区域图文混排， 动画元件最后固定位置勿超出此区域。；编排形式可自选，勿超出此区域
螺丝
钢珠 弹簧
上部浮动件
工件
下部浮动件
弹簧
机械手
2024/2/29
13
三微、软雅柔黑顺，手20腕，结标题构
• 微软雅黑，大小（18为推荐，若内容多，可改为16）；此区域图文混排， 动人画手元爪的件定最位后精固度定无位法置满勿足装超配出要此求区时域，。会；导致编装排配形困式难可。自选，勿超出此区域
➢ 类型： ➢ 1. 主动柔顺装配 边校正边装配，配有检测元件如视觉传感器、力传感器等 ➢ 2. 被动柔顺装配 在手腕部配置一个柔顺环节

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。
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：
偏转 运动
动作分解：
回转运动
俯仰运动
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。
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

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
Байду номын сангаас
• 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。
• 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。
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。
(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。

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。

（b）所示为弯转，其特点是两个零件的转动轴线相互垂直，这种运动会受
到结构的限制，相对转动角度一般小于360°，弯转通常用B来标记。
第二章：机器人机械结构
2.3.1 腕部结构的基本形式和特点
根据使用要求，手腕的自由度不一定是3个，可以是1个、2个或3个 以上。手腕自由度的选用与机器人的通用性、加工工艺要求、工件放置 方位和定位精度等因素有关。3自由度手腕能使手部取得空间任意姿态。
柔顺装配技术有两种：
（1）主动柔顺装配：一种是从检测、控制的角度，采取各种不同的搜索方法，实现边校正 边装配。如在手爪上装有视觉传感器、力传感器等检测元件。主动柔顺腕部需要装配一定功能的传 感器，价格较贵；另外，由于反馈控制响应能力的限制，装配速度较慢。
（2）被动柔顺装配：一种是从机械结构的角度在手腕部配置一个柔顺环节，以满足柔顺装 配的要求。被动柔顺腕部结构比较简单，价格比较便宜，装配速度较快。相比主动柔顺装配技术， 他要求配件要有倾角，允许的校正补偿量受到倾角的限制，轴孔间隙不能太小。采用被动柔顺装配 技术的机器人腕部称为机器人的柔顺腕部。
2.3.2 机器人的柔顺腕部
腕部结构的设计要满足传动灵活、结构紧凑轻巧、避免干涉。首先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。
在用机器人进行精密装配作业中，当被装配零件的不一致、工件的定位夹具、机器人的定位 精度不能满足装配要求时，会导致装配困难。这就提出了柔顺性要求。
2.3.1 腕部结构的基本形式和特点
2）下图所示为2自由度手腕
其设计思想是通过B轴转动实现 “腕摆”运动，通过S轴转动实现夹持 器的“手转”运动，当B轴不动S轴转 动的时候，通过锥齿轮1-2-4的传动使 得手部8和夹持器9产生手转运动，当S 轴不动而B轴回转时，B轴带动手腕绕 A轴上下摆动，由于S轴不动，故锥齿 轮3绕A轴无转动，但锥齿轮4随着构架 7绕A轴转动的同时还绕C轴转动，从而 带动手腕产生“手转”运动，这个运动 称为手腕的附加回转运动。这种因“腕 摆”运动而引起的“手转”运动被称为 诱导运动。

工业机器人技术机器人手部结构随着工业自动化的发展，越来越多的企业开始采用工业机器人来完成各种工作任务。

而机器人手部结构是机器人的关键组成部分之一，它直接影响着机器人的灵活性、精确性和稳定性。

因此，研究和设计高性能机器人手部结构是非常重要的。

机器人手部结构主要包括机器人手臂、手指和手腕三个部分。

下面我将逐一介绍这三个部分的结构和功能。

首先是机器人手臂。

机器人手臂是机器人手部结构的基础，它连接着机器人的身体和手指，起到支撑和移动手指的作用。

机器人手臂通常由多个关节和连接件组成，可以在一定范围内进行自由运动。

根据机器人的需求和任务，手臂的长度和关节数可以有所不同。

同时，机器人手臂的材料也需要具备一定的刚性和韧性，以承受较大的载荷。

其次是机器人手指。

机器人手指是机器人手部结构的“手”，负责抓取、夹持和放置物体。

机器人手指一般由指节、指骨和指关节组成，通过关节的运动实现手指的伸缩、曲率和旋转。

为了保证机器人手指的精确性和稳定性，手指的设计需要考虑力触觉和位置控制等方面。

此外，机器人手指的表面覆盖材料也需要具备一定的抓握性能，以适应不同形状和材质的物体。

最后是机器人手腕。

机器人手腕起到连接机器人手臂和手指的作用，它能够使手指在多个平面上进行旋转和倾斜。

机器人手腕通常由多个旋转关节和连接件组成，通过关节的运动使机器人手指更加灵活。

为了增加机器人手腕的力矩和刚度，通常会采用外部传动装置来提高机器人手腕的精确性和控制能力。

在工业机器人的应用中，机器人手部结构的设计和研究涉及到多学科的知识，包括机械工程、电子工程和控制工程等。

目前，一些先进的机器人手部结构开始采用柔性和可变形材料，以适应更加复杂和多样化的工作环境。

同时，机器人手部结构的智能化和感知能力也成为了研究的热点。

总之，机器人手部结构是工业机器人的核心组成部分，它直接决定了机器人的灵活性、精确性和稳定性。

随着技术的不断进步，机器人手部结构将会变得更加复杂和智能化，为工业自动化带来更多的便利和效益。