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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。
喷涂机器人手腕分类
在机器人手臂和手爪之间用于支撑和调整手爪的部件就叫机器人手腕。
机器人手腕主要用来确定被抓物体的姿态，一般采用三自由度多关节机构由旋转关节和摆动关节组成，三个关节可形成27种配置。
按照机器人手腕（4、5、6轴）结构形式的不同，喷涂机器人可分为正交球型手腕喷涂机器人、直线形非球型中空手腕喷涂机器人、斜交非球型中空手腕喷涂机器人。
一、正交球型手腕喷涂机器人
正交球型手腕结构喷涂机器人除了具备防爆功能外，其手腕结构与通用六轴关节型工业机器人相同，4、5、6轴为正交球型结构，即一个摆动轴、2个旋转轴，三个轴线相交于一点且两相邻关节的轴线垂直的喷涂机器人。
二、直线形非球型中空手腕喷涂机器人
直线形非球型中空手腕结构喷涂机器人4、5、6轴为三个回转轴，且三个回转轴可重合为一条直线。
三、斜交非球型中空手腕喷涂机器人
斜交非球型中空手腕结构喷涂机器人4、5、6轴为三个回转轴，且三个回转轴相交于两点的形式。
1前言1.1机器人的概念机器人是一个在三维空间中具有较多自由度，并能实现较多拟人动作和功能的机器，而工业机器人则是在工业生产上应用的机器人。
美国机器人工业协会提出的工业机器人定义为：“机器人是一种可重复编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机”。
英国和日本机器人协会也采用了类似的定义。
我国的国家标准GB/T12643-90将工业机器人定义为：“机器人是一种能自动定位控制、可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机。
能搬运材料、零件或操持工具，用以完成各种作业”。
而将操作机定义为：“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或进行其它操作的机械装置”。
机器人系统一般由操作机、驱动单元、控制装置和为使机器人进行作业而要求的外部设备组成。
1.1.1操作机操作机是机器人完成作业的实体，它具有和人手臂相似的动作功能。
通常由下列部分组成：a.末端执行器又称手部，是机器人直接执行工作的装置，并可设置夹持器、工具、传感器等，是工业机器人直接与工作对象接触以完成作业的机构。
b. 手腕是支承和调整末端执行器姿态的部件，主要用来确定和改变末端执行器的方位和扩大手臂的动作范围，一般有2～3个回转自由度以调整末端执行器的姿态。
有些专用机器人可以没有手腕而直接将末端执行器安装在手臂的端部。
c. 手臂它由机器人的动力关节和连接杆件等构成，是用于支承和调整手腕和末端执行器位置的部件。
手臂有时包括肘关节和肩关节，即手臂与手臂间。
手臂与机座间用关节连接，因而扩大了末端执行器姿态的变化范围和运动范围。
d. 机座有时称为立柱，是工业机器人机构中相对固定并承受相应的力的基础部件。
可分固定式和移动式两类。
1.1.2驱动单元它是由驱动器、检测单元等组成的部件，是用来为操作机各部件提供动力和运动的装置。
1.1.3控制装置它是由人对机器人的启动、停机及示教进行操作的一种装置，它指挥机器人按规定的要求动作。
1.1.4人工智能系统它由两部分组成，一部分是感觉系统，另一部分为决策－规划智能系统。
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。
[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。
