手腕详解：机器人手腕结构图

提示:

机器人手腕是连接末端执行器和手臂的部件。它的功能是调整或改变工件的方向，因此它具有独立的自由度，使机器人末端执行器适应复杂的运动要求。

工业机器人一般需要6个自由度才能使手到达目标位置并处于期望的姿态。为了将手定位在空之间的任意方向，要求手腕可以在空之间转动三个坐标轴X、Y、Z，即有三个自由度，即转动、俯仰、偏转，如图2.31所示。通常手腕的翻转也叫Roll，用r表示；手腕的音高叫音高，用p表示；手腕偏转称为偏航，用y表示。

图2.31手腕的自由度

(a)围绕z轴旋转；(b)绕y轴旋转；(c)绕x轴旋转；围绕X、Y和Z轴旋转

手腕分类

1.根据自由度的数量

根据自由度的多少，手腕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)是一个Roll关节，它将手臂的纵轴和手腕的关节轴形成一个同轴的形式。r关节旋转角度大，可达360度以上。

图(B)和(c)显示了一个弯曲接头(简称为B接头)，接头的轴线垂直于前后连接器的轴线。由于结构干扰，这个B关节的旋转角度很小，大大限制了方向角。图(d)显示了活动关节。

图2.32单自由度手腕

(一)R腕；(二)B腕；(c) Y腕；丁字手腕

(2)2自由度手腕，如图2.33所示。

两自由度腕关节可以由一个r关节和一个b关节组成(见图2.33(a))，也可以由两个b关节组成BB腕关节(见图2.33(b))。但RR腕不能由两个R关节组成。因为两个R关节同轴，所以退化了一个自由度，实际上只构成一个单自由度手腕，如图2.33(c)所示。

图2.33两自由度手腕

(一)BR腕；(二)BB腕；右手腕

(3)3自由度手腕，如图2.34所示。

3自由度的手腕可以由B关节和R关节以多种形式组成。

图2.34(a)是常见的BBR手腕，使手有俯仰、偏航、翻转动作，即RPY动作。

图2.34(b)显示了由一个B关节和两个R关节组成的BRR腕关节。为了不降低自由度，造成手的RPY运动，第一个R关节必须如图所示偏移。

图2.34(c)是三个R关节组成的RRR手腕，也可以实现手的RPY运动。

图2.34(d)为BBB手腕。显然已经退化成了两自由度手腕，只有PY在动。其实这个手腕是不用的。此外，B关节和R关节的不同排列顺序也会产生不同的效果，同时也会产生其他形式的三自由度手腕。为了使手腕结构紧凑，通常在一个十字关节上安装两个B关节，这对于BBR手腕来说大大减小了手腕的纵向尺寸。

图2.34三自由度手腕

(一)BBR手腕；(b) BRR手腕；(c) RRR手腕；(d) BBB手腕

2.根据驾驶模式划分

手腕可分为直驱手腕和长驱手腕。

图2.35为Moog公司生产的液压直驱BBR手腕，结构紧凑，设计巧妙。M1、M2、M3是液压马达，直接驱动手腕的偏转、俯仰和转向轴。

图2.36显示了具有长距离传输的RBR手腕。轴ⅲ的转动使整个手腕翻转，即第一个R关节移动。轴ⅱ的转动使手腕得到俯仰运动，即第二个B关节运动。轴I的旋转是第三个r关节的运动。C轴一离开纸面，RBR手腕就在三个自由度的轴上输出RPY运动。

这种长距离传动的优点是可以将体积大、重量大的驱动源放置在远离手腕的地方，有时放置在手臂的后端来平衡重量，既减轻了手腕的整体重量，又提高了机器人整体结构的平衡性。

图2.35液压直接驱动BBR手腕

图2.36远程驱动RBR手腕

手腕的典型结构

在设计手腕时，不仅要满足启动和传递过程中所需的输出扭矩，还要要求手腕结构简单、紧凑、轻便，避免干涉，驱动灵活；大多数情况下，需要将手腕结构的驱动部分安排在前臂上，使形状整齐；尽量将几个电机的运动传递到同轴旋转的芯轴和多层套筒上，再将运动传递到手腕后实现各个动作。以下是一些常见的机器人手腕结构。

图2.37是双手悬挂机器人手腕摆动和左右摆动的结构图。A-A段显示圆柱壳旋转，而中心轴不动，实现手腕左右摆动；B-B截面显示，圆柱壳不动，中心轴转动实现手腕转动。油路的分布如图2.37所示。

图2.37手腕摆动和左右摆动结构图

图2.38为PT-600弧焊机器人手腕结构及传动示意图。从图中可以看出，这是一种手腕摆动和手部旋转两个自由度的手腕结构。其传动路线如下:腕摆电机通过同步齿形带传动驱动腕摆谐波减速器7，减速器的输出轴驱动腕摆架1实现腕摆运动；手动旋转电机通过同步齿形带传动带手动旋转谐波减速器10，减速器的输出通过一对锥齿轮9实现手动旋转。需要注意的是，当手腕摆动架摆动，手部电机不转动时，连接到末端执行器的锥齿轮在另一个锥齿轮上滚动，会产生额外的手部运动，控制需要修正。

图2.38 pt-600弧焊机器人手腕结构图

图2.39为kuka IR-662/100机器人手腕传动示意图。这是一个三自由度的手腕结构，关节构型形式有手臂旋转、手腕摆动和手部旋转。传动链分为两部分:一部分在机械臂外壳内，三个电机的输出通过皮带传动传递给同轴传动芯轴、中间套筒和外套管；传动链的另一部分布置在手腕处，图2.40为手腕的装配图。

图2.39 kuka IR-662/100机器人手腕传动图

图2.40库卡IR-662/100机器人手腕装配图

传播途径是:

(1)手臂旋转运动。手臂外套通过端法兰与手腕外壳7连接，外套直接带动整个手腕旋转，完成手臂旋转运动。

(2)手腕摆动动作。臂的中间套筒通过花键与空主轴4连接，而空主轴的另一端通过一对锥齿轮12、13驱动腕摆谐波减速器的波发生器16。波浪发生器套装有轴承和柔性轮14。谐波减速器的固定轮10与手腕壳体连接，活动轮11通过盖18与手腕摆壳体19固定连接。当中间套筒驱动/

(3)手部旋转。臂心轴通过花键与手腕中心轴2连接。中心轴的另一端通过一对锥齿轮45和46驱动花键轴41。花键轴的一端通过同步齿形带传动装置44和36驱动花键轴35，然后通过一对锥齿轮传动装置33和17驱动手动谐波减速器的波形发生器25。波浪发生器套有轴承和柔轮29。谐波减速器的固定轮31通过底座34与手腕摆动壳体连接。活动轮24通过安装支架23与手连接的法兰30固定，当臂心轴带动手腕中心轴转动时，法兰手动转动。

柔顺手腕结构

在用机器人进行精密装配作业时，当被装配零件之间的配合精度相当高时，由于被装配零件的不一致性，工件定位夹具和机器人手爪的定位精度达不到装配要求，会导致装配困难。因此，有两种灵活的装配技术:

一种是从检测和控制的角度出发，采用各种搜索方法实现边校正边装配；有些爪子还配有检测元件，如视觉传感器(如图2.41所示)、力传感器等。这称为主动柔顺装配。另一种是从结构的角度在手腕上配置柔顺连杆，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。