1、机器人腕部结构 主讲 郝建豹 引言： n 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。 一、手腕的自由度 1手腕的自由度： n 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） 。 n 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 n 结构紧凑、重量轻； n 动作灵活、平稳，定位精度高； n
2、强度、刚度高； n 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。 三、手腕的分类 1按自由度的数目分（ 1）： n 单自由度 手腕 ： n 手腕在空间可具有三个自由度，也可以具备以下 单一功能： n 单一的翻转功能： 手腕的关节轴线与手臂的纵轴线共 线，常回转角度不受结构限制，可以回转 360以上。 该运动用翻转关节（ R关节）实现。 n 单一的俯仰功能： 手腕关节轴线与手臂及手的轴线相 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。 n 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
3、，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）： n 二自由度 手腕 ： n 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。 二自由度手腕图例： BR手腕 BB手腕 RR手腕 (属于单自由度 ) 1按自由度的数目分（ 3）： n 三自由度 手腕 ： n 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
4、。 三自由度手腕图例： BBR手腕 BRR手腕 R 2按手腕的驱动方式分： n 直接驱动 手腕 ： n 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 。 n 远距离传动 手腕 ： n 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： R B B偏转 俯仰回转 远距离传动手腕图例： 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？ 回转运动 俯仰运动
5、 偏转运动 动作分解： 偏转 运动 俯仰运动 回转运动 四、典型结构 1摆动液压缸（又称回转液压缸）： n 结构 ： n 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。 n 工作原理： n 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 。 摆动液压缸结构图： 2单自由度回转运动手腕 ： n 结构 特点 ： n 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。 n
6、工作原理： n 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。 单回转油缸驱动手腕图例： 3双回转油缸驱动手腕 ： n 结构 特点 ： n 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 。 n 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： n 结构 特点 ： n 由轮系驱动可实现手腕 回转 和 俯仰 运动
7、， 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。 轮系驱动二自由度手腕图例（ 1）： n 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 回转 轮系驱动二自由度手腕图例（ 2）： n 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 轮系驱动二自由度手腕图例（ 4）： n 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？ 轮系驱动二自由度手腕图例（ 3）： n 附加回转运
8、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。 n 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。 附加运动动作分解： 轴主动 齿轮固 定不动 行星运动 4轮系驱动的三自由度手腕： n 结构 特点 ： n 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。 轮系驱动三自由度手腕图例（ 1）： n 回转运动： n 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
9、 手腕实现旋转 运动 俯仰 回转 偏转 轮系驱动三自由度手腕图例（ 2）： n 俯仰运动： n 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 直线运动转化为旋转运动： 轮系驱动三自由度手腕图例（ 3）： n 偏转运动： n 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） ： n 附加俯仰运动： n 轴 B、 轴
10、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 轮系驱动三自由度手腕图例（ 5） ： n 附加回转运动： n 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 Z11绕齿轮 Z23的过程中自转 经过 Z12 、 Z13、 Z14、 Z15实现附加回转运动 n 思考题： 1、 当 B轴、 T轴分别回转时，手腕存在哪些运动，为什么？ 2、 齿轮 24、 22所在的轴能否做成一体，为什么？ 3、 齿轮 17作的什么运动？俯仰运动轮系属于什么轮系，试分析其运动 。
