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1、机器人腕部结构,主讲 郝建豹,引言：,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：,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。,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结构，传感器和驱动装置的合理布局
2、及安装等。,三、手腕的分类,1按自由度的数目分（1）：,单自由度手腕：手腕在空间可具有三个自由度，也可以具备以下单一功能：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。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。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
3、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）：,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。,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：,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
4、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,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）：,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
5、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：,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。,单回转油缸驱动手腕图例：,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
6、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：,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。,轮系驱动二自由度手腕图例（1）：,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）：,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）：,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
7、什么？,轮系驱动二自由度手腕图例（3）：,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。,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：,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。,轮系驱动三自由度手腕图例（1）：,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,回转,偏转,轮系驱动三自由度手腕
8、图例（2）：,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,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：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,轮系驱动三自由度手腕图例（5）：,附加回转运动：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,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。,
