工业机器人腕部结构设计教材

一、概述工业机器人的腕部是联接手部与臂部的部件，起支承手部的作用。机器人一般具有六个自由度才能使手部(末端操作器)达到目标位置和处于期望的姿态，手腕上的自由度主要是实现所期望的姿态。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，如下图所示。,腕部设计,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，把手腕的偏转叫做Yaw，用Y表示。下图手腕就可实现RPY运动。,腕部结构特点,手腕部件设置于手部和臂部之间，它的作用主要是在臂部运动的基础上进一步改变或调整手部在空间的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。一般机械手手腕设有回转运动或再增加一个上下摆动即可满足工作要求。目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于270。）,并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭距。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。,设计要求,1、力求结构紧凑、重量轻腕部处于臂部的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承受。显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部结构、重量和运作性能。因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑、重量轻,设计要求,2、综合考虑,合理布局。腕部作为机械手的执行机构，又承担连接和支承作用，除保证力和运动的要求以及具有足够的强度、刚度外，还应综合考虑合理布局。如应解决好腕部与臂部和手部的连接，腕部各个自由度的位置检测，管线布置，以及润滑、维修、调整等问题,设计要求,3、必须考虑工作条件对于高温作业和腐蚀性介质中工作的机械手，其腕部在设计时应充分估计环境对腕部的不良影响比如热膨胀、压力油的粘度和燃点，有关材料及电控元件的耐热性等。,二、手腕的分类1.按自由度数目来分类：可分为单自由度手腕、二自由度手腕、三自由度手腕。,腕部实际所需要的自由度数目应根据机器人的工作性能要求来确定。在有些情况下，腕部具有两个自由度：翻转和俯仰或翻转和偏转。,2.按驱动方式分类(1)直接驱动手腕。手腕因为装在手臂末端,所以必须设计得十分紧凑，可以把驱动源装在手腕上。下图所示是Moog公司的一种液压直接驱动的BBR手腕，设计紧凑巧妙。Ml、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。这种直接驱动手腕的关键是能否选到尺寸小、重量轻而驱动力矩大、驱动特性好的驱动电机或液压驱动马达。,(2)远距离传动手腕，图中所示是一种远距离传动的RBR手腕。轴的转动使整个手腕翻转，即第一个R关节运动。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。,驱动机构,驱动机构是工业机械手的重要组成部分。根据动力源的不同，工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手，结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。气压驱动气压驱动的动力源来自空压机产生的压缩空气，通过气压传动来控制执行机构的运动。,电动机驱动首先要考虑电源和电动机的调速控制装置等的组成。a、电源电源为驱动电动机提供电能，电动机将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或直接驱动车门机构。目前，应用最广泛的电源是铅酸蓄电池，但随着电动汽车技术的发展，铅酸蓄电池由于比能量较低，充电速度较慢，寿命较短，逐渐被其他蓄电池所取代。正在发展的电源主要有钠硫电池、镍铬电池、锂电池、燃料电池、飞轮电池等。,b、驱动电动机驱动电动机的作用是将电源的电能转化为机械能，通过传动装直接驱动车轮和工作装置。目前汽车上广泛采用直流串激电动机，这种电机具有软的机械特性，串激电动机负载的大小对电动机的转速影响较大,当负载转矩较大时电动机的转速较低,当负载轻时,转速又升高；还有一个优点就是启动时的励磁电流大，所以与汽车的行驶特性非常相符。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,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。,（3）液压驱动液压泵是将电动机输出的机械能转换为液体压力能的能量转换装置，是液压系统的动力源。液压驱动执行机构是液压缸，是将液体的压力能转化为机械能，用于驱动工作机构作直线往复运动或往复摆动的。其结构简单、工作可靠，与杠杆、连杆、齿轮齿条、棘轮棘爪、凸轮等机构配合能实现多种机械运动,液压缸按其作用方式的不同，分为单作用式和双作用式两大类。单作用液压缸只利用液压力推动向一个方向运动，而反向运动则依靠重力、弹簧力等来实现；双作用缸正反向的运动都依靠液压力推动来实现。如果采用液压缸来驱动，则可以实现机械手的多方位运动。,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：,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