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，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、 俯仰和偏转功能三自由度手腕图例：BBR手腕BRR手腕R2．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：RBB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）： 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nV-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， 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→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 。