(單向軸承用途大傳)

　　?提示：

　　機器人手腕是連接末端操作器和手臂的部件,它的作用是調節或改變工件的方位, 因而它具有獨立的自由度,以使機器人末端操作器適應復雜的動作要求。

　　工業機器人一般需要6個自由度才能使手部達到目標位置并處于期望的姿態。為了使手部能處于空間任意方向, 要求腕部能實現對空間三個坐標軸x、y、z的轉動, 即具有翻轉、俯仰和偏轉三個自由度,如圖2.31所示。通常也把手腕的翻轉叫做Roll, 用R表示; 把手腕的俯仰叫做Pitch, 用P表示; 把手腕的偏轉叫Yaw, 用Y表示。

　　圖 2.31 手腕的自由度

　　(a) 繞z軸轉動; (b) 繞y軸轉動; (c) 繞x軸轉動; (d) 繞x、 y、 z軸轉動

　　手腕的分類

　　1. 按自由度數目來分

　　手腕按自由度數目來分, 可分為單自由度手腕、 2自由度手腕和3自由度手腕。

　　(1) 單自由度手腕，如圖2.32所示。

　　圖(a)是一種翻轉(Roll)關節, 它把手臂縱軸線和手腕關節軸線構成共軸形式。這種R關節旋轉角度大, 可達到360°以上。

　　圖(b)、 (c)是一種折曲(Bend)關節(簡稱B關節), 關節軸線與前后兩個連接件的軸線相垂直。這種B關節因為受到結構上的干涉, 旋轉角度小, 大大限制了方向角。圖(d)所示為移動關節。

　　圖 2.32 單自由度手腕

　　(a) R手腕； (b) B手腕; (c) Y手腕； (d) T手腕

　　(2) 2自由度手腕，如圖2.33所示。

　　2自由度手腕可以由一個R關節和一個B關節組成BR手腕(見圖2.33(a))，也可以由兩個B關節組成BB手腕(見圖2.33(b))。但是, 不能由兩個R關節組成RR手腕, 因為兩個R共軸線, 所以退化了一個自由度, 實際只構成了單自由度手腕，見圖2.33(c)。

　　圖 2.33 二自由度手腕

　　(a) BR手腕； (b) BB手腕; (c) RR手腕

　　(3) 3自由度手腕，如圖2.34所示。

　　3自由度手腕可以由B關節和R關節組成許多種形式。

　　圖2.34(a)所示是通常見到的BBR手腕, 使手部具有俯仰、偏轉和翻轉運動, 即RPY運動。

　　圖2.34(b)所示是一個B關節和兩個R關節組成的BRR手腕, 為了不使自由度退化, 使手部產生RPY運動,第一個R關節必須進行如圖所示的偏置。

　　圖2.34(c)所示是三個R關節組成的RRR手腕,它也可以實現手部RPY運動。

　　圖2.34(d)所示是BBB手腕, 很明顯, 它已退化為二自由度手腕,只有PY運動,實際上不采用這種手腕。此外, B關節和R關節排列的次序不同,也會產生不同的效果,同時產生了其它形式的三自由度手腕。為了使手腕結構緊湊, 通常把兩個B關節安裝在一個十字接頭上, 這對于BBR手腕來說，大大減小了手腕縱向尺寸。

　　圖 2.34 三自由度手腕

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

　　2. 按驅動方式來分

　　手腕按驅動方式來分,可分為直接驅動手腕和遠距離傳動手腕。

　　圖2.35所示為Moog公司的一種液壓直接驅動BBR手腕, 設計緊湊巧妙。 M1、M2、M3是液壓馬達, 直接驅動手腕的偏轉、俯仰和翻轉三個自由度軸。

　　圖2.36所示為一種遠距離傳動的RBR手腕。Ⅲ軸的轉動使整個手腕翻轉, 即第一個R關節運動。Ⅱ軸的轉動使手腕獲得俯仰運動, 即第二個B關節運動。Ⅰ軸的轉動即第三個R關節運動。當c軸一離開紙平面后, RBR手腕便在三個自由度軸上輸出RPY運動。

　　這種遠距離傳動的好處是可以把尺寸、重量都較大的驅動源放在遠離手腕處, 有時放在手臂的后端作平衡重量用,這不僅減輕了手腕的整體重量, 而且改善了機器人的整體結構的平衡性。

　　圖 2.35 液壓直接驅動BBR手腕

　　圖 2.36 遠距離傳動RBR手腕

　　手腕的典型結構

　　設計手腕時除應滿足啟動和傳送過程中所需的輸出力矩外, 還要求手腕結構簡單,緊湊輕巧,避免干涉,傳動靈活; 多數情況下，要求將腕部結構的驅動部分安排在小臂上, 使外形整齊; 設法使幾個電動機的運動傳遞到同軸旋轉的心軸和多層套筒上去, 運動傳入腕部后再分別實現各個動作。下面介紹幾個常見的機器人手腕結構。

　　圖2.37所示為雙手懸掛式機器人實現手腕回轉和左右擺動的結構圖。 A-A剖面所表示的是油缸外殼轉動而中心軸不動, 以實現手腕的左右擺動；B-B剖面所表示的是油缸外殼不動而中心軸回轉, 以實現手腕的回轉運動。其油路的分布如圖2.37所示。

　　圖 2.37 手腕回轉和左右擺動的結構圖

　　圖2.38所示為PT－600型弧焊機器人手腕部結構圖和傳動原理圖。由圖可以看出, 這是一個具有腕擺與手轉兩個自由度的手腕結構, 其傳動路線為: 腕擺電動機通過同步齒形帶傳動帶動腕擺諧波減速器7, 減速器的輸出軸帶動腕擺框1實現腕擺運動; 手轉電動機通過同步齒形帶傳動帶動手轉諧波減速器10, 減速器的輸出通過一對錐齒輪9實現手轉運動。需要注意的是, 當腕擺框擺動而手轉電動機不轉時, 聯接末端執行器的錐齒輪在另一錐齒輪上滾動, 將產生附加的手轉運動, 在控制上要進行修正。

　　圖 2.38 PT-600型弧焊機器人手腕結構圖

　　圖2.39所示為KUKA IR-662／100型機器人的手腕傳動原理圖。這是一個具有3個自由度的手腕結構, 關節配置形式為臂轉、 腕擺、 手轉結構。其傳動鏈分成兩部分: 一部分在機器人小臂殼內, 3個電動機的輸出通過帶傳動分別傳遞到同軸傳動的心軸、中間套、 外套筒上; 另一部分傳動鏈安排在手腕部, 圖2.40所示為手腕部分的裝配圖。

　　圖 2.39 KUKA IR-662/100型機器人手腕傳動圖

　　圖 2.40 KUKA IR-662/100型機器人手腕裝配圖

　　其傳動路線為:

　　(1) 臂轉運動。臂部外套筒與手腕殼體7通過端面法蘭聯接,外套筒直接帶動整個手腕旋轉完成臂轉運動。

　　(2) 腕擺運動。臂部中間套通過花鍵與空心軸4聯接, 空心軸另一端通過一對錐齒輪12、13帶動腕擺諧波減速器的波發生器16, 波發生器上套有軸承和柔輪14,諧波減速器的定輪10與手腕殼體相聯, 動輪11通過蓋18和腕擺殼體19相固接, 當中間套帶動空心軸旋轉時, 腕擺殼體作腕擺運動。

　　(3) 手轉運動。臂部心軸通過花鍵與腕部中心軸2聯接, 中心軸的另一端通過一對錐齒輪45、46帶動花鍵軸41, 花鍵軸的一端通過同步齒形帶傳動44、36帶動花鍵軸35, 再通過一對錐齒輪傳動33、17帶動手轉諧波減速器的波發生器25, 波發生器上套有軸承和柔輪29, 諧波減速器的定輪31通過底座34與腕擺殼體相聯,動輪24通過安裝架23與聯接手部的法蘭盤30相固定, 當臂部心軸帶動腕部中心軸旋轉時, 法蘭盤作手轉運動。

　　柔順手腕結構

　　在用機器人進行的精密裝配作業中, 當被裝配零件之間的配合精度相當高, 由于被裝配零件的不一致性, 工件的定位夾具、 機器人手爪的定位精度無法滿足裝配要求時, 會導致裝配困難, 因而, 柔順性裝配技術有兩種：

　　一種是從檢測、 控制的角度出發, 采取各種不同的搜索方法, 實現邊校正邊裝配; 有的手爪還配有檢測元件, 如視覺傳感器(如圖 2.41 所示)、力傳感器等, 這就是所謂主動柔順裝配。 另一種是從結構的角度出發, 在手腕部配置一個柔順環節, 以滿足柔順裝配的需要, 這種柔順裝配技術稱為被動柔順裝配。

　　圖 2.41 帶檢測元件的手

　　圖2.42所示是具有移動和擺動浮動機構的柔順手腕。水平浮動機構由平面、鋼球和彈簧構成,實現在兩個方向上進行浮動; 擺動浮動機構由上、下球面和彈簧構成, 實現兩個方向的擺動。在裝配作業中,如遇夾具定位不準或機器人手爪定位不準時, 可自行校正。

　　其動作過程如圖2.43所示, 在插入裝配中工件局部被卡住時,將會受到阻力, 促使柔順手腕起作用, 使手爪有一個微小的修正量,工件便能順利插入。圖2.44所示是另一種結構形式的柔順手腕, 其工作原理與上述柔順手腕相似。

　　圖2.45所示是采用板彈簧作為柔性元件組成的柔順手腕, 在基座上通過板彈簧1、2聯接框架, 框架另兩個側面上通過板彈簧3、4聯接平板和軸,裝配時通過4塊板彈簧的變形實現柔順性裝配。圖2.46所示是采用數根鋼絲彈簧并聯組成的柔順手腕。

　　圖 2.42 移動擺動柔順手腕

　　圖 2.43 柔順手腕動作過程

　　圖 2.44 柔順手腕 圖 2.45 板彈簧柔順手腕 圖 2.46 鋼絲彈簧柔順手腕

　　（摘自：工業機器人前沿）

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