提示:

機器人手腕是連接末端執(zhí)行器和手臂的部件。它的功能是調(diào)整或改變工件的方向，因此它具有獨立的自由度，使機器人末端執(zhí)行器適應(yīng)復(fù)雜的運動要求。

工業(yè)機器人一般需要6個自由度才能使手到達目標位置并處于期望的姿態(tài)。為了將手定位在空之間的任意方向，要求手腕可以在空之間轉(zhuǎn)動三個坐標軸X、Y、Z，即有三個自由度，即轉(zhuǎn)動、俯仰、偏轉(zhuǎn)，如圖2.31所示。通常手腕的翻轉(zhuǎn)也叫Roll，用r表示；手腕的音高叫音高，用p表示；手腕偏轉(zhuǎn)稱為偏航，用y表示。

圖2.31手腕的自由度

(a)圍繞z軸旋轉(zhuǎn)；(b)繞y軸旋轉(zhuǎn)；(c)繞x軸旋轉(zhuǎn)；圍繞X、Y和Z軸旋轉(zhuǎn)

手腕分類

1.根據(jù)自由度的數(shù)量

根據(jù)自由度的多少，手腕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)是一個Roll關(guān)節(jié)，它將手臂的縱軸和手腕的關(guān)節(jié)軸形成一個同軸的形式。r關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度大，可達360度以上。

圖(B)和(c)顯示了一個彎曲接頭(簡稱為B接頭)，接頭的軸線垂直于前后連接器的軸線。由于結(jié)構(gòu)干擾，這個B關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度很小，大大限制了方向角。圖(d)顯示了活動關(guān)節(jié)。

圖2.32單自由度手腕

(一)R腕；(二)B腕；(c) Y腕；丁字手腕

(2)2自由度手腕，如圖2.33所示。

兩自由度腕關(guān)節(jié)可以由一個r關(guān)節(jié)和一個b關(guān)節(jié)組成(見圖2.33(a))，也可以由兩個b關(guān)節(jié)組成BB腕關(guān)節(jié)(見圖2.33(b))。但RR腕不能由兩個R關(guān)節(jié)組成。因為兩個R關(guān)節(jié)同軸，所以退化了一個自由度，實際上只構(gòu)成一個單自由度手腕，如圖2.33(c)所示。

圖2.33兩自由度手腕

(一)BR腕；(二)BB腕；右手腕

(3)3自由度手腕，如圖2.34所示。

3自由度的手腕可以由B關(guān)節(jié)和R關(guān)節(jié)以多種形式組成。

圖2.34(a)是常見的BBR手腕，使手有俯仰、偏航、翻轉(zhuǎn)動作，即RPY動作。

圖2.34(b)顯示了由一個B關(guān)節(jié)和兩個R關(guān)節(jié)組成的BRR腕關(guān)節(jié)。為了不降低自由度，造成手的RPY運動，第一個R關(guān)節(jié)必須如圖所示偏移。

圖2.34(c)是三個R關(guān)節(jié)組成的RRR手腕，也可以實現(xiàn)手的RPY運動。

圖2.34(d)為BBB手腕。顯然已經(jīng)退化成了兩自由度手腕，只有PY在動。其實這個手腕是不用的。此外，B關(guān)節(jié)和R關(guān)節(jié)的不同排列順序也會產(chǎn)生不同的效果，同時也會產(chǎn)生其他形式的三自由度手腕。為了使手腕結(jié)構(gòu)緊湊，通常在一個十字關(guān)節(jié)上安裝兩個B關(guān)節(jié)，這對于BBR手腕來說大大減小了手腕的縱向尺寸。

圖2.34三自由度手腕

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

2.根據(jù)駕駛模式劃分

手腕可分為直驅(qū)手腕和長驅(qū)手腕。

圖2.35為Moog公司生產(chǎn)的液壓直驅(qū)BBR手腕，結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)計巧妙。M1、M2、M3是液壓馬達，直接驅(qū)動手腕的偏轉(zhuǎn)、俯仰和轉(zhuǎn)向軸。

圖2.36顯示了具有長距離傳輸?shù)腞BR手腕。軸ⅲ的轉(zhuǎn)動使整個手腕翻轉(zhuǎn)，即第一個R關(guān)節(jié)移動。軸ⅱ的轉(zhuǎn)動使手腕得到俯仰運動，即第二個B關(guān)節(jié)運動。軸I的旋轉(zhuǎn)是第三個r關(guān)節(jié)的運動。C軸一離開紙面，RBR手腕就在三個自由度的軸上輸出RPY運動。

這種長距離傳動的優(yōu)點是可以將體積大、重量大的驅(qū)動源放置在遠離手腕的地方，有時放置在手臂的后端來平衡重量，既減輕了手腕的整體重量，又提高了機器人整體結(jié)構(gòu)的平衡性。

圖2.35液壓直接驅(qū)動BBR手腕

圖2.36遠程驅(qū)動RBR手腕

手腕的典型結(jié)構(gòu)

在設(shè)計手腕時，不僅要滿足啟動和傳遞過程中所需的輸出扭矩，還要要求手腕結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、輕便，避免干涉，驅(qū)動靈活；大多數(shù)情況下，需要將手腕結(jié)構(gòu)的驅(qū)動部分安排在前臂上，使形狀整齊；盡量將幾個電機的運動傳遞到同軸旋轉(zhuǎn)的芯軸和多層套筒上，再將運動傳遞到手腕后實現(xiàn)各個動作。以下是一些常見的機器人手腕結(jié)構(gòu)。

圖2.37是雙手懸掛機器人手腕擺動和左右擺動的結(jié)構(gòu)圖。A-A段顯示圓柱殼旋轉(zhuǎn)，而中心軸不動，實現(xiàn)手腕左右擺動；B-B截面顯示，圓柱殼不動，中心軸轉(zhuǎn)動實現(xiàn)手腕轉(zhuǎn)動。油路的分布如圖2.37所示。

圖2.37手腕擺動和左右擺動結(jié)構(gòu)圖

圖2.38為PT-600弧焊機器人手腕結(jié)構(gòu)及傳動示意圖。從圖中可以看出，這是一種手腕擺動和手部旋轉(zhuǎn)兩個自由度的手腕結(jié)構(gòu)。其傳動路線如下:腕擺電機通過同步齒形帶傳動驅(qū)動腕擺諧波減速器7，減速器的輸出軸驅(qū)動腕擺架1實現(xiàn)腕擺運動；手動旋轉(zhuǎn)電機通過同步齒形帶傳動帶手動旋轉(zhuǎn)諧波減速器10，減速器的輸出通過一對錐齒輪9實現(xiàn)手動旋轉(zhuǎn)。需要注意的是，當手腕擺動架擺動，手部電機不轉(zhuǎn)動時，連接到末端執(zhí)行器的錐齒輪在另一個錐齒輪上滾動，會產(chǎn)生額外的手部運動，控制需要修正。

圖2.38 pt-600弧焊機器人手腕結(jié)構(gòu)圖

圖2.39為kuka IR-662/100機器人手腕傳動示意圖。這是一個三自由度的手腕結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)構(gòu)型形式有手臂旋轉(zhuǎn)、手腕擺動和手部旋轉(zhuǎn)。傳動鏈分為兩部分:一部分在機械臂外殼內(nèi)，三個電機的輸出通過皮帶傳動傳遞給同軸傳動芯軸、中間套筒和外套管；傳動鏈的另一部分布置在手腕處，圖2.40為手腕的裝配圖。

圖2.39 kuka IR-662/100機器人手腕傳動圖

圖2.40庫卡IR-662/100機器人手腕裝配圖

傳播途徑是:

(1)手臂旋轉(zhuǎn)運動。手臂外套通過端法蘭與手腕外殼7連接，外套直接帶動整個手腕旋轉(zhuǎn)，完成手臂旋轉(zhuǎn)運動。

(2)手腕擺動動作。臂的中間套筒通過花鍵與空主軸4連接，而空主軸的另一端通過一對錐齒輪12、13驅(qū)動腕擺諧波減速器的波發(fā)生器16。波浪發(fā)生器套裝有軸承和柔性輪14。諧波減速器的固定輪10與手腕殼體連接，活動輪11通過蓋18與手腕擺殼體19固定連接。當中間套筒驅(qū)動/

(3)手部旋轉(zhuǎn)。臂心軸通過花鍵與手腕中心軸2連接。中心軸的另一端通過一對錐齒輪45和46驅(qū)動花鍵軸41?；ㄦI軸的一端通過同步齒形帶傳動裝置44和36驅(qū)動花鍵軸35，然后通過一對錐齒輪傳動裝置33和17驅(qū)動手動諧波減速器的波形發(fā)生器25。波浪發(fā)生器套有軸承和柔輪29。諧波減速器的固定輪31通過底座34與手腕擺動殼體連接?；顒虞?4通過安裝支架23與手連接的法蘭30固定，當臂心軸帶動手腕中心軸轉(zhuǎn)動時，法蘭手動轉(zhuǎn)動。

柔順手腕結(jié)構(gòu)

在用機器人進行精密裝配作業(yè)時，當被裝配零件之間的配合精度相當高時，由于被裝配零件的不一致性，工件定位夾具和機器人手爪的定位精度達不到裝配要求，會導(dǎo)致裝配困難。因此，有兩種靈活的裝配技術(shù):

一種是從檢測和控制的角度出發(fā)，采用各種搜索方法實現(xiàn)邊校正邊裝配；有些爪子還配有檢測元件，如視覺傳感器(如圖2.41所示)、力傳感器等。這稱為主動柔順裝配。另一種是從結(jié)構(gòu)的角度在手腕上配置柔順連桿，以滿足柔順裝配的需要。這種柔順裝配技術(shù)稱為被動柔順裝配。

圖2.41帶檢測元件的手

圖2.42顯示了帶有移動和擺動浮動機構(gòu)的柔順手腕。水平浮動機構(gòu)由平面、鋼球和彈簧組成，可以雙向浮動。擺動浮動機構(gòu)由上、下球面和彈簧組成，實現(xiàn)雙向擺動。在裝配操作中，如果夾具定位不正確或機器人手爪定位不正確，可以自行校正。

動作過程如圖2.43所示。當工件局部卡在插入組件中時，會受到阻力，促使柔順手腕動作，使夾持器有一個微小的修正量，工件可以順利插入。圖2.44為另一種結(jié)構(gòu)的柔順手腕，其工作原理與上述柔順手腕相似。

圖2.45顯示了由板簧作為柔性元件組成的柔性手腕。底座通過板簧1和2連接到框架，框架的另兩側(cè)通過板簧3和4連接到板和軸。在裝配過程中，通過四個板簧的變形實現(xiàn)柔順裝配。圖2.46顯示了由幾個平行連接的鋼絲彈簧組成的柔性手腕。

圖2.42移動和擺動順從手腕

圖2.43柔順手腕的運動過程

圖2.44柔順手腕圖2.45板簧柔順手腕圖2.46線簧柔順手腕

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