3.2手腕20121020.ppt
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1、手腕手腕张建瓴主要内容主要内容3.2.1 手腕的作用手腕的作用3.2.2 手腕的运手腕的运动动3.2.3 手腕的手腕的评评价指价指标标3.2.4 手腕手腕结结构的构的设计设计要求要求3.2.5 手腕的手腕的类类型型3.2.6 单单自由度手腕自由度手腕3.2.7 2自由度手腕自由度手腕3.2.8 3自由度手腕自由度手腕3.2.9 直接直接驱动驱动手腕手腕3.2.10 远远距离距离传动传动手腕手腕3.2.11 柔柔顺顺手腕手腕3.2.12 典型机器人手腕典型机器人手腕结结构构手腕手腕是臂部和手部的连接件,起支承手部和改变手部姿态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。的作用。为为了了
2、使使手手部部能能处处于于空空间间任任意意方方向向,要要求求腕腕部部能能实实现现对对空空间间三三个个坐坐标标轴轴X X、Y Y、Z Z的的旋旋转转运运动动。这这便便是是腕腕部部运运动动的的三三个个自自由由度度,分分别别称称为为回回转转R R(RollRoll)、俯俯仰仰P P(PitchPitch)和偏转)和偏转Y Y(YawYaw)。)。并并不不是是所所有有的的手手腕腕都都必必须须具具备备三三个个自自由由度度,而而是是根根据据实际使用的工作性能要求来确定。实际使用的工作性能要求来确定。3.2.1 手腕的作用手腕的作用手手腕腕是是小小臂臂(上上臂臂)和和末末端端执执行行器器(手手爪爪)之之间间的
3、的联联接接件件。其其功功用用是是利利用用自自身身的的活活动动度度确确定定被被末末端端执执行行器器夹夹持持物物体体的的空空间间姿姿态态,也也可可以以说说是是确确定定末末端端执执行行器器的的姿姿态态。故故手手腕腕也也称称作作机器人的姿态机构。机器人的姿态机构。对对一一般般商商用用机机器器人人,末末杆杆(即即与与末末端端执执行行器器相相联联接接的的杆杆)都都有有独独立立驱驱动动的的自自转转功功能能,若若该该杆杆再再能能在在空空间间取取任任意意方方位位,那那么么与与之之相相联联的的末末端端执执行行器器就就可可在在空空间间取取任任意意姿姿态态,即即达达到完全灵活的境地。到完全灵活的境地。手腕的作用手腕的
4、作用末杆姿态示意图末杆姿态示意图1-大臂;大臂;2-小臂;小臂;3-末杆末杆(Ln)对对于于任任一一杆杆件件的的姿姿态态(即即方方向向),可可用用两两个个方方位位角角确确定定,如如图所示。图所示。图中,末杆图中,末杆Ln的图示姿的图示姿态可以看作是由处于态可以看作是由处于x0方向的原始位置先绕方向的原始位置先绕z0在在x0o0y0平面内转平面内转角,角,然后在然后在ao0与与z0组成的垂组成的垂直平面内再向上转直平面内再向上转角得角得到的。可见是由到的。可见是由、两两角决定了末杆的方向角决定了末杆的方向(姿姿态态)。手腕的作用手腕的作用腕部影响手部的姿态(方位)腕部影响手部的姿态(方位)手腕的
5、作用手腕的作用臂部确臂部确臂部确臂部确定手部定手部定手部定手部的位置的位置的位置的位置3.2.2 手腕的运动(1)手腕旋转(回转)手腕旋转(回转)(2)手腕弯曲(俯仰)手腕弯曲(俯仰)(3)手腕侧摆(偏转)手腕侧摆(偏转)手腕的运动手腕自由度图例:腕部坐标系手腕的偏转手腕的俯仰手腕的回转3.2.3 腕结构的评价指标理论上,如果理论上,如果 003600,003600,则,则Ln在空间可取任意方在空间可取任意方向。如果向。如果Ln的自转角的自转角(即即n)也满足也满足003600,我们就说该操作机具有,我们就说该操作机具有最大的灵活度,即可自任意方向抓最大的灵活度,即可自任意方向抓取物体并可把抓
6、取的物体在空间摆取物体并可把抓取的物体在空间摆成任意姿态。成任意姿态。定义组合灵活度定义组合灵活度(dex)为:为:上式取上式取“加加”的形式,但一般不进行加法运算,因为分开的形式,但一般不进行加法运算,因为分开更能表示机构的特点。更能表示机构的特点。末杆姿态示意图末杆姿态示意图1-大臂;大臂;2-小臂;小臂;3-末杆末杆(Ln)腕结构的评价指标腕结构最重要的评价指标就是腕结构最重要的评价指标就是dex值。若为值。若为3个百分个百分之百,该手腕就是最灵活的手腕。一般说来,之百,该手腕就是最灵活的手腕。一般说来,、的最大值取的最大值取3600,而,而值可取得更大一些,如果拧螺值可取得更大一些,如
7、果拧螺钉,最好钉,最好无上限。无上限。3.2.4 腕结构的设计要求腕结构是操作机中最复杂的结构,而且因传动系统互相腕结构是操作机中最复杂的结构,而且因传动系统互相干挠,更增加了腕结构的设计难度。干挠,更增加了腕结构的设计难度。腕部的设计要求是:腕部的设计要求是:结构紧凑、重量轻,结构紧凑、重量轻,dex的组合值必须满足工作要求并留的组合值必须满足工作要求并留有一定的裕量有一定的裕量(约约5%10%),传动系统结构简单并有利于,传动系统结构简单并有利于小臂对整机的静力平衡。小臂对整机的静力平衡。动动作作灵灵活活、平平稳稳,定定位位精精度度高高;强强度度、刚刚度度高高;与与臂臂部部及及手手部部的的
8、连连接接部部位位的的合合理理连连接接结结构构,传传感感器器和和驱驱动装置的合理布局及安装等。动装置的合理布局及安装等。3.2.5 手腕的类型手腕的类型机机器器人人的的手手腕腕分分别别与与手手臂臂和和手手爪爪相相连连,用用于于改改变变手手爪爪在在空空间间的的方方位位。最最普普通通的的手手腕腕是是由由两两个个或或三三个个相相互互垂垂直直的的关关节节轴轴组组成成,手手腕腕的的第第一一个个关节就是机器人的第四个关节。关节就是机器人的第四个关节。手手腕腕的的类类型型可可按按自自由由度度数数分分类类;也也可可按按驱动方式分;驱动方式分;按手腕的自由度分类按手腕的自由度分类按自由度的数目分为:按自由度的数目
9、分为:单自由度手腕、单自由度手腕、2 2自由度手腕和自由度手腕和3 3自由度手腕。自由度手腕。按手腕的驱动方式分类按手腕的驱动方式分类(1 1)直接驱动手腕:)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。的驱动电机或液压马达。(2)2)远距离传动手腕:远距离传动手腕:有时为了保证具有足够大的驱动力,驱动装置又不能做得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
10、距离的驱动足够小,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。方式,可以实现三个自由度的运动。3.2.6 单自由度手腕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:手腕在空间可具有三个自由度,也可以具备以下单一功能:(1 1)单单一一的的翻翻转转(回回转转)功功能能:手手腕腕的的关关节节轴轴线线与与手手臂臂的的纵纵轴轴线线共共线线,常常回回转转角角度度不不受受结结构构限限制制,可可以以回回转转360360以以上上。该该运运动用翻转关节(动用翻转关节(R R关节)实现。关节)实现。(2 2)单单一一的的俯俯仰仰功功能能:手手腕腕关关节节轴轴线线与与
11、手手臂臂及及手手的的轴轴线线相相互互垂垂直直,转转角角度度受受结结构构限限制制,通通常常小小于于360360。该该运运动动用用折折曲曲关关节节(B B关节)实现。关节)实现。(3 3)单单一一的的偏偏转转功功能能:手手腕腕关关节节轴轴线线与与手手臂臂及及手手的的轴轴线线在在另另一一个个方方向向上上相相互互垂垂直直;转转角角度度受受结结构构限限制制,通通常常小小于于360360。该该运运动用折曲关节(动用折曲关节(B B关节)实现。关节)实现。(4)手腕)手腕移动关节移动关节(Translation)单自由度手腕单自由度手腕R手腕B手腕B手腕T手腕单回单回转腕转腕部的部的结构结构示例示例单自由度
12、手腕单自由度手腕SCARA水平关节装配机器人水平关节装配机器人多采用单自由度手腕,如图多采用单自由度手腕,如图所示。所示。该类机器人操作机的手腕只有绕垂直轴的一个旋转自由该类机器人操作机的手腕只有绕垂直轴的一个旋转自由度,减轻操作机的悬臂重量,手腕的驱动电机固结在机度,减轻操作机的悬臂重量,手腕的驱动电机固结在机架上。手转动的目的在于调整装配件的方位。架上。手转动的目的在于调整装配件的方位。单自由度手腕单自由度手腕由于传动为两级等径轮齿形带,所以大、小臂的转动不影由于传动为两级等径轮齿形带,所以大、小臂的转动不影响末端执行器的水平方位响末端执行器的水平方位(如图如图13-313-3所示所示),
13、而该方位的调,而该方位的调整完全取决于腕转动的驱动电机,这是该种传动方式的主整完全取决于腕转动的驱动电机,这是该种传动方式的主要优点,特别适合于电子线路板的插件作业。要优点,特别适合于电子线路板的插件作业。也有将驱动器直接装在作上下运动的也有将驱动器直接装在作上下运动的插杆上的,这时确定末端执行器方位插杆上的,这时确定末端执行器方位的角度的角度(以机座坐标系为基准)将(以机座坐标系为基准)将是大、小臂转角是大、小臂转角2 2、3 3以及腕转角以及腕转角4 4之和,即:之和,即:3.2.7 两自由度手腕可以由一个可以由一个R R关节和一个关节和一个B B关节联合构成关节联合构成BRBR关节实现,
14、或关节实现,或由两个由两个B B关节组成关节组成BBBB关节实现,但不能由两个关节实现,但不能由两个RRRR关节构成关节构成二自由度手腕,因为两个二自由度手腕,因为两个R R关节的功能是重复的,实际上关节的功能是重复的,实际上只起到单自由度的作用。只起到单自由度的作用。两自由度手腕图例BR手腕BB手腕RR手腕(属于单自由度)(1)常见的具体结构两两自自由由度度手手腕腕有有如如图图所所示示的的两两种结构(交汇式和偏置式)。种结构(交汇式和偏置式)。汇交式两自由度手腕汇交式两自由度手腕1-法兰;法兰;2-锥齿轮轴;锥齿轮轴;3-锥齿轮;锥齿轮;8、4-弹簧;弹簧;5、1-链轮;链轮;6、9-轴承;
15、轴承;10-转壳转壳偏置式两自由度手腕偏置式两自由度手腕1-法兰;法兰;2-转壳;转壳;3、6-轴轴-齿轮;齿轮;4-小臂;小臂;5-、7-链轮;链轮;8-链;链;9、10-弹簧弹簧汇交式2自由度手腕1-法兰;法兰;2-锥齿轮轴;锥齿轮轴;3-锥齿轮;锥齿轮;8、4-弹簧;弹簧;5、1-链轮;链轮;6、9-轴承;轴承;10-转壳转壳汇交式两自由度手腕图图中中链链轮轮5由由后后置置的的驱驱动动器器带带动动,与与锥锥齿齿轮轮3相相联联,通通过过齿齿轮轮副副带带动动末末杆杆自自转转();链链轮轮7与与壳壳体体10相相联联,由由后后置置的的驱驱动动器器带带动动,使使末末杆杆摆摆动动(),从从而形成两个
16、自由度。而形成两个自由度。1-法兰;法兰;2-锥齿轮轴;锥齿轮轴;3-锥齿轮;锥齿轮;8、4-弹簧;弹簧;5、1-链轮;链轮;6、9-轴承;轴承;10-转壳转壳偏置式2自由度手腕1-法兰;法兰;2-转壳;转壳;3、6-轴轴-齿轮;齿轮;4-小臂;小臂;5-、7-链轮;链轮;8-链;链;9、10-弹簧弹簧图图中中链链轮轮5由由后后置置的的驱驱动动器器带带动动,与与锥锥齿齿轮轮3相相联联,通通过过齿齿轮轮副副带带动动末末杆杆自自转转();链链轮轮7与与壳壳体体10相相联联,由由后后置置的的驱驱动动器器带带动动,使使末末杆杆摆摆动动(),从从而而形形成成两个自由度。两个自由度。1-法兰;法兰;2-转
17、壳;转壳;3、6-轴轴-齿轮;齿轮;4-小臂;小臂;5-、7-链轮;链轮;8-链;链;9、10-弹簧弹簧偏置式两自由度手腕2自由度手腕汇交式两自由度手汇交式两自由度手腕的末杆与小臂中腕的末杆与小臂中线重合,两个链轮线重合,两个链轮对称分配在两边;对称分配在两边;偏置式两自由度手偏置式两自由度手腕的末杆偏置在小腕的末杆偏置在小臂中线的一边。臂中线的一边。汇交式两自由度手腕汇交式两自由度手腕1-法兰;法兰;2-锥齿轮轴;锥齿轮轴;3-锥齿轮;锥齿轮;8、4-弹弹簧;簧;5、1-链轮;链轮;6、9-轴承;轴承;10-转壳转壳偏置式两自由度手腕偏置式两自由度手腕1-法兰;法兰;2-转壳;转壳;3、6-
18、轴轴-齿轮;齿轮;4-小小臂;臂;5-、7-链轮;链轮;8-链;链;9、10-弹簧弹簧两者的末杆两者的末杆Ln都能绕自身的轴线旋转都能绕自身的轴线旋转3600以上,即以上,即3600。但两者末杆的摆动,。但两者末杆的摆动,也就是也就是Ln杆相对小臂杆相对小臂L3的转动,却相差很大。现以的转动,却相差很大。现以(3)表示末杆相对于表示末杆相对于L3的摆角的摆角(上标上标3表示对杆表示对杆L3)。对于汇交式,由于结构限制,。对于汇交式,由于结构限制,(3)2000;对于偏置式,;对于偏置式,(3)3600。这也就是说两种腕结构的灵活度。这也就是说两种腕结构的灵活度dex的组合值相差很大。对于汇交结
19、的组合值相差很大。对于汇交结构,构,dex偏偏=0+80(3)%+100%;对于偏置结构,;对于偏置结构,dex偏偏=0+100(3)%+100%。偏置结。偏置结构的另一优点是腕部结构紧凑,小臂横向尺寸较小构的另一优点是腕部结构紧凑,小臂横向尺寸较小(薄薄)。2自由度手腕两两自自由由度度的的另另两两种种结结构构如如图所示。图所示。上上图图是是将将谐谐波波减减速速器器置置于于腕腕部部,驱驱动动器器通通过过齿齿形形带带带带动动谐谐波波,或或经经锥锥齿齿轮轮再再带带动动谐谐波波使使末末杆杆Ln获获得得、两自由度运动。两自由度运动。下下图图则则是是将将驱驱动动电电机机和和谐谐波波减减速速器器连连成成一
20、一体体,放放于于偏偏置置的的腕腕壳壳中中直直接接带带动动Ln完完成成角角转转动动,角角则则是是由由链链传动完成的。传动完成的。谐波前置汇交手腕谐波前置汇交手腕1-扁平谐波;扁平谐波;2-杯式谐波;杯式谐波;3-齿形带轮;齿形带轮;4-锥齿轮;锥齿轮;5-腕壳腕壳电机前置偏置手腕电机前置偏置手腕1-谐波减速器;谐波减速器;2-马达;马达;3-链轮;链轮;4-腕壳腕壳2自由度手腕将将谐谐波波减减速速器器置置于于腕腕部部,驱驱动动器器通通过过齿齿形形带带带带动动谐谐波波,或或经经锥锥齿齿轮轮再再带带动动谐谐波波使使末末杆杆Ln获获得得、两自由度运动。两自由度运动。谐波前置汇交手腕谐波前置汇交手腕1-
21、扁平谐波;扁平谐波;2-杯式谐波;杯式谐波;3-齿形带轮;齿形带轮;4-锥齿轮;锥齿轮;5-腕壳腕壳2自由度手腕是是将将驱驱动动电电机机和和谐谐波波减减速速器器连连成成一一体体,放放于于偏偏置置的的腕腕壳壳中中直直接接带带动动Ln完完成成角角转转动动,角角则则是是由由链链传传动完成的。动完成的。电机前置偏置手腕电机前置偏置手腕1-谐波减速器;谐波减速器;2-马达;马达;3-链轮;链轮;4-腕壳腕壳2、末端执行器的姿态问题、末端执行器的姿态问题对两自由度手腕来说,末杆不能在空间取全方位姿态,对两自由度手腕来说,末杆不能在空间取全方位姿态,只能在一个平面内或呈扇形或呈圆周。所以当末端执行只能在一个
22、平面内或呈扇形或呈圆周。所以当末端执行器在主轴线与末杆轴线重合安装时器在主轴线与末杆轴线重合安装时(如图如图),最多只能在一,最多只能在一个平面内取个平面内取“全方位全方位”,这就削弱了末端执行器的灵活,这就削弱了末端执行器的灵活度。度。a-汇交式汇交式 b-偏置式偏置式末端执行器的姿态末端执行器的姿态 末端执行器的姿态问题末端执行器的姿态问题所以一般两自由度所以一般两自由度手腕可采用如图所手腕可采用如图所示的安装方法,使示的安装方法,使手爪既可取得平行手爪既可取得平行安装时的安装时的dex值,又值,又可借助于末杆可借助于末杆Ln的的自转自转(),对于工作,对于工作点点P来说,取半顶角来说,取
23、半顶角为为的圆锥面所确定的圆锥面所确定的姿态。的姿态。末端执行器的姿态末端执行器的姿态a-工作状态工作状态(P固定固定)原理示意图;原理示意图;b-机动状机动状态态(PW固定固定)原理示意图原理示意图末端执行器的姿态问题末端执行器的姿态问题考虑到末杆的摆动考虑到末杆的摆动(),对于,对于P点来说,当点来说,当(3)=1800时,末端时,末端执行器可取图执行器可取图a所示球块所示球块SR的所有直径线方向去接近的所有直径线方向去接近P点,点,抓取物体。这就大大增加了手爪的抓取物体。这就大大增加了手爪的dex值。值。正是由于这种原因,两自正是由于这种原因,两自由度手腕的弧焊机器人的由度手腕的弧焊机器
24、人的焊丝都是按图焊丝都是按图a所示的方式所示的方式安装的。我们称安装的。我们称为姿态为姿态预置角。若预置角。若=00,则手爪,则手爪只能取某一平面内的方位;只能取某一平面内的方位;如果如果=900,则手爪可取,则手爪可取整个球体半径的方位。整个球体半径的方位。末端执行器的姿态末端执行器的姿态a-工作状态工作状态(P固定固定)原理示意图;原理示意图;b-机动状机动状态态(PW固定固定)原理示意图原理示意图3、末杆转角、末杆转角(n)的计算的计算除前置驱动器外,其他两自由度手腕都用差动轮系传动,除前置驱动器外,其他两自由度手腕都用差动轮系传动,故故与两输入转角与两输入转角n、n-1之间的关系是:之
25、间的关系是:式中,式中,Za为轮为轮a的齿数;的齿数;Zb为轮为轮b的齿数。的齿数。这这里里的的输输入入转转角角n、n-1是是关关节节n和和n-1的的驱驱动动器器传传递递到到腕腕部部时时的的角角度度。如如果果腕腕部部有有减减速速器器,计计算算时时要要考考虑虑减减速器的速比。速器的速比。差动轮系差动轮系4、诱导运动、诱导运动由式由式(13-2)知,知,角不仅与末杆驱动器的转角角不仅与末杆驱动器的转角n有关,而且与有关,而且与末杆的前一杆末杆的前一杆Ln-1的驱动转角的驱动转角n-1有关,即有关,即n-1的运动能引起的运动能引起n的变化。我们把某一杆件因另一杆件的被驱动而引起的运动,的变化。我们把
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