3.2手腕20121020.ppt

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)，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，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；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-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-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。我们把某一杆件因另一杆件的被驱动而引起的运动，称作诱导运动。即称作诱导运动。即n-1对末杆对末杆Ln产生诱导运动。产生诱导运动。再看腕的摆角，它相对于小臂的角度值表示为再看腕的摆角，它相对于小臂的角度值表示为(3)(=4)，在采用后置式在采用后置式(电机固定于腰部杆件电机固定于腰部杆件L1上上)等径链轮传动时，等径链轮传动时，大、小臂的转角大、小臂的转角3、4的变化也对的变化也对(3)产生诱导运动。产生诱导运动。诱导运动诱导运动由图可以看出，当关节由图可以看出，当关节n-1(=4)的驱的驱动器锁定动器锁定(也就是主动链轮也就是主动链轮1不转时不转时)，3、2的变化也改变着末杆相对的变化也改变着末杆相对于杆于杆L3的相对角度的相对角度(3)(注意，在图注意，在图示条件下相对于基座坐标的示条件下相对于基座坐标的(3)值不值不变变)。也就是当。也就是当2、3的改变使杆的改变使杆3处于倾斜位置时，由于等径链轮的处于倾斜位置时，由于等径链轮的作用，末杆仍处于原来的水平位置作用，末杆仍处于原来的水平位置（即（即(0)=0），但它相对于杆），但它相对于杆L3却由却由0变成了变成了(3)，即，即2、3对对(3)生诱导生诱导运动。运动。手腕传动示意图手腕传动示意图1、2-主动链轮；主动链轮；36-从动链轮从动链轮3.2.8 三自由度手腕有R R关关节节和和B B关关节节的的组组合合构构成成的的三三自自由由度度手手腕腕可可以以有多种型式，实现翻转、俯仰和偏转功能。有多种型式，实现翻转、俯仰和偏转功能。三三自自由由度度手手腕腕是是在在两两自自由由度度手手腕腕的的基基础础上上加加一一个个整整个个手手腕相对于小臂的转动自由度而形成的。腕相对于小臂的转动自由度而形成的。三三自自由由度度手手腕腕是是“万万向向”型型手手腕腕，结结构构形形式式繁繁多多，可可以以完完成成两两自自由由度度手手腕腕很很多多无无法法完完成成的的作作业业。近近年年来来，大大多数关节型机器人都采用了三自由度手腕。多数关节型机器人都采用了三自由度手腕。三自由度手腕图例BBR手腕BBR手腕B（1）自由度手腕结构形式三自由度手腕的结构形式繁多，主要形式如下表所示。三自由度手腕的结构形式繁多，主要形式如下表所示。表表 三自由度手腕的典型形式三自由度手腕的典型形式3 3自由度手腕的典型形式自由度手腕的典型形式三自由度手腕的典型形式三自由度手腕的典型形式三轴垂直相交的三轴垂直相交的3自由度手腕自由度手腕是是一一种种3自自由由度度的的手手腕腕。假假设设输输入入的的转转角角是是1、2和和3，关关节节角角为为1=1、2=12、3=21+23。可连续转动的可连续转动的3自由度手腕自由度手腕有有3 3个个相相交交的的关关节节轴轴，但但不不相相互互垂垂直直，其其特特点点是是3 3个个关关节节角角不不受受限限制制，可可以以转转3603600 0，即可以连续转动。，即可以连续转动。但但这这种种非非正正交交轴轴的的手手腕腕，不不可可能能使使末末端端件件达达到到任任意意的的姿姿态态。手手腕腕的的第第三三个个轴轴不不能能达达到到的的方方位位在在空空间间是是一个锥体。一个锥体。结构形式结构形式三自由度手腕是在两自由度手腕的基三自由度手腕是在两自由度手腕的基础上加一个整个手腕相对于小臂的转础上加一个整个手腕相对于小臂的转动自由度动自由度(用参数用参数表示表示)而形成的。当而形成的。当不考虑构限制，即不考虑构限制，即、都能在都能在003600范围取值，末端执行器的灵度范围取值，末端执行器的灵度dex=100%+100%+100%，也就是说，也就是说具有百分之百的灵活度具有百分之百的灵活度如图，当末杆如图，当末杆Ln与小臂的夹角与小臂的夹角(3)取取 时，由于腕转动时，由于腕转动3600，相应于任意一个，相应于任意一个 ，末杆就形，末杆就形成一个锥面，锥面素线就是成一个锥面，锥面素线就是Ln可取的方位。可取的方位。末杆方位图末杆方位图结构形式结构形式这就是说手爪可自任意方向接近物体，也可将物体转到任这就是说手爪可自任意方向接近物体，也可将物体转到任意姿势。所以三自由度手腕是意姿势。所以三自由度手腕是“万向万向”型手腕，可以完成型手腕，可以完成两自由度手腕很多无法完成的作业。两自由度手腕很多无法完成的作业。一一系系列列锥锥面面(对对应应于于一一系系列列的的(3)形形成成一一个个球球体体 ，末末杆杆即即可可将将整整个个球球体体的的半半径径线线取取作作自自己己的的方方位位，再再加加上上末末杆杆绕绕自自身身轴轴线线的的转转动动，所所以以手手爪可在空间获得任意姿势。爪可在空间获得任意姿势。图图13-12 13-12 末杆方位图末杆方位图结构形式结构形式电电机机(1)经经锥锥齿齿轮轮副副(3、4)和和齿齿型型带带传传动动(9、10、13)，再再经经锥锥齿齿轮轮副副(5、6)和和杯杯式式谐谐波波减减速速器器16带带动动法法兰兰(17,机机械械接接口口)转转动动，完完成成末末杆杆(法法兰兰)的的运运动动。电电机机2经经锥锥齿齿轮轮副副（7、8）和和齿齿型型带带传传动动(11、12、14)，通通过过扁扁平平型型谐谐波波减减速速器器（15）带带动动腕腕壳壳摆摆动动，完完成成末末杆杆的的运运动动。整整个个手手腕腕又又由由置置于于小小臂臂后后补补的的电电机机(图图中中未未画画)，经经过过谐谐波波传传动动，带带动动小小臂臂作作绕绕自自身身轴轴线线的的转转动动，即即运动。运动。汇汇(正正)交式手腕交式手腕如如图图是是汇汇交交手手腕腕(或或称称正正交交手手腕腕)，即即、的的旋旋转转轴轴线线汇汇交交于于一一点点PW。结构形式结构形式如如图图为为偏偏置置式式手手腕腕，由由后后置置电电机机通通过过齿齿轮轮副副带带动动轴轴(1)旋旋转转，轴轴1再再经经花花键键带带动动锥锥齿齿轮轮副副(6、7)，再再经经齿齿轮轮(8.9)带带动动RV减减速速器器(11)，RV的的输输出出部部与与法法兰兰(12)相相联联，从从而而完完成成末末杆杆Ln(法兰法兰)的的旋转。旋转。轴轴(2)经经花花键键带带动动锥锥齿齿轮轮(4、5)，后后者者的的尾尾部部是是RV减减速速器器10的的输输入入齿齿轮轮，RV的的输输出出与与腕腕壳壳(13)相相联联，从从而而完完成成运运动动。轴轴(3)由由后后置置电电机机通通过过齿齿轮轮副副、RV减速器减速器(图中未画出来图中未画出来)带动，完成整个手腕的旋转运动带动，完成整个手腕的旋转运动。偏置式手腕偏置式手腕上上面面2种种手手腕腕都都是是把把、运运动动的的减减速速器器安安装装在在手手腕腕上上，可可简简化化小小臂臂结结构构，但但却却增加了手腕本身的重量和复杂程度。增加了手腕本身的重量和复杂程度。3自由度手腕结构的特点自由度手腕结构的特点上面两种上面两种3自由度手腕的共同特点是：自由度手腕的共同特点是：“三轴线相交于一点三轴线相交于一点”。这个交点通常取为腕坐标系的原点。这个交点通常取为腕坐标系的原点。（2）转角计算转角计算转角计算有以下几种。转角计算有以下几种。（1）偏偏置置式式手手腕腕的的转转角角计计算算。以以表表中中图图1为为例例。由由图图可可以以看看出出，转转角只与腕输入转角角只与腕输入转角n-2有关，故：有关，故：=n-2虽直接与虽直接与n-1有关，但当有关，但当n-2使腕转动时，轮使腕转动时，轮6即在轮即在轮5上滚动，上滚动，故故n-2对腕壳产生相反方向的诱导转动，故：对腕壳产生相反方向的诱导转动，故：n-1、n-2都对都对产生诱导运动，故产生诱导运动，故是是n、n-1、n-2的函数的函数转角计算转角计算（2）汇汇(正正)交交式式手手腕腕的的转转角角计计算算。通通过过与与偏偏置置式式类类似似的分析，可得：的分析，可得：（3）球形腕与中腕的转角计算。）球形腕与中腕的转角计算。、计算与偏置腕相似。计算与偏置腕相似。转角计算转角计算（4）双偏置式手腕的转角计算。）双偏置式手腕的转角计算。除除n-2使使转转动动外外，n-1对对它它也也有有诱诱导导运运动动；转转角角只只与与n-1关关；n-2、n-1都对都对产生诱导运动，故是产生诱导运动，故是n、n-1、n-2的函数。于是：的函数。于是：可以看出，只要传动路线分析清楚，根据轮系原理，可以看出，只要传动路线分析清楚，根据轮系原理，、是不难求得的。是不难求得的。（3）驱动系统的布置驱动系统的布置n、n-1、n-2的输入方式可分为平行轴式和的输入方式可分为平行轴式和同轴式。前者表同轴式。前者表13-1中图中图2和图和图13-13所示，所示，n和和n-1的两传动轴平行排列于臂的前半部，的两传动轴平行排列于臂的前半部，这段小臂整体旋转完成这段小臂整体旋转完成的旋转运动。这种的旋转运动。这种布置的优点是结构简单，但加大了小臂前端布置的优点是结构简单，但加大了小臂前端的尺寸和重量。的尺寸和重量。图图13-14和表和表13-1中的图中的图1、3、4都是同轴式，即都是同轴式，即、的三个驱动轴套在的三个驱动轴套在一起，这样虽使后面的三个电机与三轴的联接复杂化，但减小小臂的尺寸，一起，这样虽使后面的三个电机与三轴的联接复杂化，但减小小臂的尺寸，对小臂的重量平衡也有改善。对小臂的重量平衡也有改善。驱动系统的布置驱动系统的布置减速器的配置可分为前置式和后置式。表减速器的配置可分为前置式和后置式。表13-1中图中图14都为减速器后置式，即经减速后再把输入的都为减速器后置式，即经减速后再把输入的n、n-1、n-2传到腕部，这样有利于小臂的平衡。传到腕部，这样有利于小臂的平衡。图图13-13和图和图13-11则是把则是把、两自由度的减速器装两自由度的减速器装在手腕内，这种方式称作前置式。在手腕内，这种方式称作前置式。它加大了腕部的复杂程度和重量，对小臂乃它加大了腕部的复杂程度和重量，对小臂乃至整机的平衡不利，但可简化整个小臂的结至整机的平衡不利，但可简化整个小臂的结构，而且当腕部使用同步齿形带时，只能采构，而且当腕部使用同步齿形带时，只能采用这种布置，因为齿形带只能用于高速级。用这种布置，因为齿形带只能用于高速级。这种布置还可简化后面三个驱动系统的结构。这种布置还可简化后面三个驱动系统的结构。对于平行轴传动，减速器前置可以匹配小臂对于平行轴传动，减速器前置可以匹配小臂与手腕的几何尺寸。与手腕的几何尺寸。驱动系统的布置驱动系统的布置电机配置也可分为前置式和后置式。电机配置也可分为前置式和后置式。前置式如表前置式如表13-1中图中图5所示，即有一个电机配置在手腕中，其最大优点是所示，即有一个电机配置在手腕中，其最大优点是大大减化了小臂的结构和传动过程的轴线干绕，但加重了腕部。这种结大大减化了小臂的结构和传动过程的轴线干绕，但加重了腕部。这种结构较适合于小负荷操作机。必须指出，这种结构的手腕也属非汇构较适合于小负荷操作机。必须指出，这种结构的手腕也属非汇(正正)交交式，由它构成的六自由度操作机无解析解。式，由它构成的六自由度操作机无解析解。电机后置式如表电机后置式如表13-1中的图中的图14所示，所示，即驱动电机都布置即驱动电机都布置在腕的后面。在腕的后面。对于中小负载的操作机，电机可布置在臂的空腔中对于中小负载的操作机，电机可布置在臂的空腔中(如如图图13-13)13-13)，而对于大负载操作机，由于电机重而且大，而对于大负载操作机，由于电机重而且大，电机多布置在臂的后端，以减小臂的尺寸和前部重量，电机多布置在臂的后端，以减小臂的尺寸和前部重量，并与减速器一起对小臂起平衡作用。并与减速器一起对小臂起平衡作用。3.2.9 3.2.9 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。动性能好的驱动电机或液压马达。1 1）液压直接驱动）液压直接驱动BBRBBR手腕图例手腕图例RBB偏转俯仰回转3.2.10 3.2.10 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。三个自由度的运动。3.2.11 柔性手腕柔性手腕/顺应型手腕顺应型手腕所所谓谓顺顺应应型型手手腕腕/手手爪爪是是指指手手腕腕/手手爪爪的的动动作作能能顺顺应应工工作作环环境，而不需要复杂的控制系统。境，而不需要复杂的控制系统。在用机器人进行精密装配作业中，当被装配零件的不一致、在用机器人进行精密装配作业中，当被装配零件的不一致、工件的定位夹具、机器人的定位精度不能满足装配要求时，工件的定位夹具、机器人的定位精度不能满足装配要求时，会导致装配困难。这就提出了柔顺性要求。会导致装配困难。这就提出了柔顺性要求。柔性手腕柔性手腕/顺应型手腕顺应型手腕柔柔顺顺装装配配技技术术有有两两种种：一一种种是是控控制制的的角角度度，借借助助检检测测元元件件采采取取边边校校正正、边边装装配配的的方方式式，称称为为“主主动动柔柔顺顺装装配配”；另另一一种种是是从从结结构构的的角角度度在在手手腕腕部部配配置置一一 个个柔柔顺顺环环节节，这这种种柔柔顺顺装装配配技技术术称称为为“被被动动柔柔顺顺装装配配 ”即即RCC(Remote Center Compliance)。顺应型手腕顺应型手腕/手爪手爪带检测元件的手腕带检测元件的手腕移动摆动柔顺手腕移动摆动柔顺手腕顺应型手腕顺应型手腕/手爪手爪RCCRCC机构机构(Remote Center Compliance)(Remote Center Compliance)顺应型手腕顺应型手腕/手爪手爪柔顺手腕动作过程柔顺手腕动作过程柔顺手爪柔顺手爪/手腕手腕3.2.12 3.2.12 典型机器人手腕结构典型机器人手腕结构KUKA IR662100机器人手碗传动机器人手碗传动图图KUKA IR662100机器人手碗机器人手碗结构图结构图典型机器人手腕结构典型机器人手腕结构Cincinnati Milacron T3 机器人腕部结构机器人腕部结构PUMA一一262 机器人手腕传动原理机器人手腕传动原理双回转油缸驱动的手腕双回转油缸驱动的手腕结构特点：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。个油缸带动手腕作回转运动。nV-VV-V视图视图表示的回转缸中动片带动回转油缸的刚体，定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；片与固定中心轴联结实现俯仰运动；L-LL-L视图视图表示回转缸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。转运动。双回转油缸驱动的手腕双回转油缸驱动的手腕轮系轮系驱动的二驱动的二 自由度自由度BRBR手腕手腕结构特点：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。轮系轮系驱动的二驱动的二 自由度自由度BRBR手腕手腕回转运动：回转运动：轴轴S S旋旋转转锥锥齿齿轮轮副副Z Z1 1、Z Z2 2锥锥齿齿轮轮副副Z Z3 3、Z Z4 4手手腕腕与与锥锥齿齿轮轮Z Z4 4为为一一体体手手腕腕实实现现绕绕C C轴轴的的旋转运动旋转运动俯仰回转轮系轮系驱动的二驱动的二 自由度自由度BRBR手腕手腕俯仰运动：俯仰运动：轴轴B B旋旋转转锥锥齿齿轮轮副副Z Z5 5、Z Z6 6轴轴A A旋旋转转手手腕腕壳壳体体7 7与与轴轴A A固固联联手手腕腕实实现现绕绕A A轴轴的的俯仰运动俯仰运动轮系轮系驱动的二驱动的二 自由度自由度BRBR手腕手腕附加回转运动：附加回转运动：轴轴S S不不转转而而B B轴轴回回转转锥锥齿齿轮轮Z Z3 3不不转转锥锥齿齿轮轮Z Z3 3、Z Z4 4相相啮啮合合迫迫使使Z Z4 4绕绕C C轴轴线线有有一一个个附附加加的的自自转转，即即为为附附加加回回转运动。转运动。附附加加回回转转运运动动在在实实际际使使用用时时应应予予以以考考虑虑。必必要要时时应应加加以利用或补偿。以利用或补偿。附加运动动作分解附加运动动作分解轴主动轴主动齿轮固齿轮固定不动定不动行星运动行星运动轮系驱动的轮系驱动的RBRRBR手腕手腕结构特点：结构特点：n该机构为由齿轮、链轮传动实现的回转、俯仰和360度回转运动的RBR手腕结构。回回转转运运动动：轴轴S S旋旋转转齿齿轮轮副副Z Z1010/Z/Z2323、Z Z2323/Z/Z1111锥锥齿齿轮轮副副Z Z1212、Z Z1313锥锥齿齿轮轮副副Z Z1414、Z Z1515手手腕腕与与锥锥齿齿轮轮Z Z1515为为一一体体手手腕实现旋转运动腕实现旋转运动俯仰回转360度回转轮系驱动的轮系驱动的RBRRBR手腕手腕轮系驱动的轮系驱动的RBRRBR手腕手腕俯俯仰仰运运动动：轴轴B B旋旋转转齿齿轮轮副副Z Z2424/Z/Z2121，Z Z2121/Z/Z2222齿齿轮轮副副Z Z2020、Z Z1616齿齿轮轮副副Z Z1616、Z Z1717齿齿轮轮副副Z Z1717、Z Z1818轴轴1919旋旋转转手腕壳体与轴手腕壳体与轴1919固联固联实现手腕的俯仰运动实现手腕的俯仰运动轮系驱动的轮系驱动的RBRRBR手腕手腕360360度度回回转转运运动动：油油缸缸1 1中中的的活活塞塞左左右右移移动动带带动动链链轮轮2 2旋旋转转锥锥齿齿轮轮副副Z Z3 3/Z/Z4 4带带动动花花键键轴轴5 5、6 6旋旋转转花花键键轴轴6 6与与行行星星架架9 9连在一起连在一起带动行星架及手腕作带动行星架及手腕作360360度回转运动度回转运动轮系驱动的轮系驱动的RBRRBR手腕手腕附附加加俯俯仰仰运运动动：轴轴B B、轴轴S S不不转转而而T T轴轴回回转转齿齿轮