詳解機(jī)器人手腕結(jié)構(gòu)圖

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1、 詳解機(jī)器人手腕結(jié)構(gòu)圖 作者: 日期: 【詳解】機(jī)器人手腕結(jié)構(gòu)圖 機(jī)器人手腕是連接末端操作器和手臂的部件 ,它的作 用是調(diào)節(jié)或改變工件的方位,因而它具有獨(dú)立的自由度,以 使機(jī)器人末端操作器適應(yīng)復(fù)雜的動(dòng)作要求。工業(yè)機(jī)器人一般 需要6個(gè)自由度才能使手部達(dá)到目標(biāo)位置并處于期望的姿 態(tài)。為了使手部能處于空間任意方向 ,要求腕部能實(shí)現(xiàn)對(duì)空 間三個(gè)坐標(biāo)軸x、y、z的轉(zhuǎn)動(dòng),即具有翻轉(zhuǎn)、俯仰和偏轉(zhuǎn)三 個(gè)自由度,如圖2. 3 1所示。通常也把手腕的翻轉(zhuǎn)叫做 Ro 1 l,用R表示;把手腕的俯仰叫做 Pi tch,用P表示;把手 腕的偏轉(zhuǎn)叫Yaw ,用丫表示。 圖2.31手腕的自由度(a

2、)繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng);(b)繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng);(c) 繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng); (d)繞x、 y、 z軸轉(zhuǎn)動(dòng) 手腕的分類 1.按自由度數(shù)目來(lái)分手腕按自由度數(shù)目來(lái)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(zhuǎn)(R o II)關(guān)節(jié),它把手臂縱軸線和手腕關(guān)節(jié)軸線構(gòu)成共軸形式。這 種R關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度大,可達(dá)到3 6 0°以上。圖(b)、 (c)是 一種折曲(Ben d )關(guān)節(jié)(簡(jiǎn)稱B關(guān)節(jié)),關(guān)節(jié)軸線與前后兩個(gè) 連接件的軸線相垂直。這種 B關(guān)節(jié)因?yàn)槭艿浇Y(jié)構(gòu)上的干涉, 旋轉(zhuǎn)角度小,大大限制了方向角。圖(d)所示為移動(dòng)關(guān)節(jié)。 圖2.32單自由度手腕

3、「 (a) R手腕;(b ) B手腕;(c) Y手腕;(d) T手腕 ⑵2自由度手腕 如圖2. 3 3所示。2自由度手腕可以由一 個(gè)R關(guān)節(jié)和一個(gè)B關(guān)節(jié)組成B R手腕(見圖2 .3 3 (a)),也可 以由兩個(gè)B關(guān)節(jié)組成BB手腕(見圖2.33(b))。但是,不能由 兩個(gè)R關(guān)節(jié)組成 RR手腕,因?yàn)閮蓚€(gè)R共軸線,所以退化 了一個(gè)自由度,實(shí)際只構(gòu)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) 手腕;(c) R R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(guān)節(jié)和R關(guān)節(jié)組成許多種形式。圖 2.34( a )所示是通常見到

4、 的BBR手腕, 使手部具有俯仰、偏轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) ,即RP Y運(yùn)動(dòng)。圖2. 3 4(b)所示是一個(gè)B關(guān)節(jié)和兩個(gè) R關(guān)節(jié)組成的 BRR手腕,為了不使自由度退化, 使手部產(chǎn)生RPY運(yùn)動(dòng), 第一個(gè)R關(guān)節(jié)必須進(jìn)行如圖所示的偏置。 圖2.3 4(c)所示是 三個(gè)R關(guān)節(jié)組成的R RR手腕,它也可以實(shí)現(xiàn)手部RPY運(yùn) 動(dòng)。 圖2.3 4 (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(yùn)動(dòng),實(shí)際上不采用這種手腕。 此外, B關(guān)節(jié) 和R關(guān)節(jié)排列的次序不同,也會(huì)產(chǎn)生不同的效果,同時(shí)產(chǎn)生了 其它形式的三自由度手腕。 為了使手腕結(jié)構(gòu)緊湊,通常把兩 個(gè)B關(guān)節(jié)安裝在一個(gè)十字接頭上,這對(duì)于BB

5、R手腕來(lái)說(shuō),大 大減小了手腕縱向尺寸。 圖2.34三自由度手腕, ⑻BB R手腕;(b) BR R手腕;(c ) RRR手腕;(d) BBB手 腕 2.按驅(qū)動(dòng)方式來(lái)分手腕按驅(qū)動(dòng)方式來(lái)分,可分為直接驅(qū)動(dòng) 手腕和遠(yuǎn)距離傳動(dòng)手腕。 圖2.35所示為M o o g公司的一種液壓直接驅(qū)動(dòng)B BR手腕, 設(shè)計(jì)緊湊巧妙。 M 1、M2、M3是液壓馬達(dá),直接驅(qū)動(dòng)手腕 的偏轉(zhuǎn)、俯仰和翻轉(zhuǎn)三個(gè)自由度軸。 圖2 .36所示為一種遠(yuǎn)距離傳動(dòng)的 RB R手腕。川軸的轉(zhuǎn)動(dòng)使 整個(gè)手腕翻轉(zhuǎn),即第一個(gè)R關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)?!踺S的轉(zhuǎn)動(dòng)使手腕獲 得俯仰運(yùn)動(dòng),即第二個(gè)B關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。I軸的轉(zhuǎn)動(dòng)即第三個(gè) R 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)c軸一

6、離開紙平面后, RBR手腕便在三個(gè)自 由度軸上輸出RPY運(yùn)動(dòng)。 這種遠(yuǎn)距離傳動(dòng)的好處是可以把尺寸、重量都較大的驅(qū)動(dòng)源 放在遠(yuǎn)離手腕處,有時(shí)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(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)的 平衡性。 圖2.3 5液壓直接驅(qū)動(dòng)B BR手腕 圖 2. 3 6遠(yuǎn)距離傳動(dòng)R B R手腕 手腕的典型結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)手腕時(shí)除應(yīng)滿足啟動(dòng)和傳送過(guò)程中所需的輸出力矩外 , 還要求手腕結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,緊湊輕巧,避免干涉,傳動(dòng)靈活;多數(shù)情 況下,要求將腕部結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)部分安排在小臂上, 使外形整 齊;設(shè)法使幾個(gè)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)傳遞到同軸旋轉(zhuǎn)的心軸和多 層套筒上去,運(yùn)動(dòng)傳

7、入腕部后再分別實(shí)現(xiàn)各個(gè)動(dòng)作。 下面介 紹幾個(gè)常見的機(jī)器人手腕結(jié)構(gòu)。 圖2. 3 7所示為雙手懸掛式機(jī)器人實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)和左右擺動(dòng) 的結(jié)構(gòu)圖。 A -A剖面所表示的是油缸外殼轉(zhuǎn)動(dòng)而中心軸不 動(dòng),以實(shí)現(xiàn)手腕的左右擺動(dòng);B-B剖面所表示的是油缸外殼不 動(dòng)而中心軸回轉(zhuǎn), 以實(shí)現(xiàn)手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其油路的分布 如圖2.37所示。 圖2. 37手腕回轉(zhuǎn)和左右擺動(dòng)的結(jié)構(gòu)圖 圖2.3 8所示為PT -6 0 0型弧焊機(jī)器人手腕部結(jié)構(gòu)圖和傳動(dòng) 原理圖。由圖可以看出,這是一個(gè)具有腕擺與手轉(zhuǎn)兩個(gè)自由 度的手腕結(jié)構(gòu), 其傳動(dòng)路線為:腕擺電動(dòng)機(jī)通過(guò)同步齒形帶 傳動(dòng)帶動(dòng)腕擺諧波減速器 7,減速器的輸出軸帶動(dòng)腕擺框

8、 1 實(shí)現(xiàn)腕擺運(yùn)動(dòng);手轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)通過(guò)同步齒形帶傳動(dòng)帶動(dòng)手轉(zhuǎn)諧 波減速器10,減速器的輸出通過(guò)一對(duì)錐齒輪 9實(shí)現(xiàn)手轉(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng)。需要注意的是,當(dāng)腕擺框擺動(dòng)而手轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)時(shí),聯(lián) 接末端執(zhí)行器的錐齒輪在另一錐齒輪上滾動(dòng) ,將產(chǎn)生附加的 手轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),在控制上要進(jìn)行修正。 圖2.38 PT-6 0 0型弧焊機(jī)器人手腕結(jié)構(gòu)圖 圖2.39所示為K U K A I R-6 6 2/100型機(jī)器人的手腕傳 動(dòng)原理圖。這是一個(gè)具有 3個(gè)自由度的手腕結(jié)構(gòu),關(guān)節(jié)配置 形式為臂轉(zhuǎn)、腕擺、手轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。其傳動(dòng)鏈分成兩部分 :一 部分在機(jī)器人小臂殼內(nèi),3個(gè)電動(dòng)機(jī)的輸出通過(guò)帶傳動(dòng)分別 傳遞到同軸傳動(dòng)的心軸、中間套、

9、外套筒上;另一部分傳 動(dòng)鏈安排在手腕部,圖2.4 0所示為手腕部分的裝配圖。 圖2.39 K UKA IR-662/1 0 0型機(jī)器人手腕傳動(dòng)圖圖 2.40 KUK A IR-662/100型機(jī)器人手腕裝配圖 其傳動(dòng)路線為:(1)臂轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。臂部外套筒與手腕殼體 7通 過(guò)端面法蘭聯(lián)接,外套筒直接帶動(dòng)整個(gè)手腕旋轉(zhuǎn)完成臂轉(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng)。 (2) 腕擺運(yùn)動(dòng)。臂部中間套通過(guò)花鍵與空心軸 4聯(lián)接,空心 軸另一端通過(guò)一對(duì)錐齒輪 12、13帶動(dòng)腕擺諧波減速器的波 發(fā)生器16,波發(fā)生器上套有軸承和柔輪 14,諧波減速器的定 輪1 0與手腕殼體相聯(lián),動(dòng)輪1 1通過(guò)蓋1 8和腕擺殼體1 9 相固接,當(dāng)中間

10、套帶動(dòng)空心軸旋轉(zhuǎn)時(shí),腕擺殼體作腕擺運(yùn) 動(dòng)。 (3) 手轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。臂部心軸通過(guò)花鍵與腕部中心軸 2聯(lián)接,中 心軸的另一端通過(guò)一對(duì)錐齒輪 45、4 6帶動(dòng)花鍵軸4 1 ,花鍵 軸的一端通過(guò)同步齒形帶傳動(dòng) 44、3 6帶動(dòng)花鍵軸3 5,再 通過(guò)一對(duì)錐齒輪傳動(dòng) 33、17帶動(dòng)手轉(zhuǎn)諧波減速器的波發(fā)生 器25,波發(fā)生器上套有軸承和柔輪 29,諧波減速器的定輪31 通過(guò)底座34與腕擺殼體相聯(lián),動(dòng)輪24通過(guò)安裝架23與聯(lián)接 手部的法蘭盤3 0相固定,當(dāng)臂部心軸帶動(dòng)腕部中心軸旋轉(zhuǎn) 時(shí),法蘭盤作手轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 柔順手腕結(jié)構(gòu) 在用機(jī)器人進(jìn)行的精密裝配作業(yè)中, 當(dāng)被裝配零件之間的 配合精度相當(dāng)高,由于被裝

11、配零件的不一致性,工件的定 位夾具、機(jī)器人手爪的定位精度無(wú)法滿足裝配要求時(shí) ,會(huì)導(dǎo) 致裝配困難,因而,柔順性裝配技術(shù)有兩種: 一種是從檢測(cè)、 控制的角度出發(fā),采取各種不同的搜索方法 實(shí)現(xiàn)邊校正邊裝配;有的手爪還配有檢測(cè)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(dòng)柔順裝 配。另一種是從結(jié)構(gòu)的角度出發(fā), 在手腕部配置一個(gè)柔順 環(huán)節(jié),以滿足柔順裝配的需要,這種柔順裝配技術(shù)稱為被動(dòng) 柔順裝配。 圖2. 4 1帶檢測(cè)元件的手 圖2.42所示是具有移動(dòng)和擺動(dòng)浮動(dòng)機(jī)構(gòu)的柔順手腕。 水平浮 動(dòng)機(jī)構(gòu)由平面、鋼球和彈簧構(gòu)成,實(shí)現(xiàn)在兩個(gè)方向上進(jìn)行浮 動(dòng);擺動(dòng)浮動(dòng)機(jī)構(gòu)由上、下球

12、面和彈簧構(gòu)成 ,實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向 的擺動(dòng)。在裝配作業(yè)中,如遇夾具定位不準(zhǔn)或機(jī)器人手爪定位 不準(zhǔn)時(shí),可自行校正。 其動(dòng)作過(guò)程如圖2.43所示,在插入裝配中工件局部被卡住時(shí) 將會(huì)受到阻力, 促使柔順手腕起作用, 使手爪有一個(gè)微 小的修正量,工件便能順利插入。圖 2.4 4所示是另一種結(jié)構(gòu) 形式的柔順手腕, 其工作原理與上述柔順手腕相似。 圖2.4 5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(guò)板彈簧1、2聯(lián)接框架, 框架另兩個(gè)側(cè)面上 通過(guò)板彈簧3、4聯(lián)接平板和軸,裝配時(shí)通過(guò)4塊板彈簧的變 形實(shí)現(xiàn)柔順性裝配。圖 2.4 6所示是采用數(shù)根鋼絲彈簧并聯(lián) 組成的柔順手腕。 圖2. 42移動(dòng)擺動(dòng) 柔順手腕 圖 2. 43柔順手腕動(dòng)作過(guò)程 圖2. 44柔順手腕 鋼絲彈簧柔順手腕 圖2.45板彈簧柔順手腕 圖 2.46

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