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1、
詳解機器人手腕結構圖
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【詳解】機器人手腕結構圖
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(jié)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(yè)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(tài)。為了使手部能處于空間任意方向 ,要求腕部能實現(xiàn)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. 3 1所示。通常也把手腕的翻轉叫做 Ro 1
l,用R表示;把手腕的俯仰叫做 Pi tch,用P表示;把手 腕的偏轉叫Yaw ,用丫表示。
圖2.31手腕的自由度(a
2、)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(shù)目來分手腕按自由度數(shù)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(R o II)關節(jié),它把手臂縱軸線和手腕關節(jié)軸線構成共軸形式。這 種R關節(jié)旋轉角度大,可達到3 6 0°以上。圖(b)、 (c)是
一種折曲(Ben d )關節(jié)(簡稱B關節(jié)),關節(jié)軸線與前后兩個 連接件的軸線相垂直。這種 B關節(jié)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(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R關節(jié)和一個B關節(jié)組成B R手腕(見圖2 .3 3 (a)),也可 以由兩個B關節(jié)組成BB手腕(見圖2.33(b))。但是,不能由 兩個R關節(jié)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) 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
關節(jié)和R關節(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、偏轉和翻轉運動 ,即RP
Y運動。圖2. 3 4(b)所示是一個B關節(jié)和兩個 R關節(jié)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(jié)必須進行如圖所示的偏置。 圖2.3 4(c)所示是
三個R關節(jié)組成的R RR手腕,它也可以實現(xiàn)手部RPY運 動。
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運動,實際上不采用這種手腕。 此外, B關節(jié) 和R關節(jié)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(jié)安裝在一個十字接頭上,這對于BB
5、R手腕來說,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M o o g公司的一種液壓直接驅動B BR手腕, 設計緊湊巧妙。 M 1、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 RB R手腕。川軸的轉動使
整個手腕翻轉,即第一個R關節(jié)運動?!踺S的轉動使手腕獲 得俯仰運動,即第二個B關節(jié)運動。I軸的轉動即第三個 R
關節(jié)運動。當c軸一
6、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2.3 5液壓直接驅動B BR手腕
圖 2. 3 6遠距離傳動R B R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(shù)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
7、入腕部后再分別實現(xiàn)各個動作。 下面介
紹幾個常見的機器人手腕結構。
圖2. 3 7所示為雙手懸掛式機器人實現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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2.3 8所示為PT -6 0 0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
8、 1
實現(xiàn)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(xiàn)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(lián) 接末端執(zhí)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-6 0 0型弧焊機器人手腕結構圖
圖2.39所示為K U K A I R-6 6 2/100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(jié)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、
9、外套筒上;另一部分傳
動鏈安排在手腕部,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型機器人手腕傳動圖圖 2.40
KUK A 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(lián)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(lián)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(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),動輪1 1通過蓋1 8和腕擺殼體1 9 相固接,當中間
10、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(lián)接,中
心軸的另一端通過一對錐齒輪 45、4 6帶動花鍵軸4 1 ,花鍵 軸的一端通過同步齒形帶傳動 44、3 6帶動花鍵軸3 5,再 通過一對錐齒輪傳動 33、17帶動手轉諧波減速器的波發(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 通過底座34與腕擺殼體相聯(lián),動輪24通過安裝架23與聯(lián)接 手部的法蘭盤3 0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(yè)中, 當被裝配零件之間的
配合精度相當高,由于被裝
11、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(fā),采取各種不同的搜索方法 實現(xiàn)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(fā), 在手腕部配置一個柔順
環(huán)節(jié),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. 4 1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(xiàn)在兩個方向上進行浮 動;擺動浮動機構由上、下球
12、面和彈簧構成 ,實現(xiàn)兩個方向
的擺動。在裝配作業(yè)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 2.4 4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2.4 5所示是采用板彈簧作為柔性元件組成的柔順手腕 在基座上通過板彈簧1、2聯(lián)接框架, 框架另兩個側面上
通過板彈簧3、4聯(lián)接平板和軸,裝配時通過4塊板彈簧的變
形實現(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移動擺動
柔順手腕 圖
2. 43柔順手腕動作過程
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