機(jī)器人腕部結(jié)構(gòu)分析PPT課件

1、引言： 腕部是臂部和手部的連接件，起支承手部和改變手部姿態(tài)的作用。 第1頁/共38頁一、手腕的自由度第2頁/共38頁1手腕的自由度： 為了使手部能處于空間任意方向，要求腕部能實(shí)現(xiàn)對空間三個坐標(biāo)軸X、Y、 Z的 旋 轉(zhuǎn) 運(yùn) 動 。 這 便 是 腕 部 運(yùn) 動 的 三 個 自 由 度 ， 分 別 稱 為 翻 轉(zhuǎn) R（Roll）、俯仰P（Pitch）和偏轉(zhuǎn)Y（Yaw）。 并不是所有的手腕都必須具備三個自由度，而是根據(jù)實(shí)際使用的工作性能要求來確定。第3頁/共38頁手腕自由度圖例：腕部坐標(biāo)系手腕的偏轉(zhuǎn)手腕的俯仰手腕的回轉(zhuǎn)第4頁/共38頁二、手腕的設(shè)計(jì)要求 結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕； 動作靈活、平穩(wěn)，定位精度高；

2、 強(qiáng)度、剛度高； 與臂部及手部的連接部位的合理連接結(jié)構(gòu)，傳感器和驅(qū)動裝置的合理布局及安裝等。第5頁/共38頁三、手腕的分類第6頁/共38頁1按自由度的數(shù)目分（1）： 單自由度手腕： 手腕在空間可具有三個自由度，也可以具備以下單一功能： 單一的翻轉(zhuǎn)功能：手腕的關(guān)節(jié)軸線與手臂的縱軸線共線，?；剞D(zhuǎn)角度不受結(jié)構(gòu)限制，可以回轉(zhuǎn)360以上。該運(yùn)動用翻轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（R關(guān)節(jié)）實(shí)現(xiàn)。 單一的俯仰功能：手腕關(guān)節(jié)軸線與手臂及手的軸線相互垂直，轉(zhuǎn)角度受結(jié)構(gòu)限制，通常小于360。該運(yùn)動用折曲關(guān)節(jié)（B關(guān)節(jié)）實(shí)現(xiàn)。 單一的偏轉(zhuǎn)功能：手腕關(guān)節(jié)軸線與手臂及手的軸線在另一個方向上相互垂直；轉(zhuǎn)角度受結(jié)構(gòu)限制，通常小于360。該運(yùn)動用折曲

3、關(guān)節(jié)（B關(guān)節(jié)）實(shí)現(xiàn)。第7頁/共38頁單自由度手腕圖例：R手腕B手腕B手腕T手腕第8頁/共38頁1按自由度的數(shù)目分（2）： 二自由度手腕： 可以由一個R關(guān)節(jié)和一個B關(guān)節(jié)聯(lián)合構(gòu)成BR關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)，或由兩個B關(guān)節(jié)組成BB關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)，但不能由兩個RR關(guān)節(jié)構(gòu)成二自由度手腕，因?yàn)閮蓚€R關(guān)節(jié)的功能是重復(fù)的，實(shí)際上只起到單自由度的作用。第9頁/共38頁二自由度手腕圖例：BR手腕BB手腕RR手腕(屬于單自由度)第10頁/共38頁1按自由度的數(shù)目分（3）： 三自由度手腕： 有R關(guān)節(jié)和B關(guān)節(jié)的組合構(gòu)成的三自由度手腕可以有多種型式，實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)、俯仰和偏轉(zhuǎn)功能。第11頁/共38頁三自由度手腕圖例：BBR手腕BRR手腕R第12頁

4、/共38頁2按手腕的驅(qū)動方式分： 直接驅(qū)動手腕： 驅(qū)動源直接裝在手腕上。這種直接驅(qū)動手腕的關(guān)鍵是能否設(shè)計(jì)和加工出尺寸小、重量輕而驅(qū)動扭矩大、驅(qū)動性能好的驅(qū)動電機(jī)或液壓馬達(dá)。 遠(yuǎn)距離傳動手腕： 有時(shí)為了保證具有足夠大的驅(qū)動力，驅(qū)動裝置又不能做得足夠小，同時(shí)也為了減輕手腕的重量，采用遠(yuǎn)距離的驅(qū)動方式，可以實(shí)現(xiàn)三個自由度的運(yùn)動。第13頁/共38頁液壓直接驅(qū)動BBR手腕圖例：RBB偏轉(zhuǎn)俯仰回轉(zhuǎn)第14頁/共38頁遠(yuǎn)距離傳動手腕圖例：問題：1、各軸分別實(shí)現(xiàn)什么運(yùn)動？2、當(dāng)手腕進(jìn)行俯仰運(yùn)動時(shí)，能否同時(shí)進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動？回轉(zhuǎn)運(yùn)動俯仰運(yùn)動偏轉(zhuǎn)運(yùn)動第15頁/共38頁動作分解：偏轉(zhuǎn)運(yùn)動俯仰運(yùn)動回轉(zhuǎn)運(yùn)動第16頁/共38頁

5、四、典型結(jié)構(gòu)第17頁/共38頁1擺動液壓缸（又稱回轉(zhuǎn)液壓缸）： 結(jié)構(gòu)： 由缸體、隔板、葉片、花鍵套等主要部件構(gòu)成。其中葉片7固定在轉(zhuǎn)子上，用花鍵將轉(zhuǎn)子與驅(qū)動軸連接，用螺栓2將隔板與缸體連接。 工作原理： 在密封的缸體內(nèi)，隔板與活動葉片之間圍成兩個油腔，相當(dāng)油缸中的無桿腔和有桿腔。液壓力作用在活動葉片的端面上，對傳動軸中心產(chǎn)生力矩使被驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動。擺動缸轉(zhuǎn)角在270左右。第18頁/共38頁擺動液壓缸結(jié)構(gòu)圖：第19頁/共38頁2單自由度回轉(zhuǎn)運(yùn)動手腕 ： 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 機(jī)器人手部的張合是由汽缸驅(qū)動的，而手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動則由回轉(zhuǎn)液壓缸實(shí)現(xiàn)。 工作原理： 將夾緊汽缸的外殼與擺動油缸的動片連接在一起，當(dāng)擺動液壓

6、缸中不同的油腔中進(jìn)油時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)手腕不同方向的擺動。第20頁/共38頁單回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動手腕圖例：第21頁/共38頁3雙回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動手腕 ： 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 采用雙回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動，一個帶動手腕作俯仰運(yùn)動，另一個油缸帶動手腕作回轉(zhuǎn)運(yùn)動。 V-V視圖表示的回轉(zhuǎn)缸中動片帶動回轉(zhuǎn)油缸的剛體，定片與固定中心軸聯(lián)結(jié)實(shí)現(xiàn)俯仰運(yùn)動；L-L視圖表示回轉(zhuǎn)缸中動片與回轉(zhuǎn)中心軸聯(lián)結(jié)，定片與油缸缸體聯(lián)結(jié)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動。第22頁/共38頁雙回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動手腕圖例：第23頁/共38頁3輪系驅(qū)動的二自由度BR手腕： 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 由輪系驅(qū)動可實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)和俯仰運(yùn)動，其中手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動由傳動軸S傳遞，手腕的俯仰運(yùn)動由傳動軸B傳遞。第24頁/共

7、38頁輪系驅(qū)動二自由度手腕圖例（1）： 回轉(zhuǎn)運(yùn)動： 軸S旋轉(zhuǎn)錐齒輪副Z1、Z2錐齒輪副Z3、Z4手腕與錐齒輪Z4為一體手腕實(shí)現(xiàn)繞C軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動俯仰回轉(zhuǎn)第25頁/共38頁輪系驅(qū)動二自由度手腕圖例（2）： 俯仰運(yùn)動： 軸B旋轉(zhuǎn)錐齒輪副Z5、Z6軸A旋轉(zhuǎn)手腕殼體7與軸A固聯(lián)手腕實(shí)現(xiàn)繞A軸的俯仰運(yùn)動第26頁/共38頁輪系驅(qū)動二自由度手腕圖例（4）： 思考題： 圖中所示的情況，當(dāng)S軸不輸入，只有B軸輸入時(shí)，腕部存在哪些運(yùn)動，為什么？第27頁/共38頁輪系驅(qū)動二自由度手腕圖例（3）： 附加回轉(zhuǎn)運(yùn)動： 軸S不轉(zhuǎn)而B軸回轉(zhuǎn)錐齒輪Z3不轉(zhuǎn)錐齒輪Z3、Z4相嚙合迫使Z4繞C軸線有一個附加的自轉(zhuǎn)，即為附加回轉(zhuǎn)運(yùn)動。

8、 附加回轉(zhuǎn)運(yùn)動在實(shí)際使用時(shí)應(yīng)予以考慮。必要時(shí)應(yīng)加以利用或補(bǔ)償。第28頁/共38頁附加運(yùn)動動作分解：軸主動齒輪固定不動行星運(yùn)動第29頁/共38頁4輪系驅(qū)動的三自由度手腕： 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 該機(jī)構(gòu)為由齒輪、鏈輪傳動實(shí)現(xiàn)的偏轉(zhuǎn)、俯仰和回轉(zhuǎn)三個自由度運(yùn)動的手腕結(jié)構(gòu)。第30頁/共38頁輪系驅(qū)動三自由度手腕圖例（1）： 回轉(zhuǎn)運(yùn)動： 軸S旋轉(zhuǎn)齒輪副Z10/Z23、Z23/Z11錐齒輪副Z12、Z13錐齒輪副Z14、Z15手腕與錐齒輪Z15為一體手腕實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動俯仰回轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)第31頁/共38頁輪系驅(qū)動三自由度手腕圖例（2）： 俯仰運(yùn)動： 軸B旋轉(zhuǎn)齒輪副Z24/Z21，Z21/Z22齒輪副Z20、Z16齒輪副Z16、

9、Z17齒輪副Z17、Z18軸19旋轉(zhuǎn)手腕殼體與軸19固聯(lián)實(shí)現(xiàn)手腕的俯仰運(yùn)動第32頁/共38頁直線運(yùn)動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動：第33頁/共38頁輪系驅(qū)動三自由度手腕圖例（3）： 偏轉(zhuǎn)運(yùn)動： 油缸1中的活塞左右移動帶動鏈輪2旋轉(zhuǎn)錐齒輪副Z3/Z4帶動花鍵軸5、6旋轉(zhuǎn)花鍵軸6與行星架9連在一起帶動行星架及手腕作偏轉(zhuǎn)運(yùn)動第34頁/共38頁輪系驅(qū)動三自由度手腕圖例（4）： 附加俯仰運(yùn)動： 軸B、軸S不轉(zhuǎn)而T軸回轉(zhuǎn)齒輪Z23、Z21不轉(zhuǎn)當(dāng)行星架回轉(zhuǎn)時(shí)迫使齒輪Z22繞齒輪Z21的過程中自轉(zhuǎn)經(jīng)過Z20、Z16、Z17、Z18實(shí)現(xiàn)附加俯仰運(yùn)動第35頁/共38頁輪系驅(qū)動三自由度手腕圖例（5）： 附加回轉(zhuǎn)運(yùn)動： 軸B、軸S不轉(zhuǎn)而T軸回轉(zhuǎn)齒輪Z23、Z21不轉(zhuǎn)當(dāng)行星架回轉(zhuǎn)時(shí)迫使齒輪Z11繞齒輪Z23的過程中自轉(zhuǎn)經(jīng)過Z12、Z