§4-4手腕设计 概述 工业机罻人的腕部是联接手部与臂部的部件 起支承手部的作用。机票人一般具有六个自 度才能使手部(來端揉作器)达到目标位置和处 于期望的姿态,手腕上的自由度主要是实现所 期望的姿态。 为了使手部能处于空间任意方向,要求腕部 能实现对空间三个坐标轴Ⅹ、Y、乙的转动,即 具有翻转、俯仰和偏转三个自由度
一、概述 工业机器人的腕部是联接手部与臂部的部件， 起支承手部的作用。机器人一般具有六个自由 度才能使手部(末端操作器)达到目标位置和处 于期望的姿态，手腕上的自由度主要是实现所 期望的姿态。 为了使手部能处于空间任意方向，要求腕部 能实现对空间三个坐标轴X、Y、Z的转动，即 具有翻转、俯仰和偏转三个自由度。 §4-4手腕设计
如图436所示。通常也把手腕的翻转叫做Roll,用R表示:把 手腕的俯仰叫做 Pitch,用P表示,把手腕的偏转叫做Yaw,用 Y表示。 (b) (d) 图4-36手腕的自由度
如图4-36所示。通常也把手腕的翻转叫做Roll，用R表示：把 手腕的俯仰叫做Pitch，用P表示，把手腕的偏转叫做Yaw，用 Y表示
腕部实际所需要的旬由度数目应根 据机人的工作性能要求来确定。在有 些情况下,腕部具有两个自由度:翻转 和俯仰或翻转和偏转。一些专用机械手 甚至没有腕部,但有的腕部为了特殊要 求还有横向移动自由度。 因为手腕是安装在手臂的來端,所 以手腕的大小和重量是手腕设计时要考 虑的关键问题,希望能采用紧凑的结构, 合理的自由度
腕部实际所需要的自由度数目应根 据机器人的工作性能要求来确定。在有 些情况下，腕部具有两个自由度：翻转 和俯仰或翻转和偏转。一些专用机械手 甚至没有腕部，但有的腕部为了特殊要 求还有横向移动自由度。 因为手腕是安装在手臂的末端，所 以手腕的大小和重量是手腕设计时要考 虑的关键问题，希望能采用紧凑的结构， 合理的自由度
二、手腕的分类 L按自由度数目来分类: 可分为单自由度手腕、三自由度手腕、三 旬由度手腕。 (1)单自由度手腕 R○e 翻转 俯仰 图(a)是一种翻转(Rol)关 偏转 (b) 节,它把手臂纵轴线和 B 手腕关节轴线构成共轴 线形式,这种R关节旋 (c) (d) 图4-37单自由度手腕 转角度大,可达到360° (a)R手腕,(b)、(c)B手腕;(d)T手腕 以上
二、手腕的分类 1.按自由度数目来分类： 可分为单自由度手腕、二自由度手腕、三 自由度手腕。 图(a)是一种翻转(Roll)关 节，它把手臂纵轴线和 手腕关节轴线构成共轴 线形式，这种R关节旋 转角度大，可达到360° 以上。 (1)单自由度手腕
r eel 图C-是一种折曲 翻转 (Bend关节,关节轴线 俯仰 与前后两个连接件的轴 偏转 线相垂直。这种B关节因 为受到结构上的干涉, B 转角度小,大大限制了 移动 方向角。这和图438示 (c) 人的手腕差不多,即在 图4-37单自由度手腕 人的手腕的两个折弯 (a)R手腕,(b)、(c)B手腕;(d)T手腕 (Bend)自由度上,手的 左右偏转方向角(Yaw)只 有55°和15°[见图4 38(a),手的上下俯仰方 向角( Pitch)都只有85° 「见图438(b)]。图437 40-45° (d)所示为移动关节, 图4-38人类手腕的两个B关节 也叫T关节
图(b)、(c)是一种折曲 (Bend)关节，关节轴线 与前后两个连接件的轴 线相垂直。这种B关节因 为受到结构上的干涉， 转角度小，大大限制了 方向角。这和图4-38示 人的手腕差不多，即在 人的手腕的两个折弯 (Bend)自由度上，手的 左右偏转方向角(Yaw)只 有55 °和15 °[见图4- 38(a)]，手的上下俯仰方 向角(Pitch)都只有85 ° [见图4-38(b)]。图4.37 （d）所示为移动关节， 也叫T关节．
(2)三自由度手腕,如图4-39所示。二自由度手腕可以由一个R 关节和一个B关节组成BR手腕[见图4-39(a)];也可以由两个B关节 组成BB手腕[见图4-39(b)]。但是,不能由两个R关节组成RR手腕, 因为两个R关节共轴线,所以退化了一个旬由度,实际只构成了单 自由度手腕[见图4-39(1、 偏转 BARGE B B 翻转 俯仰 俯仰 R R 翻转 图4-39二自由度手腕 (a)BR手腕;(b)BB手腕;(c)RR手腕
(2)二自由度手腕，如图4-39所示。二自由度手腕可以由一个R 关节和一个B关节组成BR手腕[见图4-39(a)]；也可以由两个B关节 组成BB手腕[见图4-39(b)]。但是，不能由两个R关节组成RR手腕， 因为两个R关节共轴线，所以退化了一个自由度，实际只构成了单 自由度手腕[见图4-39(c)］．
(3)三自由度手腕,如图4-40所示。三自由度手腕可以由B关 节和R关节组成许多种形式。此外,B关节和R关节排列的次 序不同,也会产生不同的效果,也产生了其宅形式的三自由 度手腕。为了使手腕结构紧凑,通蒂把两个B关节安装在一个 十字接头上,这对于BBR手腕来说大大减小了手腕纵向尺寸。 俯仰 cyp偏转 翻转 B R 俯仰 R 翻转 (a) 偏转 R 俯仰(R 4(R(c 翻转 俯仰 俯仰 (c) (d) 图4-40三自由度手腕 (a)BBR手腕;(b)BRR手腕;(c)RRR手腕;(d)BBB手腕
(3)三自由度手腕，如图4-40所示。三自由度手腕可以由B关 节和R关节组成许多种形式。此外，B关节和R关节排列的次 序不同，也会产生不同的效果，也产生了其它形式的三自由 度手腕。为了使手腕结构紧凑，通常把两个B关节安装在一个 十字接头上，这对于BBR手腕来说大大减小了手腕纵向尺寸
2.按驱动方式分类 )直接驱动手腕。手腕因为装在手臂末端,所以必须 设计得十分紧凑,可以把驱动源装在手腕上。图441 所示是Mog公司的一种液巫直接驱动的BBR手腕,设 计紧凑巧妙。M、M2、M3是液压马达,直接驱动手腕 的偏转、俯仰和翻转三个自由度轴。这种直接驱动手 腕的关键是能否选到尺寸小、重量轻而驱动力矩大、 驱动特性好的驱动电机或液压驱动马达。 220° 偏转 270° 220° 翻转 俯仰 图4-41液压直接驱动BBR手腕 图4-42远距离传动RBR手腕
2.按驱动方式分类 (1)直接驱动手腕。手腕因为装在手臂末端,所以必须 设计得十分紧凑，可以把驱动源装在手腕上。图4-41 所示是Moog公司的一种液压直接驱动的BBR手腕，设 计紧凑巧妙。Ml、M2 、M3是液压马达,直接驱动手腕 的偏转、俯仰和翻转三个自由度轴。这种直接驱动手 腕的关键是能否选到尺寸小、重量轻而驱动力矩大、 驱动特性好的驱动电机或液压驱动马达
(2)远距离传动手腕,图442所示是一种远距离传动的RBR手 腕。Ⅲ轴的转动使整个手腕翻转,即第一个R关节运动。Ⅱ轴 的转动使手腕获得俯仰运动,即第二个B关节运动。轴的转动 即第三个R关节运动。当轴一离开纸平面后,RBR手腕便在三 个自由度轴上输出RPY运动。这种远距离传动的好处是可以把 尺寸、重量都较大的驱动源放在远离手腕处,有肘放在手臂的 后端作干衡重量用,不仅减轻手腕的整体质量,而且改善了机 器人整体结构的平衡性。 220° 偏转 270 220° 翻转 俯仰 W 6 图4-41液压直接驱动BBR手腕 图4-42远距离传动RBR手腕
(2)远距离传动手腕，图4-42所示是一种远距离传动的RBR手 腕。Ⅲ轴的转动使整个手腕翻转，即第一个R关节运动。Ⅱ轴 的转动使手腕获得俯仰运动，即第二个B关节运动。I轴的转动 即第三个R关节运动。当c轴一离开纸平面后，RBR手腕便在三 个自由度轴上输出RPY运动。这种远距离传动的好处是可以把 尺寸、重量都较大的驱动源放在远离手腕处，有时放在手臂的 后端作平衡重量用，不仅减轻手腕的整体质量，而且改善了机 器人整体结构的平衡性
假设、吳、9分别是轴I、轴I、轴Ⅲ的角位移(转角),a是锥齿轮1的锥顶角之半(锥齿 轮1、2、7具有相等的锥顶角),则对锥齿轮轮系进行计算可知: 第一个R关节 934=9 (4-11) 第二个B关节 Pa (2-9)tga 第三个R关节 g+%-2%) (4-13) 式中,94、%3、98分别是图4-42中3与4,8与3,7与8之间的相对角位移。 从公式(4-12)可知: 当9-9=0时,则93=0,c轴处于j轴正向 当9-g=2r/tga时,则g3=r,c轴处于j轴负向; 在c轴与j轴正向或负向重合时,该RBR手腕出现奇异状态,即自由度退化。并且c轴 与j轴负向重合是不可能发生的,因为结构的干涉使该手腕在俯仰上不可能有这么大的方向 角