机器人腕部结构分析.ppt
机器人腕部结构,主讲 郝建豹,引言:,腕部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。,一、手腕的自由度,1手腕的自由度:,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的旋转运动。这便是腕部运动的三个自由度,分别称为翻转R(Roll)、俯仰P(Pitch)和偏转Y(Yaw)。并不是所有的手腕都必须具备三个自由度,而是根据实际使用的工作性能要求来确定。,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,二、手腕的设计要求,结构紧凑、重量轻;动作灵活、平稳,定位精度高;强度、刚度高;与臂部及手部的连接部位的合理连接结构,传感器和驱动装置的合理布局及安装等。,三、手腕的分类,1按自由度的数目分(1):,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:单一的翻转功能:手腕的关节轴线与手臂的纵轴线共线,常回转角度不受结构限制,可以回转360以上。该运动用翻转关节(R关节)实现。单一的俯仰功能:手腕关节轴线与手臂及手的轴线相互垂直,转角度受结构限制,通常小于360。该运动用折曲关节(B关节)实现。单一的偏转功能:手腕关节轴线与手臂及手的轴线在另一个方向上相互垂直;转角度受结构限制,通常小于360。该运动用折曲关节(B关节)实现。,单自由度手腕图例:,R手腕,B手腕,B手腕,T手腕,1按自由度的数目分(2):,二自由度手腕:可以由一个R关节和一个B关节联合构成BR关节实现,或由两个B关节组成BB关节实现,但不能由两个RR关节构成二自由度手腕,因为两个R关节的功能是重复的,实际上只起到单自由度的作用。,二自由度手腕图例:,BR手腕,BB手腕,RR手腕(属于单自由度),1按自由度的数目分(3):,三自由度手腕:有R关节和B关节的组合构成的三自由度手腕可以有多种型式,实现翻转、俯仰和偏转功能。,三自由度手腕图例:,BBR手腕,BRR手腕,R,2按手腕的驱动方式分:,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。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。,液压直接驱动BBR手腕图例:,R,B,B,偏转,俯仰,回转,远距离传动手腕图例:,问题:1、各轴分别实现什么运动?2、当手腕进行俯仰运动时,能否同时进行回转运动?,回转运动,俯仰运动,偏转运动,动作分解:,偏转运动,俯仰运动,回转运动,四、典型结构,1摆动液压缸(又称回转液压缸):,结构:由缸体、隔板、叶片、花键套等主要部件构成。其中叶片7固定在转子上,用花键将转子与驱动轴连接,用螺栓2将隔板与缸体连接。工作原理:在密封的缸体内,隔板与活动叶片之间围成两个油腔,相当油缸中的无杆腔和有杆腔。液压力作用在活动叶片的端面上,对传动轴中心产生力矩使被驱动轴转动。摆动缸转角在270左右。,摆动液压缸结构图:,2单自由度回转运动手腕:,结构特点:机器人手部的张合是由汽缸驱动的,而手腕的回转运动则由回转液压缸实现。工作原理:将夹紧汽缸的外壳与摆动油缸的动片连接在一起,当摆动液压缸中不同的油腔中进油时,即可实现手腕不同方向的摆动。,单回转油缸驱动手腕图例:,3双回转油缸驱动手腕:,结构特点: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。V-V视图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;L-L视图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转运动。,双回转油缸驱动手腕图例:,3轮系驱动的二自由度BR手腕:,结构特点: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。,轮系驱动二自由度手腕图例(1):,回转运动:轴S旋转锥齿轮副Z1、Z2锥齿轮副Z3、Z4手腕与锥齿轮Z4为一体手腕实现绕C轴的旋转运动,俯仰,回转,轮系驱动二自由度手腕图例(2):,俯仰运动:轴B旋转锥齿轮副Z5、Z6轴A旋转手腕壳体7与轴A固联手腕实现绕A轴的俯仰运动,轮系驱动二自由度手腕图例(4):,思考题:图中所示的情况,当S轴不输入,只有B轴输入时,腕部存在哪些运动,为什么?,轮系驱动二自由度手腕图例(3):,附加回转运动:轴S不转而B轴回转锥齿轮Z3不转锥齿轮Z3、Z4相啮合迫使Z4绕C轴线有一个附加的自转,即为附加回转运动。附加回转运动在实际使用时应予以考虑。必要时应加以利用或补偿。,附加运动动作分解:,轴主动,齿轮固定不动,行星运动,4轮系驱动的三自由度手腕:,结构特点:该机构为由齿轮、链轮传动实现的偏转、俯仰和回转三个自由度运动的手腕结构。,轮系驱动三自由度手腕图例(1):,回转运动:轴S旋转齿轮副Z10/Z23、Z23/Z11锥齿轮副Z12、Z13锥齿轮副Z14、Z15手腕与锥齿轮Z15为一体手腕实现旋转运动,俯仰,回转,偏转,轮系驱动三自由度手腕图例(2):,俯仰运动:轴B旋转齿轮副Z24/Z21,Z21/Z22齿轮副Z20、Z16齿轮副Z16、Z17齿轮副Z17、Z18轴19旋转手腕壳体与轴19固联实现手腕的俯仰运动,直线运动转化为旋转运动:,轮系驱动三自由度手腕图例(3):,偏转运动:油缸1中的活塞左右移动带动链轮2旋转锥齿轮副Z3/Z4带动花键轴5、6旋转花键轴6与行星架9连在一起带动行星架及手腕作偏转运动,轮系驱动三自由度手腕图例(4):,附加俯仰运动:轴B、轴S不转而T轴回转齿轮Z23、Z21不转当行星架回转时迫使齿轮Z22绕齿轮Z21的过程中自转经过Z20、Z16、Z17、Z18实现附加俯仰运动,轮系驱动三自由度手腕图例(5):,附加回转运动:轴B、轴S不转而T轴回转齿轮Z23、Z21不转当行星架回转时迫使齿轮Z11绕齿轮Z23的过程中自转经过Z12、Z13、Z14、Z15实现附加回转运动,思考题:1、当B轴、T轴分别回转时,手腕存在哪些运动,为什么?2、齿轮24、22所在的轴能否做成一体,为什么?3、齿轮17作的什么运动?俯仰运动轮系属于什么轮系,试分析其运动。,