第四章 臂部手腕设计--工业机器人

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。下图手腕就可实现RPY运动。
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。
(3)手部的通用性比较差。工业机器人手部通常是 专用的装置，比如：一种手爪往往只能抓握一种或 几种在形状、尺寸、重量等方面相近似的工件；一 种工具只能执行一种作业任务。
(4)手部是一个独立的部件。假如把手腕归属于手 臂，那么工业机器人机械系统的三大件就是机身、 手臂和手部(未端操作器)。手部对于整个工业机器人 来说是完成作业好坏、作业柔性好坏的关键部件之 一。具有复杂感知能力的坦l能化手爪的出现，增加 了工业机器人作业的灵活性和可靠性。
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
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。
(1)单自由度手腕
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
• 二、手臂的常用结构
• 1.手臂直线运动机构
• 机器人手臂的伸缩、横向移动均属于直线运 动。实现手臂往复直线运动的机构形式比较多， 常用的有活塞油(气)缸、齿轮齿条机构、丝杠螺 母机构以及连杆机构等。由于活塞油(气)缸的体 积小、重量轻，因而在机器人的手臂结构中应用 比较多。
• 2.手臂回转运动机构
有一种弹钢琴的表演机器人的手部已经与人手十 分相近，具有多个多关节手指,一个手的自由度达到 20余个，每个自由度独立驱动。目前工业机器人手 部的自由度还比较少，把具备足够驱动力量的多个 驱动源和关节安装在紧凑的手部里是十分困难的。 本节主要介绍和讨论手爪(Gripper)式手部的原理和 设计，因为它具有一定的通用性。而喷漆枪、焊具 之类的专用工具(Specialtooi)是行业性专业工具，不 予介绍。
臂部作水平伸缩运动时，首先要克服摩擦阻力， 包括油（气）缸与活塞之间的摩擦阻力及导向杆与 支承滑套之间的摩擦阻力等，还要克服启动过程中 的惯性力。驱动力Pq(N)可按下式计算：
Pq Fm Fg
2、臂部回转运动驱动力矩的计算
臂部回转运动驱动力矩应根据启动时产生的惯性力矩 与回转部件支承处的摩擦力矩来计算。由于升速过程一 般不是等加速运动，故最大驱动力矩要比理论平均值大 一些，一般取平均的1.3倍。驱动力矩 M q (可N 按• m下) 式计 算：
工业机器人手部的特点：
(1)手部与手腕相连处可拆卸。手部与手腕有机械 接口，也可能有电、气、液接头，当工业机器人作 业对象不同时，可以方便地拆卸和更换手部。
(2)手都是工业机器人末端操作器。它可以像人手 那样具有手指，也可以是不具备手指的手；可以是 类人的手爪，也可以是进行专业作业的工具，比如 装在机器人手腕上的喷漆枪、焊接工具等。
释放——在指定点上除去手爪和工件之间的约束关系。图4-46所 示的手爪夹持圆柱工件，尽管夹紧力足够大，在工件和手爪接 触面上有足够的摩擦力来支承工件重量，但是从运动学观点来 看，约束条件是不够的，不能保证工件在手爪上的准确定位。
(2)工具。是进行某种作业的专用工具，如喷漆枪，焊具 等，如图4-47所示。
2.按夹持原理分
图4-48所示为机械类、磁力类和真空类三种手爪的分类。机械类手爪 有靠摩擦力夹持和吊钩承重两类，前者是有指手爪，后者是无指手爪。 产生夹紧力的驱动源可以有气动、液动、电动和电磁四种。磁力类手爪 主要是磁力吸盘，有电磁吸盘和永磁吸盘两种。真空类手爪是真空式吸 盘，根据形成真空的原理可分为真空吸盘、气流负压吸盘、挤气负压吸 盘三种。磁力手爪及真空手爪是无指手爪。
§4-5 手部设计
一、概述
工业机器人的手部(Hand)也叫做末端 操作器(End-effector)，它是装在工业机器 人手腕上直接抓握工件或执行作业的部 件。人的手有两种含义：第一种含义是 医学上把包括上臂、手腕在内的整体叫 做手；第二种含义是把手掌和手指部分 叫做手。工业机器人的手部接近于第二 种含义。
§4-3臂部设计
•
工业机器人的臂部一般具有2～3个自由度，
即伸缩、回转或俯仰。臂部总重量较大，受力一
般较复杂，在运动时，直接承受腕部、手部和工
件(或工具)的静、动载荷，尤其高速运动时，将产
生较大的惯性力(或惯性力矩)，引起冲击，影响定
位的准确性。
• 一、臂部设计的基本要求
• 臂部的结构形式必须根据机器人的运动形式、 抓取重量、动作自由度、运动精度等因素来确定。 同时,设计时必须考虑到手臂的受力情况、油(气) 缸及导向装置的布置、内部管路与手腕的连接形 式等因素。因此设计臂部时一般要注意下述要求：
(2)二自由度手腕
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[图(a)]；也可以由两个B关节组成BB手腕[图 (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[图(c)］．
(3)三自由度手腕，如图所示。三自由度手腕可
• 1.刚度要求高 • 为防止臂部在运动过程中产生过大的变形，
手臂的截面形状要合理选择。工字形截面弯曲刚 度一般比圆截面大；空心管的弯曲刚度和扭转刚 度都比实心轴大得多，所以常用钢管作臂杆及导 向杆，用工字钢和槽钢作支承板。
• 2.导向性要好 • 为防止手臂在直线运动中，沿运动轴线发生
相对转动，所以要设置导向装置，或设计方形、 花键等形式的臂杆。
三、手腕设计举例
图中所示为具有两个自由度的手腕，是一种BR 手腕。手腕翻转由回转油缸3驱动，其中回转油缸壳 体相对不动，而动片与夹紧油缸5的外壳固联并一起 回转。手腕上下摆动即轴2的俯仰，是由安装在手臂 尾部的回转油缸4通过一对齿轮、链轮、链条及手腕 上的链轮实现的。此手腕具有传动简单，结构紧凑 和轻巧等特点。
• 实现机器人手臂回转运动的机构形式是多种 多样的，常用的有叶片式回转缸、齿轮传动机构、 链轮传动机构、活塞缸和连杆机构等。
•
•
下图所示为采用活塞缸和连杆机构的一种双
臂机器人手臂的结构图。手臂的上下摆动由饺接
活塞由缸和连杆机构来实现。当活塞油缸1的两
腔通压力油时，通过连杆2带动曲柄3(即手臂)绕
轴心 O 作 90的上下摆动(如双点划线所示位置)。
二、手部的分类
1.按用途分
(1)手爪。具有一定的通用性，它的 主要功能是：抓住工件，握持工件， 释放工件。
抓住——在给定的目标位置和期望 姿态上抓住工件，工件在手爪内必须 具有可靠的定位，保持工件与手爪之 间准确的相对位，以保证机器人后续 作业的准确性。
握持——确保工件在搬运过程中或 零件在装配过程中定义了的位置和姿 态的准确性。
手爪设计和选用首先要考虑的是什么样的工件要被抓握。 (1)几因何此参,必数须有充：分了解工件的几何形状、机械特性。
手臂下摆到水平位置时，其水平和侧向的定位由
支承架4上的定位螺钉6和5来调节。此手臂结构
具有传动结构简单、紧凑和轻巧等特点。
三、臂部运动驱动力计算
计算臂部运动驱动力（包括力矩）时，要把臂 部所受的全部负荷考虑进去。机器人工作时，臂部 所受的负荷主要有惯性力、摩擦力和重力等。 1、 臂部水平伸缩运动驱动力的计算
(2)智能化手爪。手爪具备一种或多种传感器，如力传感 器、触觉传感器、滑觉传感器等，手爪与传感器集成成为 智能化手爪(IntelligentGrippers)。
三、手爪设计和选用的要求手爪设计和选用最主要的是满足 功能上的要求，具体来说要在下面几个方面进行调查，提 出设计参数和要求。
1.被抓握的对象物
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
(1)直接驱动手腕。
手腕因为装g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，图中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。
§4-4手腕设计
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，如下图所示。
M q 1.3* (M m M g )
对于活塞、导向套筒和油（气）缸等的转动惯 量都要做详细计算，因为这些零件的重量较大或回 转半径较大，对总的计算结果影响也较大；对于小 零件则可作为质点计算其转动惯量，对其质心转动 惯量则忽略不计。对于形状复杂的零件，可划分为 几个简单的零件分别进行计算，其中有的部分可当 作质点计算。各种几何截面和几何形体的转动惯量 可查阅力学手册或其他有关手册。