机器人手腕是连接末端操作器和手臂的部件,它的作用是调节或改变工件的方位, 因而它具有独立的自由度,以使机器人末端操作器适应复杂的动作要求。
工业机器人一般需要6个自由度才能使手部达到目标位置并处于期望的姿态。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,如图2.31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Yaw, 用Y表示。
图 2.31 手腕的自由度
(a) 绕z轴转动; (b) 绕y轴转动; (c) 绕x轴转动; (d) 绕x、 y、 z轴转动
2.2.1手腕的分类
1. 按自由度数目来分
手腕按自由度数目来分, 可分为单自由度手腕、 2自由度手腕和3自由度手腕。
(1) 单自由度手腕如图2.32所示。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形式。这种R关节旋转角度大, 可达到360°以上。 图(b)、 (c)是一种折曲(Bend)关节(简称B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, 旋转角度小, 大大限制了方向角。图(d)所示为移动关节。
图 2.32 单自由度手腕
(a) R手腕； (b) B手腕; (c) Y手腕； (d) T手腕
(2) 2自由度手腕 如图2.33所示。2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2.33(a))，也可以由两个B关节组成BB手腕(见图2.33(b))。但是, 不能由两个R关节组成RR手腕, 因为两个R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2.33(c)。
图 2.33 二自由度手腕
(a) BR手腕； (b) BB手腕; (c) RR手腕
(3) 3自由度手腕 如图2.34所示。3自由度手腕可以由B关节和R关节组成许多种形式。图2.34(a)所示是通常见到的BBR手腕, 使手部具有俯仰、偏转和翻转运动, 即RPY运动。图2.34(b)所示是一个B关节和两个R关节组成的BRR手腕, 为了不使自由度退化, 使手部产生RPY运动,第一个R关节必须进行如图所示的偏置。图2.34(c)所示是三个R关节组成的RRR手腕,它也可以实现手部RPY运动。图2.34(d)所示是BBB手腕, 很明显, 它已退化为二自由度手腕,只有PY运动,实际上不采用这种手腕。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,同时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。
图 2.34 三自由度手腕
(a) BBR手腕; (b) BRR手腕; (c) RRR手腕; (d) BBB手腕
2. 按驱动方式来分
手腕按驱动方式来分,可分为直接驱动手腕和远距离传动手腕。图2.35所示为Moog公司的一种液压直接驱动BBR手腕, 设计紧凑巧妙。 M1、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。图2.36所示为一种远距离传动的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,这不仅减轻了手腕的整体重量, 而且改善了机器人的整体结构的平衡性。
图 2.35 液压直接驱动BBR手腕
图 2.36 远距离传动RBR手腕
2.2.2手腕的典型结构
设计手腕时除应满足启动和传送过程中所需的输出力矩外, 还要求手腕结构简单,紧凑轻巧,避免干涉,传动灵活; 多数情况下，要求将腕部结构的驱动部分安排在小臂上, 使外形整齐; 设法使几个电动机的运动传递到同轴旋转的心轴和多层套筒上去, 运动传入腕部后再分别实现各个动作。下面介绍几个常见的机器人手腕结构。
图2.37所示为双手悬挂式机器人实现手腕回转和左右摆动的结构图。 A-A剖面所表示的是油缸外壳转动而中心轴不动, 以实现手腕的左右摆动；B-B剖面所表示的是油缸外壳不动而中心轴回转, 以实现手腕的回转运动。其油路的分布如图2.37所示。
图 2.37 手腕回转和左右摆动的结构图
图2.38所示为PT－600型弧焊机器人手腕部结构图和传动原理图。由图可以看出, 这是一个具有腕摆与手转两个自由度的手腕结构, 其传动路线为: 腕摆电动机通过同步齿形带传动带动腕摆谐波减速器7, 减速器的输出轴带动腕摆框1实现腕摆运动; 手转电动机通过同步齿形带传动带动手转谐波减速器10, 减速器的输出通过一对锥齿轮9实现手转运动。需要注意的是, 当腕摆框摆动而手转电动机不转时, 联接末端执行器的锥齿轮在另一锥齿轮上滚动, 将产生附加的手转运动, 在控制上要进行修正。
图 2.38 PT-600型弧焊机器人手腕结构图
图2.39所示为KUKA IR-662／100型机器人的手腕传动原理图。这是一个具有3个自由度的手腕结构, 关节配置形式为臂转、 腕摆、 手转结构。 其传动链分成两部分: 一部分在机器人小臂壳内, 3个电动机的输出通过带传动分别传递到同轴传动的心轴、中间套、 外套筒上; 另一部分传动链安排在手腕部, 图2.40所示为手腕部分的装配图。
图 2.39 KUKA IR-662/100型机器人手腕传动图
图 2.40 KUKA IR-662/100型机器人手腕装配图
其传动路线为:
(1) 臂转运动。臂部外套筒与手腕壳体7通过端面法兰联接,外套筒直接带动整个手腕旋转完成臂转运动。
(2) 腕摆运动。臂部中间套通过花键与空心轴4联接, 空心轴另一端通过一对锥齿轮12、13带动腕摆谐波减速器的波发生器16, 波发生器上套有轴承和柔轮14,谐波减速器的定轮10与手腕壳体相联, 动轮11通过盖18和腕摆壳体19相固接, 当中间套带动空心轴旋转时, 腕摆壳体作腕摆运动。
(3) 手转运动。臂部心轴通过花键与腕部中心轴2联接, 中心轴的另一端通过一对锥齿轮45、46带动花键轴41, 花键轴的一端通过同步齿形带传动44、36带动花键轴35, 再通过一对锥齿轮传动33、17带动手转谐波减速器的波发生器25, 波发生器上套有轴承和柔轮29, 谐波减速器的定轮31通过底座34与腕摆壳体相联,动轮24通过安装架23与联接手部的法兰盘30相固定, 当臂部心轴带动腕部中心轴旋转时, 法兰盘作手转运动。
2.2.3柔顺手腕结构
在用机器人进行的精密装配作业中, 当被装配零件之间的配合精度相当高, 由于被装配零件的不一致性, 工件的定位夹具、 机器人手爪的定位精度无法满足装配要求时, 会导致装配困难, 因而, 柔顺性装配技术有两种。一种是从检测、 控制的角度出发, 采取各种不同的搜索方法, 实现边校正边装配; 有的手爪还配有检测元件, 如视觉传感器(如图 2.41 所示)、力传感器等, 这就是所谓主动柔顺装配。 另一种是从结构的角度出发, 在手腕部配置一个柔顺环节, 以满足柔顺装配的需要, 这种柔顺装配技术称为被动柔顺装配。
图 2.41 带检测元件的手
图2.42所示是具有移动和摆动浮动机构的柔顺手腕。水平浮动机构由平面、钢球和弹簧构成,实现在两个方向上进行浮动; 摆动浮动机构由上、下球面和弹簧构成, 实现两个方向的摆动。在装配作业中,如遇夹具定位不准或机器人手爪定位不准时, 可自行校正。其动作过程如图2.43所示, 在插入装配中工件局部被卡住时,将会受到阻力, 促使柔顺手腕起作用, 使手爪有一个微小的修正量,工件便能顺利插入。图2.44所示是另一种结构形式的柔顺手腕, 其工作原理与上述柔顺手腕相似。 图2.45所示是采用板弹簧作为柔性元件组成的柔顺手腕, 在基座上通过板弹簧1、2联接框架, 框架另两个侧面上通过板弹簧3、4联接平板和轴,装配时通过4块板弹簧的变形实现柔顺性装配。图2.46所示是采用数根钢丝弹簧并联组成的柔顺手腕。
图 2.42 移动摆动柔顺手腕
图 2.43 柔顺手腕动作过程
图 2.44 柔顺手腕 图 2.45 板弹簧柔顺手腕 图 2.46 钢丝弹簧柔顺手腕