2.4　腕部设计

2.4.1　腕部的作用、自由度与手腕的分类

（1）腕部的作用与自由度

工业机器人的腕部是连接手部与臂部的部件，起支承手部的作用。机器人一般要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，腕部的自由度主要用来实现所期望的姿态。

为了使手部能处于空间任意方向，要求腕部能实现绕空间三个坐标轴x、y、z的转动，即具有回转、俯仰和偏转三自由度，如图2-11所示。通常，把手腕的回转称为roll。用R 表示；把手腕的俯仰称为pitch，用P表示；把手腕的偏转称力yaw，用Y表示。

（2）手腕的分类

手腕按自由度数目可分为单自由度手腕、二自由度手腕、三自由度手腕等。

①单自由度手腕　单自由度手腕如图2-12所示。其中，图（a）所示为一种回转（roll）关节，它使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。图（b）、（c）所示为一种弯曲（bend）关节，也称为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，方向角大大受限。图（d）所示为移动（translate）关节，也称为T 关节。

②二自由度手腕　二自由度手腕如图2-13 所示，二自由度手腕可以是由一个B关节和一个R关节组成的BR 手腕［图2-13（a）］，也可以是由两个B关节组成的BB手腕［图2-13（b）］。但是，不能是由两个R 关节组成的RR 手腕，因为两个R关节共轴线，所以退化了一个自由度，实际只构成单自由度手腕［图2-13（c）］。自由度手腕中最常用的是BR 手腕。

③三自由度手腕　三自由度手腕可以是由B关节和R 关节组成的多种形式的手腕，但在实际应用中，常用的只有BBR、RRR、BRR 和RBR 四种形式的手腕，如图2-14所示。PUMA 262机器人的手腕采用的是RRR结构形式。MOTOMANSV3机器人的手腕采用的是RBR结构形式。

RRR结构形式的手腕主要用于喷涂作业。RBR结构形式的手腕具有三条轴线相交于一点的结构特点，又称欧拉手腕，运动学的求解简单，是一种主流的机器人手腕结构。

2.4.2　手腕关节的典型结构

（1）RBR手腕的典型结构

由前述内容可知，RBR手腕是关节型机器人主流手腕结构，具有三个自由度，分别称为小臂旋转关节（R轴）、手腕推动关节（B轴）和手腕旋转关节（T轴）。对于小负载机器人，手腕三个关节电动机一般布置在机器人小臂内部；对于中、大负载电动机，手腕三个关节电动机一般布置在机器人小臂的内部，以尽量减轻小臂重力的不平衡。下面讲述电动机内置于小臂内的典型结构。

①R轴的典型结构　为了实现小臂的旋转运动，小臂在结构上要做成前、后两段，其前段可以相对后段实现旋转运动。图2-15所示为R轴的典型结构，小臂分为后段2和前段5两段。前段5用一对圆锥滚子轴承4支承于后段2内。R轴驱动电动机1做旋转运动，通过谐波齿轮减速器3减速，其输出轴转盘带动小臂前段5旋转，实现小臂的旋转运动。B轴驱动电动机6和T轴驱动电动机7置于小臂前段5内。

②B轴的典型结构　图2-16所示为B轴和T轴的典型结构，B轴和T轴驱动电动机均沿小臂1轴线方向布置。B轴驱动电动机11输出的旋转运动，通过锥齿轮10改变方向后，由同步带9传递给谐波齿轮减速器8。谐波齿轮减速器的输出轴固定，减速器壳体旋转，带动安装于其上的手腕摆动，实现B轴运动。锥齿轮轴和B轴分别由向心球轴承支承。

③T轴的典型结构　T轴的运动传递与B轴相似。如图2-16所示，T轴驱动电动机2输出的旋转运动，通过锥齿轮3改变旋转方向后，由同步带4将运动传递给锥齿轮5，再次改变旋转方向后传递给谐波齿轮减速器6，谐波齿轮减速器6的输出轴直接带动手腕旋转，实现T轴运动。T轴由一对圆锥滚子轴承支承在手腕体内，T轴法兰盘7连接末段操作器。

在实际运用中，B轴、T轴驱动电动机也可以垂直与小臂轴线内置，电动机的输出轴直接与带轮相连，可以省去一对改变方向的锥齿轮。T轴电动机如果体积允许，也可以直接与减速器相连，省去中间的传动链，使结构大大简化。

电动机置于小臂末端的典型结构内。对于中、大型负载机器人，小臂和电动机的重量也随之增加很多，考虑到重力平衡问题，手腕三轴驱动电动机应尽量靠近小臂的末端布置，并超过肘关节旋转中心。图2-17所示为一手腕驱动电动机后置的典型传动原理，三轴驱动级内置于小臂手腕后段1内。

R轴驱动电动机D4 通过中空型RV减速器R4直接带动小臂前段2相对于后段旋转，实现R轴的旋转运动。B轴驱动电动机D5通过两端带齿轮的薄壁套筒3，将运动传递给R减速器R5，减速器R5轴带动手腕摆动，实现B轴的旋转运动。T轴驱动电动机D6通过实心细长轴4和一对锥齿轮，再通过带传动装置和一对锥齿轮，将运动传递给RV减速器R6，减速器R6的输出轴直接带动手腕法兰盘6转动，实现T轴的旋转运动。

（2）RRR手腕的典型结构

RRR手腕的三个关节轴线不相交于一点，与RBR手腕相比，其优点是三个关节均可实现360°的旋转，周转、灵活性和空间作业范围都得以增大。由于其手腕灵活性强，特别适合于进行复杂曲面及狭小空间内的喷涂作业，能够高效、高质量地完成喷涂任务。RRR 手腕按其相邻关节轴线夹角又可以分为正交型手腕（相邻轴线夹角90°）和偏交型手腕两种，如图2-18所示。

在实际喷涂作业中，需要接入气路、液路、电路等管线，若这些管线悬于机器人手臂外部，容易造成管线与喷涂对象之间的干涉，附着在管线上涂料的滴落也会对喷涂产品质量和生产安全造成影响。针对涂料工艺的特殊要求，中空结构的RRR 手腕得到了广泛应用。安装中空手腕后，各种管线就可以从机器人手腕内穿过与喷枪连接，使机器人变得整洁且易于维护。由于偏交型RRR 手腕中的管路弯曲角度较小，非相互垂直，不容易堵塞甚至折断管道，因而具有中空结构的偏交型RRR 手腕最适合于喷涂机器人。

图2-19所示为中空偏交型RRR 手腕的内部结构，置于小臂内部的三只驱动电动机的动力通过细长轴传递到腕部，再通过空心套筒驱动腕部的三个关节旋转。

（3）液压（气压）驱动的手腕典型站构

如果采用液压（气压）传动，选用摆动油（气）缸或液压（气压）马达来实现旋转运动。将驱动元件直接装在手腕上，可以使结构十分紧凑。图2-20所示为一种采用液压直接驱动的BBR 手腕，设计紧凑巧妙，其中M₁、 M₂、M₃是液压马达。直接驱动实现手腕的性能好坏的关键在于能否选到尺寸小、重量轻而驱动力矩大、驱动特性好的摆动油缸或液压马达。

2.4.3　MOTOMAN SV3机器人的手腕结构

MOTOMAN SV3机器人的腕关节由R轴、B轴和T轴组成，具有三个自由度，如图2-21所示。其中R轴以小臂中心线为轴线，由交流伺服电动机驱动，首先通过同步带传动，然后通过RV减速器减速，驱动小臂绕R轴旋转。为了减小转动惯量，其电动机安装在肘关节处，即和L轴的电动机交错安装。B轴的电动机轴线与R轴的轴线垂直，驱动B轴的交流伺服电动机安装在小臂内部末端，先通过同步带将动力传到B轴，然后通过谐波齿轮减速器减速，驱动腕关节做俯仰运动。T轴的轴线与B轴的轴线垂直，驱动电动机为伺服电动机，减速机构采用谐波齿轮减速器，驱动法兰盘（末端操作器机械口单元）绕T轴转动。T轴的驱动电动机直接安装在腕部，省去了中间传动链，通过谐波齿轮减速器，驱动法兰盘（末端操作器接口单元）绕T轴旋转。

由上面的分析可知，该机械手的驱动系统均采用交流伺服电动机驱动，而传动系统则采用谐波齿轮减速器、RV减速器和同步带传动。当要求末端操作器执行某个任务时由控制系统协调各轴的运动，按给定轨迹运动。

2.4.4　六自由度关节型机器人的关节布置与结构特点

目前，各大工业机器人厂商提供的通用型六自由度关节型机器人的机械结构从外观上看大同小异，相差不大。从本质上讲，关节布置和机身、臂部、手腕结构基本一致，如图2-22所示。

其关节布置和结构特点总结如下：

①从关节所起的作用来看：J₁、J₂和J₃前三个关节（轴）称为机器人的定位关节，决定了机器人手腕在空中的位置和作业范围；J₄、J₅和J₆后三个关节（轴）称为机器人的定向关节，决定了机器人手腕在空中的方向和姿态。

②从关节旋转的形式来看：J₁、J₄和J₆三个关节绕中心轴做旋转运动，动作角度较大； J₂、J₃和J₅三个关节绕中心轴摆动，动作角度较小。

③从关节布置特点上看：J₂关节轴线前置，偏移量为d，从而扩大了机器人向前的灵活性和作业范围；为了减小运动惯量，J₄小关节电动机要尽量向后放置，所以J₃和J₄关节轴线在空中呈十字垂直交叉，相距量为a；为了运动学求解计算方便最J₄、J₅和J₆三个关节轴线相交于一点，形成RBR 手腕结构。

④从电动机布置位置来看：对于小型机器人，J₁、J₂和J₃前三个关节电动机轴线与减速器轴线通常同轴，J₄、J₅和J₆后三个关节电动机内藏于小臂内部；对于中、大型机器人，J₁、J₂和J₃前三个关节电动机轴线与减速器轴线通常偏置，中间通过一级外啮合齿轮传递运动，而J₄、J₅和J₆后三个关节电动机后置于小臂末端，从而可减小运动惯量。