腕部机构

出处：按学科分类—工业技术 北京出版社《现代综合机械设计手册中》第2075页（2096字）

机器人操作手的腕部，是连接手部和臂部的关节部分，其作用是支承手部、并在臂部运动的基础上，进一步改变和调整手部在空间的方位和位置，以扩大操作手的动作范围。

腕部的基本运动是转动，也有少数设计成可以作短距离的移动。腕部最多可具有4个自由度。如图5．13-17所示，除有3个绕坐标轴X、Y、Z转动自由度外，还有一个平移自由度。通常称绕X轴的转动为旋转，绕Y轴的转动为俯仰，绕Z轴的转动为偏摆，沿Y轴的移动为横移。

图5．13-17 操作手腕部运动示意图

机器人操作手的腕部，可根据其工作任务和性质而定。对于动作简单的机械手，为简化结构，也可不设腕部，直接由臂部驱动手部。对于要求完成复杂动作的操作手，如弧焊、喷漆等，则必须设置具有多个自由度的腕部。

机器人操作手腕部关节动作的驱动方式，一般是用液压或气动直接驱动，或由电机通过减速装置(如齿轮、链轮、同步齿带传动等)驱动。几种基本的典型结构如下：

① 具有一个旋转关节的腕部。如图5．13一18所示，当高压气由主视图右下侧的管道11通入，经过进气口7(A-A剖面图中)进入摆动气缸1时，将推动动片4带着转轴3转动，使与其相固结的手部10旋转。动片转到与定片2接触时被限位。反之，当高压气从另一进气口6进入时，动片将带动手部作反方向转动，到与定片另一侧接触时被限位。手部的旋转角度，由动片与定片的接触位置情况予以确定。

图5．13-18 具有旋转关节的腕部

图5．13-19所示为单腕双手的腕部。手腕的转动由活塞齿条1带动齿轮轴2回转实现(见A-A剖面)，其特点是，手指的夹紧缸和手腕的回转缸可实现独立控制。由于油路①、②、③、④均布置在结构内部，因而结构紧凑，外形整齐美观。

图5．13-19 具有旋转关节的腕部

② 具有两个回转关节的腕部。

图5．13-20为具有旋转和偏摆关节的腕部。在A-A剖面所示回转油缸中，缸的外壳转动而中心轴不动，实现腕部摆动。在B-B剖面所示油缸中，缸的外壳不动而中心轴回转，实现腕部的旋转。图5．13-21所示为具有旋转和俯仰关节的腕部，其旋转由摆动油缸驱动，其中缸的外壳3相对不动，动片4与夹紧油缸的外壳5固结，并一起旋转。腕部的俯仰转动，由安装在手臂后部的摆动油缸通过齿轮和链轮传动实现的(也可用同步齿形带传动)，如图b)所示。这种腕部的特点是传动简单，结构紧凑、轻巧。

图5．13-20 具有旋转和偏摆关节的腕部

图5．13-21 具有旋转和俯仰关节的腕部

图5．13-22所示是另一种具有旋转和俯仰关节腕部的机构简图。其旋转运动由S轴驱动，通过锥齿1、2和3、4的啮合传动。因手部与锥齿轮4连为一体，从而可实现手部绕X轴的旋转。俯仰运动由B轴驱动，通过锥齿轮5、6，带动锥齿轮6绕A轴作回转。因手部的壳体7与轴A连为一体，从而实现手部绕y轴的俯仰。但由图可见，当锥轮6作俯仰运动时，将与锥轮3、4组成行星轮系(此时S轴不转，锥轮3为固定轮)，锥轮6的转动将迫使锥轮4绕x轴产生一附加的自转，即手部的附加旋转。这种附加运动通常被称为“诱导运动”，在设计分析手腕旋转时应注意予以补偿。一般采用控制S轴反向同步回转进行修正。

图5．13-22 具有旋转和俯仰关节的腕部

③ 具有三个回转关节的腕部。图5．13-23所示是具有旋转、俯仰、偏摆关节腕部的机构简图。由电机Ⅰ驱动，通过锥轮1，2，3、4以及同步带轮13、14、15和锥轮5、6传动，使锥轮6转动，手部19与锥轮6固结，以实现手部旋转。由电机Ⅱ驱动，通过锥轮7、8，9、10以及同步带轮16、17、18，使带轮18转动，以实现腕部的俯仰运动。由电机Ⅱ驱动，通过直齿轮11、12直接带动腕部完成偏摆运动。如前所述，在此机构中，无论是作俯仰或是偏摆运动，都将使手部产生附加的旋转运动，即“诱导运动”，设计分析时应予以补偿。

图5．13-23 具有旋转、俯仰和偏摆关节的腕部

上述的后两种采用轮系传动的腕部结构，均具有结构紧凑、重量轻、传动扭矩大等特点，可采用电机驱动，实行电控。