臂部机构

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2078页（1994字）

机器人操作手的臂部，其作用是支承腕部，并将腕部(连同被夹持的工件)送到指定的位置和方位，通常需有三个自由度。常用的运动关节有转动和移动两类。

手臂是主要承载件，特别是在重载、高速运动时，还将承受较大的动载，直接影响到操作手的刚度和稳定性，以及定位精度等性能。操作手臂部关节的典型结构如下：

① 移动关节。这是操作手臂部作直线运动的机构，如手臂的升降、伸缩和横移等。可以实现直线往复移动的机构很多，常用的有液压、气动、齿轮齿条机构、螺旋机构等。图5．13-24所示为液压驱动的手臂升降结构。当升降缸上下两腔通压力油时活塞杆1作上下升降运动。为防止活塞杆自由转动，需有导向装置。其导向作用由活塞体内的花键轴套3和花键轴2来实现。图中4是位移传感器，用以实现位置信号的反馈和控制。此结构的特点是：内部导向，活塞杆直径大，刚度大，传动平稳。

图5．13-24 具有升降关节的臂部

图5．13-25所示为液压驱动的齿轮齿条式增倍机构的手臂伸缩关节结构。活塞杆3在液压作用下向左移动时，与活塞杆相铰接的齿轮2也左移。由于齿轮2与固定齿条4相啮合，其啮合节点速度为零，齿轮2在该瞬时绕啮合节点作转动，因而使活动齿条1将以2倍活塞杆的速度左移，增大手臂(与活动齿条相固结)的运动速度。

图5．13-25 具有伸缩关节的臂部

图5．13-26所示是用丝杆螺母传动的手臂升降机构。由电机(图中未画出)驱动蜗杆1而使蜗轮5转动，再通过与蜗轮固结的螺母套2带动丝杆4作升降运动。为了防止丝杆的自由转动，在丝杆上端铣有花键与固定在机体6的花键套7组成导向装置。这种机构具有传动平稳、无噪音、位移精度高等优点，且由于丝杆的螺旋升角较小，有自锁性，可用较小的驱动力矩获得较大的推力。但丝杆与螺母间为滑动摩擦，故传动效率低。采用滚珠丝杆传动，可以大大提高效率，但选用材料和工艺要求较高。

图5．13-26 具有升降关节的臂部

② 转动关节。实现操作手手臂回转运动的机构有多种，常用的有叶片式回转缸、齿轮机构、带轮机构、连杆机构、摩擦轮机构等。图5．13-27所示是作伸缩和回转运动的臂部结构图。手臂1的回转运动由两级油缸9、10通过齿轮齿条传动实现。在齿条活塞杆8和油缸9一起作往复移动时(见A-A剖面)，活塞杆8的齿条带动齿轮6回转，通过键和花键连接，使活塞杆5转动，而手臂1与活塞杆5固接。当活塞套9行程L₁时手臂转动90°，活塞杆8移动L₂=L₁时，手臂再转90°，因而手臂回转时可有三个定位点。

图5．13-27 具有转动关节的臂部

图5．13-28所示为多关节型操作手。其中，图a)为一机器人操作手的外形，具有六个自由度，即腕部三个自由度(绕α、β、γ轴转动)，臂部三个自由度(绕U、W、θ轴转动)。图b)表示机身通过交叉滚子轴承被支承在基座上，机身的转动(θ轴)由交流伺服电机通过减速器减速后带动实现。图c)表示另两个自由度的转动，即W臂的转动直接由W电机通过减速器驱动；而U臂的转动则由U电机经过减速器驱动连杆1，再通过连杆2带动U臂转动。由于连杆机构ABCD是平行四边形，从而保证了U臂和连杆1的同步转动。操作手中目前常用的是谐波齿轮传动减速器。这种减速器具有减速比大(1／60～1／300)、效率高(75%～90%)、重量轻、体积小、空回小和传动精度高等优点。但由于其中的传动件柔轮为变形件，因此扭转刚度差。

图5．13-28 多关节型操作手

图5．13-29所示为又一机器人操作手的结构，为水平关节型，具有4个自由度(θ₁、θ₂、θ₃、Z)。其特点是，两臂的转动采用直接驱动电机；大臂5和立柱3固结在一起，而立柱的下端和电机的转子为一体。当驱动电机1转动时，即带动立柱和大臂一起转动。小臂11的转动由电机2直接带动作为转子的中心轴4和其上端的摩擦轮6，再通过钢带7传动。两臂的转动都设有位移传感器，以实现位置控制。由于采用直接驱动电机，因而可使操作手的结构简化，性能得到提高。

图5．13-29 水平关节型操作手