工业机器人的腕部和手部结构

工业机器人的腕部起到支承手部的作用，机器人一般具有6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。作为 一种通用性较强的自动化作业设备，工业机器人的末端执行器（手部）是直接执行作业任务 的装置，大多数手部的结构和尺寸都是根据其不同的作业任务要求来设计的，从而形成了多 种多样的结构形式。

1.腕部结构的基本形式和特点

手腕是连接末端执行器和手臂的部件，通过手腕调整或改变工件的方位，它具有独立的 自由度，以便机器人末端执行器适应复杂的动作要求。手腕一般需要3个自由度，由3个回 转关节组合而成。组合的方式多种多样，常用的如图4.8所示。为说明手腕回转关节的组合 形式，各回转方向的定义分别如下：

（1）. 绕小臂轴线方向的旋转称为臂转。 （2）. 使末端执行器相对于手臂进行的摆动称为腕摆。 （3）. 末端执行器（手部）绕自身轴线方向的旋转称为手转。

2.手腕运动的分类 按转动特点的不同，用于手腕关节的转动又可细分为滚转和弯转两种。

图4.9 (a)所示 为滚转，其特点是相对转动的两个零件的回转轴线重合，因而能实现360°无障碍旋转的关节 运动，滚转通常用R来标记。

图4.9 (b)所示为弯转，其特点是两个零件的转动轴线相互垂 直，这种运动会受到结构的限制，相对转动角度一般小于360°，弯转通常用B来标记。

根据使用要求，手腕的自由度不一定是3个，可以是1个、2个或3个以上。手腕自由 度的选用与机器人的通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等因素有关。

3自由 度手腕能使手部取得空间任意姿态，

图4.10所示为3自由度手腕的几种结合方式。

4. 常见的腕部结构 图4.11所示为RRR型3自由度手腕，三个传动轴的回转轴线共线，及,转动实现手 臂的臂转，&和A的转动实现腕转。RRR型手腕制造简单，润滑条件好，可以实现较远距 离的传动，机械效率高，应用较为普遍。

图4.12所示为2自由度手腕，其设计思想是通过5轴转动实现“腕摆”运动，通过 S轴转动实现夹持器的“手转”运动，当5轴不动S轴转动的时候，通过锥齿轮1-2-4的传 动使得手部8和夹持器9产生手转运动，当S轴不动而S轴回转时，S轴带动手腕绕^轴上 下摆动，由于S轴不动，故锥齿轮3绕d轴无转动，但锥齿轮4随着构架7绕d轴转动的同 时还绕C轴转动，从而带动手腕产生“手转”运动，这个运动称为手腕的附加回转运动。这 种因“腕摆”运动而引起的“手转”运动被称为诱导运动。在设计时要注意采取补偿措施， 消除诱导运动的影响。

当行星架9固定不动时，该机构实现绕轴19的“腕摆”运动路线为：传动轴—齿轮 24—齿轮21—齿轮20—锥齿轮16—锥齿轮17—手腕绕轴19的摆动；实现“手转”的运动路 线为：传动轴S—齿轮10—齿轮23—齿轮11 一谁齿轮12—维齿轮13' —维齿轮14一夹持器的 “ 手 转 ”。

行星架9的运动为增加的腕部转动自由度，其运动路线为：油缸1中的活塞左右移动一 链轮2转动一锥齿轮3和4一带动花键轴5和6转动一行星架9的转动。当行星架9运动时， 即使S轴和轴均不饶腕架8运动，但由于齿轮22绕齿轮21和齿轮11绕齿轮23的转动， 齿轮22的自转通过锥齿轮20、16、17、18传递到摆动轴19,引起手腕绕轴19的“腕摆”

运动。同样，齿轮11的自转通过锥齿轮12、13、14、15传递到夹持器产生“手转”运动。 这两种运动均为行星架9运动产生的诱导运动，在设计时需要考虑进行补偿。

2.手部结构的基本形式和特点

人的手是由5个手指和手掌组成的，具有很高的灵活性，能够完成各种复杂的工作。 机器人的手部按照用途可以当做作业工具或者类似人类手功能的工具来使用，工业机器人的 手部作为机器人手部的一种类型，需要应对复杂的工作环境。

如图4.14所示，机械手模仿人手的抓取功能，分别实现无手指关节的简单夹持、固定手 指关节的夹持和有手指关节的夹持抓取等几种类型。

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。

1.机械手常见类异和结构

机器人的手部是直接用于抓取和握紧（或吸附）工件或者夹持专用工具（如喷枪、扳手、 焊接工具）进行操作的部件，它具有模仿人手动作的功能，安装于机器人手臂的前端。工业 机器人末端执行器大致可分为以下几类：夹钳式取料手；吸附式取料手；仿生多指灵巧手。 手爪的典型结构有以下几种：

(1)机械手爪。

机械手爪通常采用气动、液动、电动和电磁来驱动手指的开合。气动手爪应用广泛，气 动手爪结构简单、成本低，容易维修，开合迅速，重量轻。但空气介质的可压缩性使爪钳位 置控制比较复杂。液压驱动手爪成本较高。电 动手爪的手指开合电动机控制与机器人控制 可以共用一个系统，但是夹紧力比气动手爪、液压手爪小。电磁手爪控制信号简单，但是电 磁夹紧力与爪钳行程有关，只用在开合距离小 的场合。

图4.15所示为一种气动手爪，气缸4中 压缩空气推动活塞3使连杆齿条2作往复运 动，经扇形齿轮1带动平行四边形机构，使爪 钳5平行地快速开合。

图4.16所示为常见的机械手爪的传动机构，分别为齿轮齿条式手爪、拨杆杠杆式手爪、滑槽式手爪、重力式手爪。

(2)磁力吸盘。

磁力吸盘有电磁吸盘和永磁吸盘两种。磁力吸盘的特点：体积小，自重轻，吸持力强， 可在水里使用。磁力吸盘广泛应用于钢铁、机械加工、模具、仓库等搬运吊装过程中对块状、 圆柱形导磁性钢铁材料工件的连接，可大大提高工件装卸、搬运的效率，是工厂、码头、仓 库、交通运输等行业最理想的吊装工具。

在机器人手部装上电磁铁，通过磁场吸力把工件吸住。图4.17所示为电磁吸盘的结构示意 图。在线圈通电的瞬时，由于空气间隙的存在，磁阻很大，线圈的电感和启动电流很大，这时 产生磁性吸力将工件吸住，一旦断电，磁吸力消失，工件松开。若采用永久磁铁作为吸盘，则 必须强迫性地取下工件。电磁吸盘只能吸住铁磁材料制成的工件（如钢铁件），吸不住有色金属 和非金属材料制成的工件。磁力吸盘的缺点是被吸取工件有剩磁，吸盘上常会吸附一些铁屑， 致使不能可靠地吸住工件，而且磁力吸盘只适用于工件要求不高或有剩磁也无妨的场合。对于 不允许有剩磁的工件（如钟表零件及仪表零件），不能选用磁力吸盘，可选用真空吸盘。另外， 钢、铁等磁性物质在温度为723 °C以上时磁性会消失，故高温条件下不宜使用磁力吸盘。

磁力吸盘要求工件表面清洁、平整、干燥，以保证可靠地吸附。磁力吸盘的计算主要是 电磁吸盘中电磁铁吸力的计算以及铁芯截面积、线圈导线直径和线圈匝数等参数的设计。要 根据实际应用环境选择工作情况系数和安全系数。

(3)仿生多指灵巧手。

简单的夹钳式取料手不能适应物体外形的变化，不能使物体表面承受比较均匀的夹持力， 因此，无法满足对复杂形状、不同材质的物体实施夹持和操作。为了提高机器人手爪和手腕 的操作能力、灵活性和快速反应能力，使机器人能像人手一样进行各种复杂的作业，如装配 作业、维修作业、设备操作以及机器人模特的礼仪手势等，就必须有一个运动灵活、动作多 样的灵巧手。图4.18所示为多关节柔性手，它能针对不同外形物体实施抓取，并使物体表面受力比较 均匀，每个子指由多个关节串接而成。手指传动部分由牵引'钢丝绳及摩擦滚轮组成。每个手 指由2根钢丝绳牵引，一侧为握紧，另一侧为放松。驱动源可采用电机驱动或液压、气动元 件驱动。柔性手腕可抓取凹凸外形物体并使其受力较为均匀。柔性材料做成的柔性手一端固 定，一端为自由的双管合一的柔性管状子爪。当一侧管内充入气体（液体），另一侧管抽出气 体（液体）时，形成压力差，柔性手爪就向抽空侧弯曲。此种柔性手适用于抓取轻型、圆形 物体，如玻璃器皿等。

图4.19所示是三指机械手•.其设计为多关节构造，三根手指连接在手掌上，指部具有屈 伸运动功能，第1指具有3个自由度，第2和第3指分别具有4个自由度，手指各关节的屈 伸度为一45°～90°，可承受质量为500g，手指开闭的速度最大可达500～600°/s，总质量为 240 g。

2.工业机器人手部的_般特点

(1)手部与手腕相连处可拆卸。手部与手腕有机械接口，当机器人作业对象不同时，可 以方便地拆卸和更换手部。

(2)手部是工业机器人的末端操作器。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的喷漆枪、 焊接工具等。

(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。假如把手腕归属十手臂，那么工业机器人机械系统的三大 件就是机身、手臂和手部（末端操作器）。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智能化手爪的出现，增加了工业机器人作 业的灵活性和可靠性。

3.设计机械手时需要注意的问题

(1)手部设计需要注意的问题： 考虑被抓握的对象物体的几何参数和机械特性。几何参数包括：①工件尺寸；②可能 给予抓握表面的数目；③可能给予抓握表面的位置和方向；④夹持表面之间的距离；⑤夹 持表面的几何形状。机械特性包括：①质量；②材料；③固有稳定性；④表面质量和品 质；⑤表面状态；⑥工件温度。

考虑手爪和机器人匹配。手爪一般用法兰式机械接口与手腕相连接，手爪自重也增加了 机械臂的负载，这两个问题必须给予仔细考虑。手爪是可以更换的，手爪形式可以不同，但 是与手腕的机械接口必须相同，这就是接口匹配。手爪自重不能太大，机器人能抓取工件的 重量是机器人承载能力减去手爪重量。手爪自重要与机器人承载能力相匹配。

考虑环境条件。作业区域内的环境状况很重要，比如高温、水、油等不同环境会影响手 爪的工作。一个锻压机械手要从高温炉内取出红热的锻件坯料必须保证手爪的开合、驱动在 高温环境中均能正常工作。

(2)手腕设计需要注意的问题： 手腕结构是机器人中最复杂的结构，而且因传动系统互相干扰，更增加了手腕结构的设 计难度。对腕部的设计要求是质量轻，满足作业对手部姿态的要求，并留有一定的余量（约 5%～10%);传动系统结构简单并有利于小臂对整机的静力平衡。一般来说，由于手腕处在开 式连杆系末端的特殊位置，它的尺寸和质量对操作机的动态特性和使用性能影响很大。因此， 除了要求其动作灵活、可靠外，还应使其结构尽可能紧凑，质量尽可能小。

结构上首先要考虑自由度的问题，也就是工作空间范围的问题，自由度越多，结构和控 制系统就越复杂，目前市场上销售的机械手以2～6个自由度的为多，当然，一般有3个自由 度以上的才能称为机械手，3个或3个以下的称为坐标机器人。除了自由度之外最重要的就 是精度和刚性问题（后者在多自由度机械手中非常重要），前者关系到工作准确性，后者则关 系到工作时的负载大小及速度。

(3)腕部和手部机械手动力来源的选择问题： 需要考虑到机械手操作力（如最大拿举力）、速度（如最大操作速度）、大小、重量的限 制、安全性（对发热或过负荷的安全性）、具体工作场合下动力源选择的方便性等。

常用的动力源及其对比如下： 电气动力源。它能获得小到中度的操作力，通常是通过电动机的旋转力活动，随着伺服电机性能的改善，可以获得适当的运动速度。在安全性方面，抗过负荷能力不强，适合各 种工作场合。

油压式动力源。它可以获取很大的旋转或者直线运动的操作力，油压装置部分占据的 空间较大，工作过程中发热量较大，抗过负荷能力强，安全性方面需要考虑油路维护过滤等 问题，使用成本较高。

气压式动力源。它通常用于获取直线运动的操作力，运动速度较低，动作响应速度比 油压快捷，抗过负荷能力较强，因空气无润滑性，故机械使用寿命较油压式的低。