手腕是连接末端执行器和手臂的部件。它可以通过手腕调整或改变工件的方向。它具有独立的自由度，使机器人末端执行器能够适应复杂的动作要求。手腕一般需要三个自由度，由三个旋转关节组成。组合方式多种多样，常用的如图所示。为了说明腕部回转关节的组合形式，各回转方向的定义如下:

 

 

(1).围绕前臂轴的旋转称为手臂旋转。

 

(2)相对于手臂摆动末端执行器称为手腕摆动。

 

(3)末端效应器(手)围绕其自身轴的旋转称为手旋转。

 

2.手腕运动分类

 

根据旋转的不同特点，腕关节的旋转可以细分为滚动和弯曲。

 

图(a)所示为滚转，其特点是相对转动的两个部件的转动轴重合，从而可以实现360°无障碍转动的关节运动，滚转通常用r标记。

图 (b)为车削，其特点是两部分的车削轴线相互垂直。这种运动受结构限制，相对转角一般小于360°。转弯通常用b标记。

 

 

 

根据使用要求，手腕的自由度不一定是3个，而是1个、2个甚至更多。手腕自由度的选择与机器人的通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等因素有关。

 

3自由度的手腕可以使手在空间中获得任何姿势，

 

图4.10显示了组合三自由度手腕的几种方法。

 

 

 

4.普通手腕结构

 

图4.11显示了具有3个自由度的RRR手腕。三根传动轴的旋转轴共线，通过旋转实现手臂的手臂旋转，通过&A. RRR手腕的旋转实现手腕旋转，制作简单，润滑条件好，可实现长距离传动，机械效率高，用途广泛。

 

图4.12显示了具有2个自由度的手腕。其设计思想是通过5轴旋转实现手腕摆动运动，通过S轴旋转实现手爪的手部旋转运动。当5轴固定S轴旋转时，手8和抓手9通过锥齿轮1-2-4的传动手动旋转。当S轴不动而S轴转动时，S轴带动手腕绕S轴上下摆动，但在框架7绕D轴转动的同时，锥齿轮4绕C轴转动，从而带动手腕产生“手部转动”运动，称为手腕的附加转动运动。这种由“手腕摆动”运动引起的“手转”运动称为诱导运动。设计中注意采取补偿措施，消除诱导运动的影响。

 

 

当行星架9静止时，机构实现绕轴19的“手腕摆动”运动路线: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摆动；实现“手动旋转”的运动路线为:传动轴S-齿轮10-齿轮23-齿轮11-齿轮12-维齿轮13 '-维齿轮14-手爪“手动旋转”。

 

行星架9的运动增加了手腕转动的自由度，其运动路线如下:油缸1内的活塞左右运动；链轮2转动锥齿轮3、4带动花键轴5、6转动；并且行星架9旋转。当行星架9移动时，即使S轴和轴不围绕腕部框架8移动，由于齿轮22围绕齿轮21和齿轮11围绕齿轮23的旋转，齿轮22的旋转通过锥齿轮20、16、17和18传递到摆动轴19，导致腕部围绕轴19摆动。

 

锻炼身体。类似地，齿轮11的旋转通过锥齿轮12、13、14、15传递到保持器，以产生“手旋转”运动。这两种运动是由行星架9的运动引起的诱导运动，在设计中应考虑补偿。

 

2.手部结构的基本形式和特点

 

人的手由五指和手掌组成，具有高度的灵活性，可以完成各种复杂的任务。机器人的手根据用途可以作为工作工具，也可以作为类似人手功能的工具。工业机器人的手作为机器人手的一种，需要应对复杂的工作环境。

 

如图所示，机械手模仿人手的抓取功能，分别实现了无手指关节的简单抓取、有固定手指关节的抓取和有手指关节的抓取等几种类型。

 

 

工业机器人的手，也称为末端执行器，是安装在工业机器人手腕上的部件，用于直接抓取工件或执行操作。

 

1.机械手的常见类型和结构

 

机器人的手是直接用来抓取和握持(或吸附)工件或握持专用工具(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，安装在机器人手臂的前端。机器人的工业末端执行器大致可以分为以下几类:抓取器、机械臂；吸附取物手；仿生多指灵巧手。爪的典型结构如下:

 

(1)机械抓手。

 

机械手爪通常采用气动、液压、电动、电磁等方式驱动手指开合。气动抓手应用广泛，结构简单，成本低，维修方便，开合快，重量轻。然而，空气介质的可压缩性使得钳口夹紧控制更加复杂。驱动液压抓手的成本很高。电动手爪的手指开合电机控制和机器人控制可以共用一个系统，但夹持力小于气动手爪和液压手爪。电磁夹持器控制信号简单，但电磁夹持力与夹持器行程有关，只用于开合距离小的场合。

 

图4.15显示了一个气动抓手。气缸4中的压缩空气推动活塞3，使连杆齿条2往复运动，平行四边形机构由扇形齿轮1驱动，使夹持器5平行快速开合。

 

 

图显示了常见机械夹爪的传动机构，包括齿条齿轮夹爪、杠杆夹爪、滑槽夹爪和重力夹爪。

 

 

(2)磁性吸盘。

 

磁性吸盘有两种:电磁吸盘和永磁吸盘。磁性吸盘的特点:体积小，重量轻，吸力强，可在水中使用。磁性吸盘广泛应用于钢铁、机械加工、模具、仓库等起重过程中连接块状、圆柱形导磁钢铁工件。，可以大大提高工件的装卸和运输效率。它们是工厂、码头、仓库、运输等行业***理想的起重工具。

 

机械手上装有电磁铁，工件被磁场吸力吸引。图4.17是电磁卡盘的结构示意图。在线圈通电的瞬间，由于气隙的原因，磁阻很大，线圈的电感和启动电流都很大。此时，产生磁引力来吸引工件。一旦断电，磁引力消失，工件被释放。如果使用永磁体作为吸盘，则必须强行移除工件。电磁吸盘只能夹持铁磁性材料(如钢)的工件，不能夹持有色金属和非金属材料的工件。磁力吸盘的缺点是吸出的工件有剩磁，经常会有一些铁屑吸附在吸盘上，无法可靠吸出工件。而且磁性吸盘只适用于对工件要求不高或者剩磁还可以的场合。对于不允许有剩磁的工件(如钟表零件、仪表零件)，可以不用磁性吸盘，但可以用真空吸盘。此外，钢铁等磁性材料的磁性在温度高于723°C时会消失，因此不适合在高温下使用磁性吸盘。

 

磁性吸盘要求工件表面清洁、光滑、干燥，以保证吸附可靠。磁性卡盘的计算主要包括电磁卡盘中电磁铁吸力的计算和铁芯截面积、线圈线径、线圈匝数等参数的设计。工况系数和安全系数应根据实际应用环境选择。

 

(3)仿生多指灵巧手。

 

简单的夹取器不能适应物体形状的变化，不能使物体表面承受相对均匀的夹持力，不能满足夹持和操作形状复杂、材质不同的物体的要求。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，使机器人能够像人手一样进行各种复杂的操作，如机器人模型的装配操作、维修操作、设备操作和礼仪手势，需要有一只动作灵活、动作多样的灵巧手。图4.18为多关节柔性手，可以抓取不同形状的物体，使物体表面的受力相对均匀，每个子手指由多个关节串联而成。手指传动部分由牵引钢丝绳和摩擦滚轮组成。每个手指由两根钢丝绳牵拉，一边绷紧，另一边放松。动力源可以由电机或液压和气动部件驱动。灵活的手腕可以抓住凹凸形状的物体，使其承受更均匀的力。由柔性材料制成的柔性手的一端是固定的，另一端是带有自由双管的柔性管状子爪。当一个管充满气体(液体)而另一个管被气体(液体)泵出时，形成压力差，柔性夹持器向排空侧弯曲。这种灵活的手适合抓握轻而圆的物体，如玻璃器皿等。

 

 

图显示了一个三指机械手。采用多关节结构设计。三指与手掌相连，手指具有屈伸功能。***个手指有3个自由度，第二个和第三个手指分别有4个自由度。手指各关节屈伸度为45 ~ 90度，承重质量为500g，手指的开合速度***大可达500 ~ 600度/s，为总量。

 

 

2.工业机器人手的类特征

 

(1)手和手腕的关节是可分离的。手和手腕之间有一个机械接口。当机器人在不同的物体上工作时，它可以很容易地拆卸和更换。

 

(2)手是工业机器人的末端机械手。它可以像人手一样有手指，也可以是没有手指的手；可以是人形爪，也可以是专业操作的工具，比如安装在机器人手腕上的喷枪和焊接工具。

 

(3)手的通用性差。工业机器人手通常是一种特殊的装置。比如一个爪只能抓一个或几个形状、大小、重量等相似的工件，一个工具只能执行一个任务。

 

(4)手是独立的组成部分。如果手腕属于十臂，那么工业机器人机械系统的三大部分就是机身、手臂和手(末端机械手)。对于整个工业机器人来说，手是完成操作和灵活性的关键部件之一。具有复杂感知的智能手爪的出现增加了工业机器人的灵活性和可靠性。

 

3.机械手设计中应注意的问题

 

(1)手部设计注意事项:

 

考虑被抓取物体的几何参数和机械特性。几何参数包括:①工件尺寸；②可能的抓取面数量；③握持面的位置和方向；④夹紧面之间的距离；⑤夹紧面的几何形状。机械特性包括:①质量；②材料；③内在稳定性；④表面质量和质量；⑤表面状态；⑥工件温度。

 

考虑爪子和机器人的匹配。爪一般通过法兰机械接口与手腕连接，爪的自重也增加了机械臂的负荷。这两个问题必须仔细考虑。爪可以更换，爪的形式可以不同，但与手腕的机械接口必须相同，这就是接口匹配。爪子的重量不能太大，机器人能抓取工件的重量就是机器人的承载能力减去爪子的重量。爪子的重要性与机器人的承载能力相匹配。

 

考虑环境条件。作业区域的环境条件非常重要，如高温、水、油等不同的环境都会影响抓手的工作。锻造操作机要想从高温炉中取出红热锻造毛坯，必须保证夹持器的开合和驱动在高温环境下能够正常工作。

 

(2)手腕设计注意事项:

 

手腕结构是机器人中***复杂的结构，由于传动系统相互干扰，手腕结构的设计更加困难。手腕的设计要求是重量轻，满足操作者手的姿势要求，留有一定余量(约5% ~ 10%)；该传动系统结构简单，有利于小臂对整机的静平衡。一般来说，由于手腕处于开放式联动系统末端的特殊位置，其尺寸和质量对机械手的动态特性和性能有很大影响。因此，除了灵活可靠的运动外，还应使其结构尽可能紧凑，质量尽可能小。

 

在结构方面，首先要考虑自由度，也就是工作空间的范围。自由度越多，结构和控制系统越复杂。目前市场上2 ~ 6自由度的机械手较多。当然，只有3个自由度以上的才能称为机械手，3个自由度以下的才能称为坐标机器人。除了自由度，***重要的问题是精度和刚度(后者在多自由度机械手中非常重要)。前者与工作精度有关，后者与工作时的负荷大小和速度有关。

 

(3)腕部和手部机械手电源的选择:

 

需要考虑机械手的操作力(如***大提升力)、速度(如***大操作速度)、尺寸和重量的限制、安全性(耐热或过载的安全性)、特定工作情况下电源选择的便利性。

 

常见的电源及其比较如下:

 

电源。它可以获得小到中等的操作力，通常是通过电机的旋转力，并且随着伺服电机性能的提高，它可以获得合适的运动速度。安全方面，抗过载能力不强，适用于各种工作场合。

 

油压动力源。它可以获得很大的旋转或直线运动的操作力，而且油压装置占用空间大，在工作过程中产生大量的热量，抗过载能力强，从安全性上需要考虑油路的维护和过滤，使用成本高。

 

气动电源。通常用于获得直线运动的操作力，运动速度较低，响应速度比油压快，抗过载能力较强。由于空气不润滑，机械的使用寿命比油压短。

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