【内容提要】
本课主要学习工业机器人腕部结构。介绍机器人腕部的三种运动、两种转动；机器人腕部的自由度；腕部的驱动方式；机器人的柔顺腕部以及机器人腕部典型结构。 知识要点：
✓机器人腕部分类
✓手腕的自由度
✓手腕的驱动方式
✓柔顺腕部
✓腕部典型结构
重点：
✓掌握机器人腕部的分类
✓掌握机器人手腕的自由度
✓掌握机器人手腕的驱动方式
✓掌握机器人腕部典型结构
难点：
✓掌握机器人腕部的分类
✓机器人腕部典型结构
关键字：
✓手腕、柔顺腕部、腕部自由度
【本课内容相关资料】
3.3机器人腕部结构
腕部是连接机器人的小臂与末端执行器（臂部和手部）之间的结构部件，其作用是利用自身的活动度来确定手部的空间姿态，从而确定手部的作业方向。对于一般的机器人，与手部相连接的腕部都具有独驱自转的功能，若腕部能在空间取任意方位，那么与之相连的手部就可在空间取任意姿态，即达到完全灵活。 多数将腕部结构的驱动部分安排在小臂上。腕部是臂部与手部的连接部件，起支承手部和改变手部姿态的作用。目前，RRR型三自由度腕部应用较普遍。
3.3.1机器人腕部的转动方式
1.腕部的运动
机器人一般具有6个自由度才能使手部（末端执行器）达到目标位置和处于期望的姿态。为了使手部能处于空间任意方向，要求腕部能实现对空间3个坐标轴x，y，z的旋转运动，如图3-15所示。这便是腕部的3个运动：腕部旋转、腕部弯曲、腕部侧摆，或称为3个自由度。
(1) 腕部旋转
腕部旋转是指腕部绕小臂轴线的转动，又叫做臂转。有些机器人限制其腕部转动角度小于360°。另一些机器人则仅仅受到控制电缆缠绕圈数的限制，腕部可以转几圈。如图3-15a所示。
a)臂转 b)手转 c)腕摆 d)腕部坐标系
图3-15腕部的三个运动和坐标系
(2) 腕部弯曲
腕部弯曲是指腕部的上下摆动，这种运动也称为俯仰，又叫做手转。如图3-15b所示。
(3) 腕部侧摆
腕部侧摆指机器人腕部的水平摆动，又叫做腕摆。腕部的旋转和俯仰两种运动结合起来可以看成是侧摆运动，通常机器人的侧摆运动由一个单独的关节提供。如图3-15c所示。 腕部结构多为上述三个回转方式的组合，组合的方式可以有多种形式，常用的腕部组合的方式有：臂转-腕摆-手转结构，臂转-双腕摆-手转结构等，如图3-16所示。
a)臂转、腕摆、手转结构 b)臂转、双腕摆、手转结构
图3-16腕部的组合方式
2.腕部的转动
按腕部转动特点的不同，用于腕部关节的转动又可细分为滚转和弯转两种。
滚转是指组成关节的两个零件自身的几何回转中心和相对运动的回转轴线重合，因而能实现360°无障碍旋转的关节运动，通常用R来标记，如图3-17a所示。
弯转是指两个零件的几何回转中心和其相对转动轴线垂直的关节运动。受到结构的限制，其相对转动角度一般小于360°。弯转通常用B来标记，如图3-17b所示。
a)滚转 b)弯转
图3-17腕部关节的滚转和弯转
可见滚转可以实现腕部的旋转，弯转可以实现腕部的弯曲，滚转和弯转的结合就实现了腕部的侧摆。
3.3.2机器人腕部的自由度
并不是所有的腕部都必须具备3个自由度，腕部实际所需要的自由度数目应根据实际使用的工作要求和机器人的工作性能来确定。在有些情况下，腕部具有2个自由度，即翻转和俯仰或翻转和偏转。一些专用机械手甚至没有腕部，但有些腕部为了满足特殊要求还有横向移动自由度。
1.单自由度腕部
具有几种单一自由度功能的腕部，如图3-18所示。
a)单一的臂转功能 b)单一的手转功能 c)单一的侧摆功能 d)单ー的平移功能
图3-18单一自由度功能的腕部
(1) 单一的臂转功能
腕部的关节轴线与手臂的纵轴线共线，常回转角度不受结构限制，可以回转360°以上。该运动用滚转关节（R关节）实现，如图3-18a所示。
(2) 单一的手转功能
腕部关节轴线与手臂及手的轴线相互垂直，常回转角度受到结构限制，通常小于360°。该运动用弯转关节（B关节）实现，如图3-18b所示。
(3) 单一的侧摆功能
腕部关节轴线与手臂及手的轴线在另一个方向上相互垂直；常回转角度受到结构限制，通常小于360°。该运动用弯转关节（B关节）实现，如图3-18c所示。
(4) 19rrr单一的平移功能
腕部关节轴线与手臂及手的轴线在一个方向上成一平面；不能转动只能平移。该运动用平移关节（T关节）实现，如图3-18d所示。
2.二自由度腕部
可以由一个滚转关节和一个弯转关节联合构成滚转弯转BR关节实现；或由两个弯转关节组成BB关节实现；但不能由两个滚转关节RR构成二自由度腕部，因为两个滚转关节的功能是重复的，实际上只起到单自由度的作用。如图3-19所示。
图3-19 二自由度腕部
3.三自由度腕部
由R关节和B关节的组合构成的三自由度腕部可以有多种形式，实现臂转、手转和腕摆功能。可以证明，三自由度腕部能使手部取得空间任意姿态。图3-20所示为三自由度腕部的6种结合方式示意图。
a)BBR型 b)BRR 型 c)RBR型 d)BRB型 e)RBB型 f)RRR型
图3-20 6种三自由度腕部的结合方式示意图
腕部结构的设计要满足传动灵活、结构紧凑轻巧、避免干涉。机器人多数将腕部结构的驱
动部分安排在小臂上。首先设法使几个电动机的运动传递到同轴旋转的心轴和多层套筒上去。运动传入腕部后再分别实现各个动作。
3.3.3机器人腕部的驱动方式
多数机器人将腕部结构的驱动部分安排在小臂上。首先设法使几个电动机的运动传递到同轴旋转的心轴和多层套筒上去，当运动传入腕部后再分别实现各个动作。
从驱动方式看，腕部驱动一般有两种形式，即直接驱动和远程驱动。
1.直接驱动
直接驱动是指驱动器安装在腕部运动关节的附近直接驱动关节运动，因而传动路线短，传动刚度好，但腕部的尺寸和质量大、惯量大。如图3-21所示，为Moog公司的一种液压直接驱动BBR手腕, 设计紧凑巧妙。M1、M2、M3是液压马达，直接驱动手腕的偏转、 俯仰和翻转三个自由度轴。
图3-21 液压直接驱动BBR腕部
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