清華大學(xué)機(jī)械原理課件第9章開式鏈機(jī)構(gòu)

1、精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系 設(shè)計工程研究所設(shè)計工程研究所 第第9 9章章 開式鏈機(jī)構(gòu)開式鏈機(jī)構(gòu)9.1 開式鏈機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)及應(yīng)用開式鏈機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)及應(yīng)用9.2 開式鏈機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析開式鏈機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析9.3 開式鏈機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)開式鏈機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系 設(shè)計工程研究所設(shè)計工程研究所9.1 開式鏈機(jī)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用開式鏈機(jī)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用 開式運(yùn)動鏈中末端構(gòu)件的運(yùn)動與閉式運(yùn)動開式運(yùn)動鏈中末端構(gòu)件的運(yùn)動與閉式運(yùn)動鏈中任何構(gòu)件的運(yùn)動相比，更為任意和復(fù)鏈中任何構(gòu)件的運(yùn)動相比，更為任意和復(fù)雜多樣。雜多樣。開式鏈機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)開式鏈機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)開式運(yùn)動鏈要成為有確定運(yùn)動的開式運(yùn)動鏈要成為

2、有確定運(yùn)動的機(jī)構(gòu)，常要更多的原動機(jī)。機(jī)構(gòu)，常要更多的原動機(jī)。精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系 設(shè)計工程研究所設(shè)計工程研究所機(jī)器人與傳統(tǒng)自動機(jī)的區(qū)別機(jī)器人與傳統(tǒng)自動機(jī)的區(qū)別:機(jī)器人：機(jī)器人：機(jī)器人的操作稱為柔性自動化。機(jī)器人的操作稱為柔性自動化。機(jī)器人是一種靈活的、萬能的、具有多目的用途的自動化系機(jī)器人是一種靈活的、萬能的、具有多目的用途的自動化系統(tǒng)。易于調(diào)整來完成各種不同的勞動作業(yè)和智能動作統(tǒng)。易于調(diào)整來完成各種不同的勞動作業(yè)和智能動作,其中包其中包括在變化之中及沒有事先說明的情況下的作業(yè)。括在變化之中及沒有事先說明的情況下的作業(yè)。傳統(tǒng)自動機(jī)：傳統(tǒng)自動機(jī)：傳統(tǒng)自動機(jī)的操作稱為固定自動化。傳

3、統(tǒng)自動機(jī)的操作稱為固定自動化。1.由連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)等所組成的傳統(tǒng)自動機(jī)用于完成單一由連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)等所組成的傳統(tǒng)自動機(jī)用于完成單一的重復(fù)的作業(yè)。的重復(fù)的作業(yè)。精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系 設(shè)計工程研究所設(shè)計工程研究所 利用開式運(yùn)動鏈的特點(diǎn)，結(jié)合伺服控制和計算機(jī)的使用，利用開式運(yùn)動鏈的特點(diǎn)，結(jié)合伺服控制和計算機(jī)的使用，開式鏈機(jī)構(gòu)在各種機(jī)器人和機(jī)械手中得到了廣泛的應(yīng)用。開式鏈機(jī)構(gòu)在各種機(jī)器人和機(jī)械手中得到了廣泛的應(yīng)用。鉚接機(jī)器人鉚接機(jī)器人 本田公司機(jī)器人本田公司機(jī)器人多操作器協(xié)調(diào)工作多操作器協(xié)調(diào)工作 精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系 設(shè)計工程研究所設(shè)計工程研究所9.2 開式鏈機(jī)

4、構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析開式鏈機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析9. 2. 1 操作器的組成操作器的組成 操作器是機(jī)器人的執(zhí)行系統(tǒng)，是操作器是機(jī)器人的執(zhí)行系統(tǒng)，是機(jī)器人握持工具或工件，完成各種運(yùn)機(jī)器人握持工具或工件，完成各種運(yùn)動和操作任務(wù)的機(jī)械部分。動和操作任務(wù)的機(jī)械部分。 本節(jié)以機(jī)器人操作器為例，本節(jié)以機(jī)器人操作器為例，介紹開式鏈機(jī)構(gòu)的組成和結(jié)構(gòu)介紹開式鏈機(jī)構(gòu)的組成和結(jié)構(gòu)組成：機(jī)身、臂部、腕部和手組成：機(jī)身、臂部、腕部和手部（末端執(zhí)行器）等。部（末端執(zhí)行器）等。精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系 設(shè)計工程研究所設(shè)計工程研究所 操作器的白由度：等于操作器中各運(yùn)動部件操作器的白由度：等于操作器中各運(yùn)動部件自由度的總和，自由度

5、的總和，F(xiàn) = f i 。 在確定操作器所有構(gòu)件的位置時所必須給定在確定操作器所有構(gòu)件的位置時所必須給定的獨(dú)立運(yùn)動參數(shù)的數(shù)目。的獨(dú)立運(yùn)動參數(shù)的數(shù)目。操作器的主運(yùn)動鏈通常是一個裝在固操作器的主運(yùn)動鏈通常是一個裝在固定機(jī)架上的開式運(yùn)動鏈。定機(jī)架上的開式運(yùn)動鏈。操作器中的運(yùn)動副僅包含單白由度的運(yùn)操作器中的運(yùn)動副僅包含單白由度的運(yùn)動副動副轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和移動關(guān)節(jié)。轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和移動關(guān)節(jié)。操作器臂部的運(yùn)動稱為操作器的主運(yùn)動，操作器臂部的運(yùn)動稱為操作器的主運(yùn)動，臂部各關(guān)節(jié)稱為操作器的基本關(guān)節(jié)。臂部各關(guān)節(jié)稱為操作器的基本關(guān)節(jié)。精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系 設(shè)計工程研究所設(shè)計工程研究所1. 臂部自由度組合臂部自

6、由度組合直線運(yùn)動直線運(yùn)動回轉(zhuǎn)運(yùn)動回轉(zhuǎn)運(yùn)動精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系 設(shè)計工程研究所設(shè)計工程研究所1. 臂部自由度組合臂部自由度組合直線及回轉(zhuǎn)運(yùn)動（直線及回轉(zhuǎn)運(yùn)動（1）直線及回轉(zhuǎn)運(yùn)動（直線及回轉(zhuǎn)運(yùn)動（2）精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系 設(shè)計工程研究所設(shè)計工程研究所結(jié)論：結(jié)論：為了使操作器手部能夠達(dá)到空間任一指定位置，通用為了使操作器手部能夠達(dá)到空間任一指定位置，通用的空間機(jī)器人操作器臂部應(yīng)至少具有的空間機(jī)器人操作器臂部應(yīng)至少具有3個自由度。個自由度。 為了使操作器手部能夠達(dá)到平面任一指定位置，通用的為了使操作器手部能夠達(dá)到平面任一指定位置，通用的平面機(jī)器人操作器得臂部應(yīng)至少具有平

7、面機(jī)器人操作器得臂部應(yīng)至少具有2個自由度。個自由度。精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系 設(shè)計工程研究所設(shè)計工程研究所腕部自由度：用來調(diào)整手部在空間的狀態(tài)腕部自由度：用來調(diào)整手部在空間的狀態(tài)為了使手爪在平面中能取得任意要求的姿態(tài)，在通用的為了使手爪在平面中能取得任意要求的姿態(tài)，在通用的平面機(jī)器人操作器中，其腕部應(yīng)至少有個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。平面機(jī)器人操作器中，其腕部應(yīng)至少有個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。手部運(yùn)動的自由度一般不計入操作器的自由度數(shù)目中。手部運(yùn)動的自由度一般不計入操作器的自由度數(shù)目中。 為了使手爪在空間能取得任意要求的為了使手爪在空間能取得任意要求的姿態(tài)，在通用的空間機(jī)器人操作器中姿態(tài)，在通用的空間機(jī)器人操作

8、器中其腕部應(yīng)至少有其腕部應(yīng)至少有3個自由度。一般情個自由度。一般情況下，這況下，這3個關(guān)節(jié)為軸線互相垂直的個關(guān)節(jié)為軸線互相垂直的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系 設(shè)計工程研究所設(shè)計工程研究所結(jié)論：結(jié)論：通用的空間機(jī)器人操作器的自由度大于等于通用的空間機(jī)器人操作器的自由度大于等于6（位置（位置3個、姿態(tài)個、姿態(tài)3個），其中轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)大于等于個），其中轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)大于等于3。僅用移動關(guān)節(jié)不可能建立通用的空間或平面機(jī)器人。僅用移動關(guān)節(jié)不可能建立通用的空間或平面機(jī)器人。通用的平面機(jī)器人操作器的自由度大于等于通用的平面機(jī)器人操作器的自由度大于等于3（位置（位置2個、姿態(tài)個、姿態(tài)1個），

9、其中轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)大于等于個），其中轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)大于等于1。精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系 設(shè)計工程研究所設(shè)計工程研究所冗余自由度：冗余自由度：操作器自由度數(shù)大于操作器自由度數(shù)大于6時，手爪可繞過障時，手爪可繞過障礙到達(dá)一定的位置礙到達(dá)一定的位置精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系 設(shè)計工程研究所設(shè)計工程研究所特點(diǎn)：特點(diǎn)：三個基本關(guān)節(jié)均為移動關(guān)節(jié)。三個基本關(guān)節(jié)均為移動關(guān)節(jié)。運(yùn)動圖形：長方體運(yùn)動圖形：長方體占據(jù)空間大，相應(yīng)的工作范圍小占據(jù)空間大，相應(yīng)的工作范圍小優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)動直觀性強(qiáng)，便結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)動直觀性強(qiáng)，便于實(shí)現(xiàn)高精度。于實(shí)現(xiàn)高精度。1. 直角坐標(biāo)型（又稱直移型）直角坐標(biāo)型（又稱

10、直移型）精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系 設(shè)計工程研究所設(shè)計工程研究所三個基本關(guān)節(jié)：移動關(guān)節(jié)三個基本關(guān)節(jié)：移動關(guān)節(jié)2個，轉(zhuǎn)個，轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)個動關(guān)節(jié)個運(yùn)動圖形：空心圓柱運(yùn)動圖形：空心圓柱優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)動直觀性強(qiáng)，占據(jù)空間較優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)動直觀性強(qiáng)，占據(jù)空間較小，結(jié)構(gòu)緊湊，工作范圈大。小，結(jié)構(gòu)緊湊，工作范圈大。缺點(diǎn)：受升降機(jī)構(gòu)的限制，一般不缺點(diǎn)：受升降機(jī)構(gòu)的限制，一般不能提升地面或較低位置的工件。能提升地面或較低位置的工件。2. 圓柱坐標(biāo)型（又稱回轉(zhuǎn)型）圓柱坐標(biāo)型（又稱回轉(zhuǎn)型）精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系 設(shè)計工程研究所設(shè)計工程研究所 三個基本關(guān)節(jié)：移動關(guān)節(jié)個，轉(zhuǎn)三個基本關(guān)節(jié)：移動關(guān)節(jié)個，轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)動關(guān)

11、節(jié)2個。個。運(yùn)動圖形：空心球體運(yùn)動圖形：空心球體優(yōu)點(diǎn)：由于其具有俯仰白由度，能優(yōu)點(diǎn)：由于其具有俯仰白由度，能完成從地面提取工件的任務(wù)，工作完成從地面提取工件的任務(wù)，工作范圍擴(kuò)大了。范圍擴(kuò)大了。缺點(diǎn)：運(yùn)動直現(xiàn)性差，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜缺點(diǎn)：運(yùn)動直現(xiàn)性差，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，臂端的位置誤差會隨臂的伸長而，臂端的位置誤差會隨臂的伸長而放大。放大。3.球坐標(biāo)型（又稱俯仰型）球坐標(biāo)型（又稱俯仰型）精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系 設(shè)計工程研究所設(shè)計工程研究所三個基本關(guān)節(jié)為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)三個基本關(guān)節(jié)為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)運(yùn)動圖形：球體運(yùn)動圖形：球體優(yōu)點(diǎn)：占據(jù)空間小，工作范圍大，優(yōu)點(diǎn)：占據(jù)空間小，工作范圍大，可繞過障礙物提取和運(yùn)送工件?？?/p>

12、繞過障礙物提取和運(yùn)送工件。缺點(diǎn)：運(yùn)動直觀性差，驅(qū)動控制比缺點(diǎn)：運(yùn)動直觀性差，驅(qū)動控制比較復(fù)雜。較復(fù)雜。4. 關(guān)節(jié)型（又稱屈伸型）關(guān)節(jié)型（又稱屈伸型）精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系 設(shè)計工程研究所設(shè)計工程研究所9.3 開式鏈機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)開式鏈機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)正向運(yùn)動學(xué)問題正向運(yùn)動學(xué)問題反向運(yùn)動學(xué)問題反向運(yùn)動學(xué)問題工作空間工作空間精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系 設(shè)計工程研究所設(shè)計工程研究所 給定操作器的一組給定操作器的一組關(guān)節(jié)參數(shù)，確定其末端關(guān)節(jié)參數(shù)，確定其末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)。執(zhí)行器的位置和姿態(tài)。1）正向運(yùn)動學(xué)問題）正向運(yùn)動學(xué)問題可獲得一組唯一確定的解?？色@得一組唯一確定的解。精密儀器

13、與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系 設(shè)計工程研究所設(shè)計工程研究所給出末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)，給出末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)，求關(guān)節(jié)參數(shù)。求關(guān)節(jié)參數(shù)。 2）反向運(yùn)動學(xué)問題）反向運(yùn)動學(xué)問題 對于工作所要求的末端執(zhí)對于工作所要求的末端執(zhí)行器的一個給定位置和姿態(tài)，確行器的一個給定位置和姿態(tài)，確定一組關(guān)節(jié)參數(shù)，使末端執(zhí)行器定一組關(guān)節(jié)參數(shù)，使末端執(zhí)行器達(dá)到給定的位置和姿態(tài)。達(dá)到給定的位置和姿態(tài)。解的存在性解的存在性?多重解？多重解？精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系 設(shè)計工程研究所設(shè)計工程研究所 在機(jī)器人運(yùn)動過程中其操在機(jī)器人運(yùn)動過程中其操作器臂端所能達(dá)到的全部點(diǎn)所作器臂端所能達(dá)到的全部點(diǎn)所構(gòu)成的空間，其形狀和大

14、小反構(gòu)成的空間，其形狀和大小反映了一個機(jī)器人的工作能力。映了一個機(jī)器人的工作能力。3）工作空間）工作空間可達(dá)到的工作空間：機(jī)器人末可達(dá)到的工作空間：機(jī)器人末端執(zhí)行器至少可在一個方位上端執(zhí)行器至少可在一個方位上能達(dá)到的空間范圍。能達(dá)到的空間范圍。靈活的工作空間：機(jī)器人末端執(zhí)行器在所有方位均能達(dá)靈活的工作空間：機(jī)器人末端執(zhí)行器在所有方位均能達(dá)到的空間范圍。到的空間范圍。精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系 設(shè)計工程研究所設(shè)計工程研究所已知關(guān)節(jié)參數(shù)，求解位置和姿態(tài)坐標(biāo)。已知關(guān)節(jié)參數(shù)，求解位置和姿態(tài)坐標(biāo)。1）正向運(yùn)動學(xué)問題）正向運(yùn)動學(xué)問題（1）位移分析）位移分析)()(2121121211BBsinl

15、sinlcoslcoslyx姿態(tài)角：姿態(tài)角：21 精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系 設(shè)計工程研究所設(shè)計工程研究所1）正向運(yùn)動學(xué)問題）正向運(yùn)動學(xué)問題（2）速度分析）速度分析 21212122121211121221212111BJ)cos(l)cos(lcosl)sin(l)sin(lsinlyxB 2121yyxxJ雅可比矩陣：雅可比矩陣：精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系 設(shè)計工程研究所設(shè)計工程研究所2）反向運(yùn)動學(xué)問題）反向運(yùn)動學(xué)問題已知各位置和速度參數(shù)，求關(guān)節(jié)已知各位置和速度參數(shù)，求關(guān)節(jié)參數(shù)。參數(shù)。 （1）位移分析）位移分析2122212B2B2l2lllyxcos 1,1 2cos

16、222cos1sin 222cossinarctan 精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系 設(shè)計工程研究所設(shè)計工程研究所2）反向運(yùn)動學(xué)問題）反向運(yùn)動學(xué)問題（1）位移分析）位移分析 ”取“取“”取“取“00221 BBxyarctan 18002B2B122212B2Byx2lllyxarccos 精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系 設(shè)計工程研究所設(shè)計工程研究所2）反向運(yùn)動學(xué)問題）反向運(yùn)動學(xué)問題（2）速度分析）速度分析 BB121yxJ )sin(lsinl)cos(lcosl)sin(l)cos(lJ1J21211212112122121221sinllJ 當(dāng)當(dāng) 或或 時，時， ， 不存在不

17、存在，此位置稱為操作器的奇異位置。，此位置稱為操作器的奇異位置。 021800J1J精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系 設(shè)計工程研究所設(shè)計工程研究所3）工作空間：）工作空間： 可達(dá)到的工作空間可達(dá)到的工作空間 靈活的工作空間靈活的工作空間)l(lyxll212B2B21 精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系 設(shè)計工程研究所設(shè)計工程研究所1）正向運(yùn)動學(xué)問題）正向運(yùn)動學(xué)問題（1）位移分析）位移分析321321321211321321211)sin()sin(sin)cos()cos(cosllllllyxcc給定給定確定確定31321 , , , , ,lll2 ,y ,ccx精密儀器與機(jī)械學(xué)系

18、精密儀器與機(jī)械學(xué)系 設(shè)計工程研究所設(shè)計工程研究所1）正向運(yùn)動學(xué)問題）正向運(yùn)動學(xué)問題（2）速度分析）速度分析321Jyxcc321321321yyyxxxJ精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系 設(shè)計工程研究所設(shè)計工程研究所2）反向運(yùn)動學(xué)問題）反向運(yùn)動學(xué)問題（1）位移分析）位移分析給定給定確定確定31 , , 2 ,y ,ccx思路：將三連桿問題轉(zhuǎn)思路：將三連桿問題轉(zhuǎn)化為兩連桿問題求解！化為兩連桿問題求解！cos3lxxCBsin3lyyCB計算出計算出 和和 1 2 213 精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密儀器與機(jī)械學(xué)系 設(shè)計工程研究所設(shè)計工程研究所2）反向運(yùn)動學(xué)問題）反向運(yùn)動學(xué)問題一般情況下，選擇使每個關(guān)節(jié)運(yùn)動量最小的解。