機械原理9清華

1、精密儀器與機械學(xué)系精密儀器與機械學(xué)系 設(shè)計工程研究所設(shè)計工程研究所 第第9 9章章 開式鏈機構(gòu)開式鏈機構(gòu)9.1 開式鏈機構(gòu)的特點及應(yīng)開式鏈機構(gòu)的特點及應(yīng)用用9.2 開式鏈機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析開式鏈機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析9.3 開式鏈機構(gòu)的運動學(xué)開式鏈機構(gòu)的運動學(xué)精密儀器與機械學(xué)系精密儀器與機械學(xué)系 設(shè)計工程研究所設(shè)計工程研究所9.1 開式鏈機構(gòu)特點及應(yīng)用開式鏈機構(gòu)特點及應(yīng)用 開式運動鏈中末端構(gòu)件的運動與閉式運動開式運動鏈中末端構(gòu)件的運動與閉式運動鏈中任何構(gòu)件的運動相比，更為任意和復(fù)鏈中任何構(gòu)件的運動相比，更為任意和復(fù)雜多樣。雜多樣。9.1.1 開式鏈機構(gòu)的特點開式鏈機構(gòu)的特點開式運動鏈要成為有確定運動的開式

2、運動鏈要成為有確定運動的機構(gòu)，常要更多的原動機。機構(gòu)，常要更多的原動機。精密儀器與機械學(xué)系精密儀器與機械學(xué)系 設(shè)計工程研究所設(shè)計工程研究所9.1.1 開式鏈機構(gòu)的特點開式鏈機構(gòu)的特點機器人與傳統(tǒng)自動機的區(qū)別機器人與傳統(tǒng)自動機的區(qū)別:機器人：機器人：1.機器人的操作稱為柔性自動化。機器人的操作稱為柔性自動化。2.機器人是一種靈活的、萬能的、具有多目的用途的自動化系機器人是一種靈活的、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

3、作業(yè)。傳統(tǒng)自動機：傳統(tǒng)自動機：1.傳統(tǒng)自動機的操作稱為固定自動化。傳統(tǒng)自動機的操作稱為固定自動化。2.由連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)等所組成的傳統(tǒng)自動機用于完成單一由連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)等所組成的傳統(tǒng)自動機用于完成單一的重復(fù)的作業(yè)。的重復(fù)的作業(yè)。精密儀器與機械學(xué)系精密儀器與機械學(xué)系 設(shè)計工程研究所設(shè)計工程研究所9.1.2 開式鏈機構(gòu)的應(yīng)用開式鏈機構(gòu)的應(yīng)用 利用開式運動鏈的特點，結(jié)合伺服控制和計算機的使用，利用開式運動鏈的特點，結(jié)合伺服控制和計算機的使用，開式鏈機構(gòu)在各種機器人和機械手中得到了廣泛的應(yīng)用。開式鏈機構(gòu)在各種機器人和機械手中得到了廣泛的應(yīng)用。鉚接機器人鉚接機器人 本田公司機器人本田公司機器人多操

4、作器協(xié)調(diào)工作多操作器協(xié)調(diào)工作 精密儀器與機械學(xué)系精密儀器與機械學(xué)系 設(shè)計工程研究所設(shè)計工程研究所9.2 開式鏈機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析開式鏈機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析9. 2. 1 操作器的組成操作器的組成 操作器是機器人的執(zhí)行系統(tǒng)操作器是機器人的執(zhí)行系統(tǒng)，是機器人握持工具或工件，完成各，是機器人握持工具或工件，完成各種運動和操作任務(wù)的機械部分。種運動和操作任務(wù)的機械部分。 本節(jié)以機器人操作器為例，本節(jié)以機器人操作器為例，介紹開式鏈機構(gòu)的組成和結(jié)構(gòu)介紹開式鏈機構(gòu)的組成和結(jié)構(gòu)組成：機身、臂部、腕部和手組成：機身、臂部、腕部和手部（末端執(zhí)行器）等。部（末端執(zhí)行器）等。精密儀器與機械學(xué)系精密儀器與機械學(xué)系 設(shè)計工程研究所

5、設(shè)計工程研究所 操作器的白由度：操作器的白由度：等于操作器中各運動部件等于操作器中各運動部件自由度的總和，自由度的總和，f = 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立運動參數(shù)的數(shù)目。的獨立運動參數(shù)的數(shù)目。9.2.2操作器的自由度操作器的自由度 操作器的主運動鏈通常是一個裝在固操作器的主運動鏈通常是一個裝在固定機架上的開式運動鏈。定機架上的開式運動鏈。操作器中的運動副僅包含單白由度的運操作器中的運動副僅包含單白由度的運動副動副轉(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)。 操作器臂部的運動稱為操作器的主運動，操作器臂部的運動稱為操作器的主運動，臂

6、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)。精密儀器與機械學(xué)系精密儀器與機械學(xué)系 設(shè)計工程研究所設(shè)計工程研究所9.2.2操作器的自由度操作器的自由度1. 臂部自由度組合臂部自由度組合直線運動直線運動回轉(zhuǎn)運動回轉(zhuǎn)運動精密儀器與機械學(xué)系精密儀器與機械學(xué)系 設(shè)計工程研究所設(shè)計工程研究所9.2.2操作器的自由度操作器的自由度1. 臂部自由度組合臂部自由度組合直線及回轉(zhuǎn)運動（直線及回轉(zhuǎn)運動（1）直線及回轉(zhuǎn)運動（直線及回轉(zhuǎn)運動（2）精密儀器與機械學(xué)系精密儀器與機械學(xué)系 設(shè)計工程研究所設(shè)計工程研究所9.2.2 操作器的自由度操作器的自由度結(jié)論：結(jié)論：為了使操作器手部能夠達到空間任一指定位置

7、，通用為了使操作器手部能夠達到空間任一指定位置，通用的空間機器人操作器臂部應(yīng)至少具有的空間機器人操作器臂部應(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到平面任一指定位置，通用的為了使操作器手部能夠達到平面任一指定位置，通用的平面機器人操作器得臂部應(yīng)至少具有平面機器人操作器得臂部應(yīng)至少具有2個自由度。個自由度。精密儀器與機械學(xué)系精密儀器與機械學(xué)系 設(shè)計工程研究所設(shè)計工程研究所9.2.3 操作器的自由度操作器的自由度腕部自由度：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

8、機器人操作器中，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)。手部運動的自由度一般不計入操作器的自由度數(shù)目中。手部運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)，在通用的空間機器人操作器中姿態(tài)，在通用的空間機器人操作器中其腕部應(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)。精密儀器與機械學(xué)系精密儀器與機械學(xué)系 設(shè)計工程研究所設(shè)計工程研究所9.2.2 操作器的自由度操作器的自由度結(jié)論：結(jié)論：通用的空間機器人操作器的

9、自由度大于等于通用的空間機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器人。僅用移動關(guān)節(jié)不可能建立通用的空間或平面機器人。通用的平面機器人操作器的自由度大于等于通用的平面機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），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。精密儀器與機械學(xué)系精密儀器與機械學(xué)系 設(shè)計工程研究所設(shè)計工程研究所9.2.2操作器的自由度操作器的自由度冗余自由度：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

10、到達一定的位置礙到達一定的位置精密儀器與機械學(xué)系精密儀器與機械學(xué)系 設(shè)計工程研究所設(shè)計工程研究所特點：特點：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)。運動圖形：長方體運動圖形：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：優(yōu)點： 結(jié)構(gòu)簡單，運動直觀性強，結(jié)構(gòu)簡單，運動直觀性強，便于實現(xiàn)高精度。便于實現(xiàn)高精度。9.2.3 操作器的結(jié)構(gòu)分類操作器的結(jié)構(gòu)分類1. 直角坐標(biāo)型（又稱直移型）直角坐標(biāo)型（又稱直移型）精密儀器與機械學(xué)系精密儀器與機械學(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)個運動圖形：空心圓柱運

11、動圖形：空心圓柱優(yōu)點：運動直觀性強，占據(jù)空間較優(yōu)點：運動直觀性強，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：受升降機構(gòu)的限制，一般不缺點：受升降機構(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。9.2.3 操作器的結(jié)構(gòu)分類操作器的結(jié)構(gòu)分類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）精密儀器與機械學(xué)系精密儀器與機械學(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)節(jié)2個。個。運動圖形：空心球體運動圖形：空心球體優(yōu)點：由于其具有俯仰白由度，能優(yōu)點：由于其具有俯仰白由度，能完成從地面提取工

12、件的任務(wù)，工作完成從地面提取工件的任務(wù)，工作范圍擴大了。范圍擴大了。缺點：運動直現(xiàn)性差，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜缺點：運動直現(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。9.2.3 操作器的結(jié)構(gòu)分類操作器的結(jié)構(gòu)分類3.球坐標(biāo)型（又稱俯仰型）球坐標(biāo)型（又稱俯仰型）精密儀器與機械學(xué)系精密儀器與機械學(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)運動圖形：球體運動圖形：球體優(yōu)點：占據(jù)空間小，工作范圍大，優(yōu)點：占據(jù)空間小，工作范圍大，可繞過障礙物提取和運送工件?？衫@過障礙物提取和運送工件。缺點：運動直觀性差，驅(qū)動控制比缺點：運動直觀性差，驅(qū)動

13、控制比較復(fù)雜。較復(fù)雜。9.2.3 操作器的結(jié)構(gòu)分類操作器的結(jié)構(gòu)分類4. 關(guān)節(jié)型（又稱屈伸型）關(guān)節(jié)型（又稱屈伸型）精密儀器與機械學(xué)系精密儀器與機械學(xué)系 設(shè)計工程研究所設(shè)計工程研究所9.3 開式鏈機構(gòu)的運動學(xué)開式鏈機構(gòu)的運動學(xué)9.3.1 研究的主要問題研究的主要問題正向運動學(xué)問題正向運動學(xué)問題反向運動學(xué)問題反向運動學(xué)問題工作空間工作空間精密儀器與機械學(xué)系精密儀器與機械學(xué)系 設(shè)計工程研究所設(shè)計工程研究所 給定操作器的一給定操作器的一組關(guān)節(jié)參數(shù)，確定其末組關(guān)節(jié)參數(shù)，確定其末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)。9.3.1 研究的主要問題研究的主要問題1）正向運動學(xué)問題）正向運動學(xué)問題可獲得一組唯一

14、確定的解。可獲得一組唯一確定的解。精密儀器與機械學(xué)系精密儀器與機械學(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)。 9.3.1 研究的主要問題研究的主要問題2）反向運動學(xué)問題）反向運動學(xué)問題 對于工作所要求的末端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)，執(zhí)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)行確定一組關(guān)節(jié)參數(shù)，使末端執(zhí)行器達到給定的位置和姿態(tài)。器達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？精密儀器與機械學(xué)系精密儀器與機械學(xué)系 設(shè)計工程研究所設(shè)計工程研究所 在機器人運動過程中其在機器人運動過程

15、中其操作器臂端所能達到的全部點操作器臂端所能達到的全部點所構(gòu)成的空間，其形狀和大小所構(gòu)成的空間，其形狀和大小反映了一個機器人的工作能力反映了一個機器人的工作能力。9.3.1 研究的主要問題研究的主要問題3）工作空間）工作空間可達到的工作空間可達到的工作空間：機器人末：機器人末端執(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到的空間范圍。能達到的空間范圍。靈活的工作空間靈活的工作空間：機器人末端執(zhí)行器在所有方位均能達：機器人末端執(zhí)行器在所有方位均能達到的空間范圍。到的空間范圍。精密儀器與機械學(xué)系精密儀器與機械學(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)

16、，求解位置和姿態(tài)坐標(biāo)。9.3.2 平面兩連桿關(guān)節(jié)型操作器平面兩連桿關(guān)節(jié)型操作器1）正向運動學(xué)問題）正向運動學(xué)問題（1）位移分析）位移分析)()(2121121211bbsinlsinlcoslcoslyx姿態(tài)角：姿態(tài)角：21 精密儀器與機械學(xué)系精密儀器與機械學(xué)系 設(shè)計工程研究所設(shè)計工程研究所9.3.2 平面兩連桿關(guān)節(jié)型操作器平面兩連桿關(guān)節(jié)型操作器1）正向運動學(xué)問題）正向運動學(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：精密儀器與機械學(xué)系精密

17、儀器與機械學(xué)系 設(shè)計工程研究所設(shè)計工程研究所9.3.2 平面兩連桿關(guān)節(jié)型操作器平面兩連桿關(guān)節(jié)型操作器2）反向運動學(xué)問題）反向運動學(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 2cos222cos1sin 222cossinarctan 精密儀器與機械學(xué)系精密儀器與機械學(xué)系 設(shè)計工程研究所設(shè)計工程研究所9.3.2 平面兩連桿關(guān)節(jié)型操作平面兩連桿關(guān)節(jié)型操作器器2）反向運動學(xué)問題）反向運動學(xué)問題（1）位移分析）位移分析 ”取“取“”取“取“00221 bbxyarctan 18002b2b122

18、212b2byx2lllyxarccos 精密儀器與機械學(xué)系精密儀器與機械學(xué)系 設(shè)計工程研究所設(shè)計工程研究所9.3.2 平面兩連桿關(guān)節(jié)型操作器平面兩連桿關(guān)節(jié)型操作器2）反向運動學(xué)問題）反向運動學(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，此位置稱為操作器的奇異位置。不存在，此位置稱為操作器的奇異位置。 021800j1j精密儀器與機械學(xué)系精密儀器與機械學(xué)系 設(shè)計工程研究所設(shè)計工程研究所9.3.2 平面兩連桿關(guān)節(jié)型操作器平面兩連桿關(guān)節(jié)型

19、操作器3）工作空間：）工作空間： 可達到的工作空間可達到的工作空間 靈活的工作空間靈活的工作空間)l(lyxll212b2b21 精密儀器與機械學(xué)系精密儀器與機械學(xué)系 設(shè)計工程研究所設(shè)計工程研究所9.3.3 平面三連桿關(guān)節(jié)型操作平面三連桿關(guān)節(jié)型操作器器1）正向運動學(xué)問題）正向運動學(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精密儀器與機械學(xué)系精密儀器與機械學(xué)系 設(shè)計工程研究所設(shè)計工程研究所9.3.3 平面三連桿關(guān)節(jié)型操作平面三連桿關(guān)節(jié)型操作器器1）正向運動學(xué)問題）正向運動學(xué)問題（2）速度分析）速度分析321jyxcc321321321yyyxxxj精密儀器與機械學(xué)系精密儀器與機械學(xué)系 設(shè)計工程研究所設(shè)計工程研究所9.3.3 平面三連桿關(guān)節(jié)型操作器平面三連桿關(guān)節(jié)型操作器2）反向運動學(xué)問題）反向運動學(xué)問題（1）位移分析）位移分析給定給定確定確定31 , , 2 ,y ,ccx思路思路：將三連桿問題轉(zhuǎn)：將三連桿