機(jī)構(gòu)學(xué)和機(jī)器人學(xué)-1空間機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)知識(shí)ppt課件

1、第一章第一章 空間機(jī)構(gòu)的根底知識(shí)空間機(jī)構(gòu)的根底知識(shí)一、構(gòu)件一、構(gòu)件機(jī)構(gòu)中能作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的剛體。機(jī)構(gòu)中能作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的剛體。 空間自在構(gòu)件具有六個(gè)自在度。空間自在構(gòu)件具有六個(gè)自在度。1-1 1-1 空間機(jī)構(gòu)的構(gòu)造分析空間機(jī)構(gòu)的構(gòu)造分析二、運(yùn)動(dòng)副二、運(yùn)動(dòng)副兩構(gòu)件直接接觸，允許兩構(gòu)件直接接觸，允許 相對(duì)運(yùn)動(dòng)的幾何銜接。相對(duì)運(yùn)動(dòng)的幾何銜接。運(yùn)動(dòng)副的自在度運(yùn)動(dòng)副的自在度兩構(gòu)件用運(yùn)動(dòng)副聯(lián)接后兩構(gòu)件用運(yùn)動(dòng)副聯(lián)接后 所允許的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。所允許的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)副的自在度一定滿足：運(yùn)動(dòng)副的自在度一定滿足：0F*6運(yùn)動(dòng)副提供的約束數(shù)目至少為運(yùn)動(dòng)副提供的約束數(shù)目至少為1最多為最多為5。l 根據(jù)運(yùn)動(dòng)副的約束數(shù)目的不同，空間機(jī)

2、構(gòu)根據(jù)運(yùn)動(dòng)副的約束數(shù)目的不同，空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副分為五級(jí)，即具有一個(gè)約束即為運(yùn)動(dòng)副分為五級(jí)，即具有一個(gè)約束即為級(jí)運(yùn)動(dòng)副依次類推。也可根據(jù)運(yùn)動(dòng)副的自級(jí)運(yùn)動(dòng)副依次類推。也可根據(jù)運(yùn)動(dòng)副的自在度在度 f 等于等于1、2、3、4、5而分別稱為而分別稱為、類副。類副。lf=1 f=1 類副類副回轉(zhuǎn)副符號(hào)回轉(zhuǎn)副符號(hào)R Rl 挪動(dòng)副符號(hào)挪動(dòng)副符號(hào)P Pl 螺旋副符號(hào)螺旋副符號(hào)H Hlf=2 f=2 類副類副圓柱副符號(hào)圓柱副符號(hào)C Cl 球銷副符號(hào)球銷副符號(hào)SSl 指環(huán)副符號(hào)指環(huán)副符號(hào)T Tl 指環(huán)螺旋副符號(hào)指環(huán)螺旋副符號(hào)THTHlf=3 f=3 類副類副球面副符號(hào)球面副符號(hào)S Sl 平面副符號(hào)平面副符號(hào)PLPLl

3、 柱銷副符號(hào)柱銷副符號(hào)SSSSlf=4 f=4 類副類副球槽副球槽副SGSG, ,l 平面圓柱副平面圓柱副CPCPlf=5 f=5 類副類副球平面副球平面副SPSPl 以上一切運(yùn)動(dòng)副假設(shè)為面接觸的運(yùn)以上一切運(yùn)動(dòng)副假設(shè)為面接觸的運(yùn)動(dòng)副稱為低副。動(dòng)副稱為低副。l 以上一切運(yùn)動(dòng)副假設(shè)為點(diǎn)線接觸的以上一切運(yùn)動(dòng)副假設(shè)為點(diǎn)線接觸的運(yùn)動(dòng)副稱為高副。運(yùn)動(dòng)副稱為高副。三、運(yùn)動(dòng)鏈和機(jī)構(gòu)三、運(yùn)動(dòng)鏈和機(jī)構(gòu) 運(yùn)動(dòng)鏈運(yùn)動(dòng)鏈兩個(gè)以上構(gòu)件以運(yùn)動(dòng)副銜接兩個(gè)以上構(gòu)件以運(yùn)動(dòng)副銜接 而成的系統(tǒng)。而成的系統(tǒng)。閉式鏈閉式鏈組成一個(gè)或多個(gè)封鎖形的運(yùn)動(dòng)鏈。組成一個(gè)或多個(gè)封鎖形的運(yùn)動(dòng)鏈。 開鏈開鏈不可組成封鎖形的運(yùn)動(dòng)鏈。不可組成封鎖形的運(yùn)動(dòng)鏈

4、。l 簡單運(yùn)動(dòng)鏈簡單運(yùn)動(dòng)鏈運(yùn)動(dòng)鏈中可出現(xiàn)與其它三運(yùn)動(dòng)鏈中可出現(xiàn)與其它三個(gè)構(gòu)件相連的構(gòu)件時(shí)。如圖個(gè)構(gòu)件相連的構(gòu)件時(shí)。如圖a、b、c，否那，否那么稱為復(fù)雜運(yùn)動(dòng)鏈，如圖么稱為復(fù)雜運(yùn)動(dòng)鏈，如圖d。l 運(yùn)動(dòng)鏈的自在度運(yùn)動(dòng)鏈的自在度獨(dú)立相對(duì)運(yùn)動(dòng)的個(gè)數(shù)獨(dú)立相對(duì)運(yùn)動(dòng)的個(gè)數(shù)或各構(gòu)件相互位置變化所需自在參數(shù)廣或各構(gòu)件相互位置變化所需自在參數(shù)廣義坐標(biāo)的個(gè)數(shù)。例如上圖義坐標(biāo)的個(gè)數(shù)。例如上圖a四個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)四個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)1、2、3、4中只需一個(gè)自在參數(shù)如中只需一個(gè)自在參數(shù)如1F=1，上圖，上圖b三個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)三個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)1、2、3均為自在參數(shù)，均為自在參數(shù)，F(xiàn)=3。l四、空間機(jī)構(gòu)確定運(yùn)動(dòng)的條件四、空間機(jī)構(gòu)確定運(yùn)動(dòng)的條件l 同

5、樣對(duì)于空間機(jī)構(gòu)原動(dòng)件數(shù)同樣對(duì)于空間機(jī)構(gòu)原動(dòng)件數(shù)l = = 機(jī)構(gòu)自在度機(jī)構(gòu)自在度F Fl 假設(shè)空間機(jī)構(gòu)原動(dòng)件數(shù)小于假設(shè)空間機(jī)構(gòu)原動(dòng)件數(shù)小于F F那么運(yùn)動(dòng)那么運(yùn)動(dòng)不確定，大于不確定，大于F F將無法運(yùn)動(dòng)甚至機(jī)構(gòu)遭至毀將無法運(yùn)動(dòng)甚至機(jī)構(gòu)遭至毀壞。壞。l留意：有間隙的情況。留意：有間隙的情況。l五、空間機(jī)構(gòu)的自在度五、空間機(jī)構(gòu)的自在度l一空間機(jī)構(gòu)的自在度一空間機(jī)構(gòu)的自在度l 假設(shè)空間機(jī)構(gòu)由假設(shè)空間機(jī)構(gòu)由N N個(gè)構(gòu)件組成，其中之一個(gè)構(gòu)件組成，其中之一為機(jī)架，活動(dòng)構(gòu)件數(shù)為為機(jī)架，活動(dòng)構(gòu)件數(shù)為n=N-1n=N-1，構(gòu)件其，構(gòu)件其P1P1個(gè)個(gè)級(jí)副、級(jí)副、P2P2個(gè)個(gè)級(jí)副級(jí)副P5P5個(gè)個(gè)級(jí)副那么級(jí)副那么空間機(jī)構(gòu)

6、相對(duì)于機(jī)架自在度空間機(jī)構(gòu)相對(duì)于機(jī)架自在度: :l l 1 11 1l 1234523456PPPPPnF 作變換，假設(shè)機(jī)構(gòu)中共有作變換，假設(shè)機(jī)構(gòu)中共有K個(gè)運(yùn)動(dòng)副，第個(gè)運(yùn)動(dòng)副，第i個(gè)運(yùn)個(gè)運(yùn)動(dòng)副的自在度為動(dòng)副的自在度為 fi 即提供的約束為即提供的約束為6fi，那么：那么：)21 ()6() 1(61KiifNFl 在單閉鏈空間機(jī)構(gòu)中，由于在單閉鏈空間機(jī)構(gòu)中，由于K=N，代入，代入12得：得：l問：開鏈機(jī)構(gòu)？問：開鏈機(jī)構(gòu)？)31 (6)6() 1(61)(1NiKNiiiffNF111NiiKiiffFl 例例1：1671iifFl由式由式13當(dāng)當(dāng)F=1時(shí)，運(yùn)動(dòng)副所允時(shí)，運(yùn)動(dòng)副所允許的自在度為許的

7、自在度為7。511pfFKiil例例2 2：8262211ppfFKiil例例3 3：l選擇兩種具有轉(zhuǎn)動(dòng)輸入和直線輸出的單自選擇兩種具有轉(zhuǎn)動(dòng)輸入和直線輸出的單自在度空間機(jī)構(gòu)規(guī)定活動(dòng)構(gòu)件數(shù)在度空間機(jī)構(gòu)規(guī)定活動(dòng)構(gòu)件數(shù)n3。l例例4 4：二具有公共約束條件的機(jī)構(gòu)自在度計(jì)算二具有公共約束條件的機(jī)構(gòu)自在度計(jì)算 所得公共約束由機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副的特殊配置，使所得公共約束由機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副的特殊配置，使構(gòu)件都失去了某些運(yùn)動(dòng)的能夠，即該機(jī)構(gòu)構(gòu)件都失去了某些運(yùn)動(dòng)的能夠，即該機(jī)構(gòu)上一切構(gòu)件加上了假設(shè)干個(gè)公共約束。因上一切構(gòu)件加上了假設(shè)干個(gè)公共約束。因此此1 11 1能夠直接用需修正。對(duì)機(jī)構(gòu)所能夠直接用需修正。對(duì)機(jī)構(gòu)所加公共約束

8、最多為加公共約束最多為4 4個(gè)。個(gè)。l 對(duì)機(jī)構(gòu)所加公共約束可分為五族，由于具對(duì)機(jī)構(gòu)所加公共約束可分為五族，由于具有有m個(gè)公共約束的機(jī)構(gòu)任一活動(dòng)構(gòu)件組成運(yùn)個(gè)公共約束的機(jī)構(gòu)任一活動(dòng)構(gòu)件組成運(yùn)動(dòng)鏈時(shí)只具有動(dòng)鏈時(shí)只具有6m個(gè)自在度。而運(yùn)動(dòng)個(gè)自在度。而運(yùn)動(dòng)鏈中：鏈中：l 級(jí)副級(jí)副約束度為約束度為5ml 級(jí)副級(jí)副約束度為約束度為4ml l 當(dāng)當(dāng)m=0零族機(jī)構(gòu)即可加任何公共約束，零族機(jī)構(gòu)即可加任何公共約束，機(jī)構(gòu)自在度計(jì)算公式用機(jī)構(gòu)自在度計(jì)算公式用11。l m=1一族機(jī)構(gòu)不能夠存在一族機(jī)構(gòu)不能夠存在級(jí)副級(jí)副l 14l m=2二族機(jī)構(gòu)不能夠存在二族機(jī)構(gòu)不能夠存在、級(jí)副級(jí)副l 15l m=3三族機(jī)構(gòu)不能夠存在三族

9、機(jī)構(gòu)不能夠存在、級(jí)副級(jí)副l 16l m=4四族機(jī)構(gòu)不能夠存在四族機(jī)構(gòu)不能夠存在、級(jí)副級(jí)副l 17l總結(jié)得：總結(jié)得：l 1823452345PPPPnF345234PPPnF4523PPnF52PnFmiipimnmF516)6()6(l 類似12式寫法，第i 運(yùn)動(dòng)副的自在度fi，公共約束為m，該運(yùn)動(dòng)副提供的約束6mfi那么：KiifmNmF1)6() 1)(6(l 單閉鏈空間機(jī)構(gòu)，由于運(yùn)動(dòng)副數(shù)為K個(gè)等于機(jī)構(gòu)構(gòu)件數(shù)N：)101 ()6( )6()6() 1)(6(111mfmffmNmFNiNiiiNiil 公共約束非常困難，對(duì)分族學(xué)術(shù)界還有異議。運(yùn)用式11除需正確判別機(jī)構(gòu)的族以外，與平面機(jī)構(gòu)類

10、似還需留意虛約束和部分自在度。l(三割斷機(jī)架計(jì)算機(jī)構(gòu)的自在度l 上式第一項(xiàng)可以看作機(jī)架割斷后所得的一個(gè)開式鏈的自在度，然后再把末桿接到機(jī)構(gòu)上，回到原機(jī)構(gòu)。l 算出的結(jié)果與算出的結(jié)果與1 11010一樣，因此一樣，因此1 11010右邊第二項(xiàng)右邊第二項(xiàng)為末桿接上后所消除的自在度，因?yàn)槟U接上后所消除的自在度，因此關(guān)鍵是判別末桿的自在度此關(guān)鍵是判別末桿的自在度。l 例例5 5：將機(jī)架斷開成一開式鏈，那么開式鏈：將機(jī)架斷開成一開式鏈，那么開式鏈：414iifF開l 由圖示末桿由圖示末桿4的自在度為的自在度為3，與開式鏈不同，由，與開式鏈不同，由式式110那么那么=3411iifF開l 對(duì)于空間機(jī)構(gòu)末

11、端自在度最高不可超越對(duì)于空間機(jī)構(gòu)末端自在度最高不可超越6 6個(gè)，分析末個(gè)，分析末端自在度歸結(jié)為分析末端轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)目和末端挪動(dòng)數(shù)目之和：端自在度歸結(jié)為分析末端轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)目和末端挪動(dòng)數(shù)目之和：l =r+t=r+tt+ tr (r3, t 3) =r+t=r+tt+ tr (r3, t 3)的直觀判別法：的直觀判別法： 1 1、如各轉(zhuǎn)動(dòng)或挪動(dòng)軸線都平行于一個(gè)方向，那么、如各轉(zhuǎn)動(dòng)或挪動(dòng)軸線都平行于一個(gè)方向，那么r=1r=1或或tt=1tt=1；如分別平行于兩個(gè)不同的方向，那么；如分別平行于兩個(gè)不同的方向，那么r=2r=2或或tt=2tt=2；如還有不與前兩個(gè)方向共面的第三個(gè)方向，那；如還有不與前兩個(gè)方向共面的

12、第三個(gè)方向，那么么r=3r=3或或tt=3tt=3。 2 2、當(dāng)、當(dāng)tttt3 3時(shí)，當(dāng)構(gòu)件繞兩個(gè)平行軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由這兩時(shí)，當(dāng)構(gòu)件繞兩個(gè)平行軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由這兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)可衍生一個(gè)挪動(dòng)自在度，即個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)可衍生一個(gè)挪動(dòng)自在度，即tr=1tr=1；當(dāng)構(gòu)件繞三；當(dāng)構(gòu)件繞三個(gè)或三個(gè)以上平行軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，那么衍生兩個(gè)挪動(dòng)自在度，個(gè)或三個(gè)以上平行軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，那么衍生兩個(gè)挪動(dòng)自在度，即即tr=2tr=2。l 多閉鏈空間機(jī)構(gòu)，假設(shè)空間機(jī)構(gòu)有L個(gè)封鎖形，那么割斷機(jī)架后可以得到L個(gè)開鏈，就有L個(gè)末桿，再思索有fa個(gè)部分自在度，那么：aLjjKiiffF11(1-11)l例例6 6： 該空間機(jī)構(gòu)有該空間機(jī)構(gòu)有2 2個(gè)封鎖形，割斷機(jī)架

13、后可以得到個(gè)封鎖形，割斷機(jī)架后可以得到2 2個(gè)末個(gè)末桿，兩個(gè)開式鏈：桿，兩個(gè)開式鏈：1-2-3-4-11-2-3-4-1和和1-4-5-6-11-4-5-6-1。那么：。那么：1672171jjiifFl例例7 7：l例例8 8： 該空間機(jī)構(gòu)有該空間機(jī)構(gòu)有5個(gè)封鎖形個(gè)封鎖形:1-2-3-4-1(=3); 1-4-5-13-6-1 (=6); 6-13-11-12-6 (=3); 9-10-12-11-9 (=3);1-6-7-8-1 (=6); 那么：那么：22212551171ajjiiffFl六、空間機(jī)構(gòu)的運(yùn)用六、空間機(jī)構(gòu)的運(yùn)用縫紉機(jī)彎針機(jī)構(gòu)縫紉機(jī)彎針機(jī)構(gòu)空間連桿機(jī)構(gòu)空間連桿機(jī)構(gòu)0-7-8

14、-9-10-0，F(xiàn)2起落架收放轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)起落架收放轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)收放動(dòng)作實(shí)現(xiàn)：空間四桿機(jī)構(gòu)收放動(dòng)作實(shí)現(xiàn)：空間四桿機(jī)構(gòu)0-1-2-3-0和和0-1-4-5-0轉(zhuǎn)輪動(dòng)作實(shí)現(xiàn)：空間機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)輪動(dòng)作實(shí)現(xiàn)：空間機(jī)構(gòu)0-1-6-11-0和和1-6-7-8-9-10-11-2 1-2 空間機(jī)構(gòu)的構(gòu)造綜合空間機(jī)構(gòu)的構(gòu)造綜合1、單自在度平面機(jī)構(gòu)的構(gòu)造綜合、單自在度平面機(jī)構(gòu)的構(gòu)造綜合 研討一定數(shù)量的構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副可以組成多少機(jī)構(gòu)型研討一定數(shù)量的構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副可以組成多少機(jī)構(gòu)型式的綜合過程。本質(zhì)是陳列與組合的數(shù)學(xué)問題?？衫檬降木C合過程。本質(zhì)是陳列與組合的數(shù)學(xué)問題?？衫脠D論和矩陣工具研討。圖論和矩陣工具研討。 單自在度的低副機(jī)構(gòu)

15、是由具有單自在度的低副機(jī)構(gòu)是由具有4個(gè)自在度的運(yùn)動(dòng)鏈個(gè)自在度的運(yùn)動(dòng)鏈所組成，自在度為所組成，自在度為4的運(yùn)動(dòng)鏈應(yīng)滿足以下關(guān)系：的運(yùn)動(dòng)鏈應(yīng)滿足以下關(guān)系：(1) n2=4, n3=4(2) n2=5, n3=2, n4=1(3) n2=6, n4=22、圖論法進(jìn)展分析、圖論法進(jìn)展分析1 2 3 4 5 6 7 圖與運(yùn)動(dòng)鏈的變換：運(yùn)動(dòng)鏈的綜合問題可以轉(zhuǎn)化為圖與運(yùn)動(dòng)鏈的變換：運(yùn)動(dòng)鏈的綜合問題可以轉(zhuǎn)化為研討一定數(shù)量的頂與邊可以聯(lián)接為多少種不同構(gòu)圖的問題。研討一定數(shù)量的頂與邊可以聯(lián)接為多少種不同構(gòu)圖的問題。 圖中頂代表構(gòu)件，邊代表轉(zhuǎn)動(dòng)副。變換圖中邊作為構(gòu)件，圖中頂代表構(gòu)件，邊代表轉(zhuǎn)動(dòng)副。變換圖中邊作為構(gòu)件，頂作為轉(zhuǎn)動(dòng)副，變換圖實(shí)踐上就是運(yùn)動(dòng)鏈的圖形。頂作為轉(zhuǎn)動(dòng)副，變換圖實(shí)踐上就是運(yùn)動(dòng)鏈的圖形。以八桿鏈為例，對(duì)應(yīng)的圖中，以八桿鏈為例，對(duì)應(yīng)的圖中，v=8，e=10，L=3。3、空間單封鎖形單自在、空間單封鎖形單