清華大學(xué)機(jī)械原理課件--第9章_開式鏈機(jī)構(gòu).ppt

1、第9章 開式鏈機(jī)構(gòu),9.1 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 9.3 開式鏈機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué),9.1 開式鏈機(jī)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用,開式運(yùn)動(dòng)鏈中末端構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)與閉式運(yùn)動(dòng)鏈中任何構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)相比，更為任意和復(fù)雜多樣。,9.1.1 開式鏈機(jī)構(gòu)的特點(diǎn),開式運(yùn)動(dòng)鏈要成為有確定運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，常要更多的原動(dòng)機(jī)。,9.1.1 開式鏈機(jī)構(gòu)的特點(diǎn),機(jī)器人與傳統(tǒng)自動(dòng)機(jī)的區(qū)別:,機(jī)器人： 機(jī)器人的操作稱為柔性自動(dòng)化。 機(jī)器人是一種靈活的、萬能的、具有多目的用途的自動(dòng)化系統(tǒng)。易于調(diào)整來完成各種不同的勞動(dòng)作業(yè)和智能動(dòng)作,其中包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(dòng)機(jī)： 傳統(tǒng)自動(dòng)機(jī)的操作稱為固定自動(dòng)化。

2、 由連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)等所組成的傳統(tǒng)自動(dòng)機(jī)用于完成單一的重復(fù)的作業(yè)。,9.1.2 開式鏈機(jī)構(gòu)的應(yīng)用,利用開式運(yùn)動(dòng)鏈的特點(diǎn)，結(jié)合伺服控制和計(jì)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。,鉚接機(jī)器人,本田公司機(jī)器人,多操作器協(xié)調(diào)工作,9.2 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)動(dòng)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，介紹開式鏈機(jī)構(gòu)的組成和結(jié)構(gòu),組成：機(jī)身、臂部、腕部和手部（末端執(zhí)行器）等。,操作器的白由度：等于操作器中各運(yùn)動(dòng)部件自由度的總和，F(xiàn) = f i 。 在確定操作器所有構(gòu)件的位置時(shí)所必須

3、給定的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參數(shù)的數(shù)目。,9.2.2操作器的自由度,操作器的主運(yùn)動(dòng)鏈通常是一個(gè)裝在固定機(jī)架上的開式運(yùn)動(dòng)鏈。,操作器中的運(yùn)動(dòng)副僅包含單白由度的運(yùn)動(dòng)副轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和移動(dòng)關(guān)節(jié)。,操作器臂部的運(yùn)動(dòng)稱為操作器的主運(yùn)動(dòng)，臂部各關(guān)節(jié)稱為操作器的基本關(guān)節(jié)。,9.2.2操作器的自由度,1. 臂部自由度組合,直線運(yùn)動(dòng),回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),9.2.2操作器的自由度,1. 臂部自由度組合,直線及回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（1）,直線及回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（2）,9.2.2 操作器的自由度,結(jié)論：,為了使操作器手部能夠達(dá)到空間任一指定位置，通用的空間機(jī)器人操作器臂部應(yīng)至少具有3個(gè)自由度。,為了使操作器手部能夠達(dá)到平面任一指定位置，通用的平面機(jī)器人操作器得臂部應(yīng)

4、至少具有2個(gè)自由度。,9.2.3 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),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(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。 手部運(yùn)動(dòng)的自由度一般不計(jì)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姿態(tài)，在通用的空間機(jī)器人操作器中其腕部應(yīng)至少有3個(gè)自由度。一般情況下，這3個(gè)關(guān)節(jié)為軸線互相垂直的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。,9.2.2 操作器的自由度,結(jié)論：,通用的空間機(jī)器人操作器的自由度大于等于6（位置3個(gè)、姿態(tài)3個(gè)），其中轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)大于等于3。,僅用移動(dòng)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3（位置2個(gè)、

5、姿態(tài)1個(gè)），其中轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)大于等于1。,9.2.2操作器的自由度,冗余自由度：,操作器自由度數(shù)大于6時(shí)，手爪可繞過障礙到達(dá)一定的位置,特點(diǎn)： 三個(gè)基本關(guān)節(jié)均為移動(dòng)關(guān)節(jié)。 運(yùn)動(dòng)圖形：長(zhǎng)方體 占據(jù)空間大，相應(yīng)的工作范圍小 優(yōu)點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)直觀性強(qiáng)，便于實(shí)現(xiàn)高精度。,9.2.3 操作器的結(jié)構(gòu)分類,1. 直角坐標(biāo)型（又稱直移型）,三個(gè)基本關(guān)節(jié)：移動(dòng)關(guān)節(jié)2個(gè)，轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)個(gè) 運(yùn)動(dòng)圖形：空心圓柱 優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)直觀性強(qiáng)，占據(jù)空間較小，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,2. 圓柱坐標(biāo)型（又稱回轉(zhuǎn)型）,三個(gè)基本關(guān)節(jié)：移動(dòng)關(guān)節(jié)個(gè)，轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)

6、節(jié)2個(gè)。 運(yùn)動(dòng)圖形：空心球體 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)，工作范圍擴(kuò)大了。 缺點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)直現(xiàn)性差，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，臂端的位置誤差會(huì)隨臂的伸長(zhǎng)而放大。,9.2.3 操作器的結(jié)構(gòu)分類,3.球坐標(biāo)型（又稱俯仰型）,三個(gè)基本關(guān)節(jié)為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié) 運(yùn)動(dòng)圖形：球體 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。 缺點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)直觀性差，驅(qū)動(dòng)控制比較復(fù)雜。,9.2.3 操作器的結(jié)構(gòu)分類,4. 關(guān)節(jié)型（又稱屈伸型）,9.3 開式鏈機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué),9.3.1 研究的主要問題,正向運(yùn)動(dòng)學(xué)問題 反向運(yùn)動(dòng)學(xué)問題 工作空間,給定操作器的一組關(guān)節(jié)參數(shù)，確定其末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)。,9.3.1 研究

7、的主要問題,1）正向運(yùn)動(dòng)學(xué)問題,可獲得一組唯一確定的解。,給出末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)，求關(guān)節(jié)參數(shù)。,9.3.1 研究的主要問題,2）反向運(yùn)動(dòng)學(xué)問題,對(duì)于工作所要求的末端執(zhí)行器的一個(gè)給定位置和姿態(tài)，確定一組關(guān)節(jié)參數(shù)，使末端執(zhí)行器達(dá)到給定的位置和姿態(tài)。,解的存在性? 多重解？,在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中其操作器臂端所能達(dá)到的全部點(diǎn)所構(gòu)成的空間，其形狀和大小反映了一個(gè)機(jī)器人的工作能力。,9.3.1 研究的主要問題,3）工作空間,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(gè)方位上能達(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)到的空間范圍。,已知關(guān)節(jié)參數(shù)，求解位置和姿態(tài)坐標(biāo)。,9.3.2

8、 平面兩連桿關(guān)節(jié)型操作器,1）正向運(yùn)動(dòng)學(xué)問題,（1）位移分析,姿態(tài)角：,9.3.2 平面兩連桿關(guān)節(jié)型操作器,1）正向運(yùn)動(dòng)學(xué)問題,（2）速度分析,雅可比矩陣：,9.3.2 平面兩連桿關(guān)節(jié)型操作器,2）反向運(yùn)動(dòng)學(xué)問題,已知各位置和速度參數(shù)，求關(guān)節(jié)參數(shù)。,（1）位移分析,9.3.2 平面兩連桿關(guān)節(jié)型操作器,2）反向運(yùn)動(dòng)學(xué)問題,（1）位移分析,9.3.2 平面兩連桿關(guān)節(jié)型操作器,2）反向運(yùn)動(dòng)學(xué)問題,（2）速度分析,當(dāng) 或 時(shí)， ， 不存在，此位置稱為操作器的奇異位置。,9.3.2 平面兩連桿關(guān)節(jié)型操作器,3）工作空間：,可達(dá)到的工作空間,靈活的工作空間,9.3.3 平面三連桿關(guān)節(jié)型操作器,1）正向運(yùn)動(dòng)學(xué)問題,（1）位移分析,給定 確定,9.3.3 平面三連桿關(guān)節(jié)型操作器,1）正向運(yùn)動(dòng)學(xué)問題,（2）速度分析,9.3.3 平面三連桿關(guān)節(jié)型操作器,2）反向運(yùn)動(dòng)學(xué)問題,（1）位移分析,給定 確定,思路：將三連桿問題轉(zhuǎn)化為兩連桿問題求解！,計(jì)算出 和,9.3.3 平面三連桿關(guān)節(jié)型操作器,2）反向運(yùn)動(dòng)學(xué)問題,一般情況下，選擇使每個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)量最小的解。 有障礙時(shí)，應(yīng)避免與之碰撞。 在存在多重解時(shí)，必須求出所有可能的解，然 后根據(jù)具體情況加以選擇。,解的選擇原則：,9.3.3 平面三連桿關(guān)節(jié)型操作器,3