清華大學(xué)機械設(shè)計基礎(chǔ)講義開式鏈機構(gòu)ppt課件

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9章 開式鏈機構(gòu)9.1 開式鏈機構(gòu)的特點及運用開式鏈機構(gòu)的特點及運用9.2 開式鏈機構(gòu)的構(gòu)造分析開式鏈機構(gòu)的構(gòu)造分析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)特點及運用開式鏈機構(gòu)特點及運用 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，更為恣意和復(fù)鏈中任何構(gòu)件的運動相比，更為恣意和復(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運動鏈要成為有確定

2、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：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。機器人是一種靈敏的、萬能的、具有多目的用途的自動化系統(tǒng)。機器人是一種靈敏的、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,其中包括在其中包括在變化之中及沒有事先闡明的情況下的作業(yè)。變化之中及沒有事先闡明的情況下的作業(yè)。傳統(tǒng)自動機：傳統(tǒng)自動

3、機：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。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反由連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)等所組成的傳統(tǒng)自動機用于完成單一的反復(fù)的作業(yè)。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)的運用開式鏈機構(gòu)的運用 利用開式運動鏈的特點，結(jié)合伺服控制和計算機利用開式運動鏈的特點，結(jié)合伺服控制和計算機的運用，開式鏈機構(gòu)在各種機器人和機械手中得到了的運用，開式鏈機構(gòu)在各種機器人和機械手中得到了廣泛的運用。廣泛的運用。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作器協(xié)調(diào)任務(wù)多操作器協(xié)調(diào)任務(wù) 精密

4、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)的構(gòu)造分析開式鏈機構(gòu)的構(gòu)造分析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統(tǒng)，是機器人握持工具或工件，完成各種運動和操作義務(wù)的，完成各種運動和操作義務(wù)的機械部分。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，引見開式鏈機構(gòu)的組成和構(gòu)造引見開式鏈機構(gòu)的組成和構(gòu)造組成：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)計工程研究所設(shè)計工程研究所 操作器的白由度：等于操作器

5、操作器的白由度：等于操作器中各運動部件自在度的總和，中各運動部件自在度的總和，F(xiàn) = f i 。 在確定操作器一切構(gòu)件的位置時在確定操作器一切構(gòu)件的位置時所必需給定的獨立運動參數(shù)的數(shù)所必需給定的獨立運動參數(shù)的數(shù)目。目。9.2.2操作器的自在度操作器的自在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)和挪動關(guān)節(jié)。轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和挪動關(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，臂部各關(guān)節(jié)稱為操作器的根本關(guān)節(jié)。臂部各關(guān)節(jié)稱為操

6、作器的根本關(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操作器的自在度操作器的自在度1. 臂部自在度組合臂部自在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操作器的自在度操作器的自在度1. 臂部自在度組合臂部自在度組合直線及回轉(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 操作器的自在度操作器的自在度結(jié)論：結(jié)論：為了使操作器手部可以到達空間任一指定位置，通用為了使操作器手部可以到達空間任一指定位置，通用的空間

7、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個自在度。個自在度。 為了使操作器手部可以到達平面任一指定位置，通用的為了使操作器手部可以到達平面任一指定位置，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個自在度。個自在度。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 操作器的自在度操作器的自在度腕部自在度：用來調(diào)整手部在空間的形狀腕部自在度：用來調(diào)整手部在空間的形狀為了使手爪在平面中能獲得恣意要求的姿態(tài)，在通用的為了使手爪在平面中能獲得恣意要求的姿態(tài)，在通用的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)。平面機器人操作器

8、中，其腕部應(yīng)至少有個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。手部運動的自在度普通不計入操作器的自在度數(shù)目中。手部運動的自在度普通不計入操作器的自在度數(shù)目中。 為了使手爪在空間能獲得恣意要求的為了使手爪在空間能獲得恣意要求的姿態(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個自在度。普通情個自在度。普通情況下，這況下，這3個關(guān)節(jié)為軸線相互垂直的個關(guān)節(jié)為軸線相互垂直的轉(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 操作器的自在度操作器的自在度結(jié)論：結(jié)論：通用的空間機器人操作器的自在度大于等于通用的空間機器人操作器的自在度大于等于6位置

9、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。僅用挪動關(guān)節(jié)不能夠建立通用的空間或平面機器人。僅用挪動關(guān)節(jié)不能夠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在度大于等于通用的平面機器人操作器的自在度大于等于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操作器的自在度操作器的自在度冗余自在度：冗余自在度：操作器自在度數(shù)大于操作器自在度數(shù)大于6時，手爪可繞過妨?xí)r，手爪可繞過妨礙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

10、程研究所設(shè)計工程研究所特點：特點：三個根本關(guān)節(jié)均為挪動關(guān)節(jié)。三個根本關(guān)節(jié)均為挪動關(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)的任務(wù)范圍小占據(jù)空間大，相應(yīng)的任務(wù)范圍小優(yōu)點：優(yōu)點： 構(gòu)造簡單，運動直觀性強，便構(gòu)造簡單，運動直觀性強，便于實現(xiàn)高精度。于實現(xiàn)高精度。9.2.3 操作器的構(gòu)造分類操作器的構(gòu)造分類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)計工程研究所三個根本關(guān)節(jié)：挪動關(guān)節(jié)三個根本關(guān)節(jié)：挪動關(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，構(gòu)

11、造緊湊，任務(wù)范圈大。小，構(gòu)造緊湊，任務(wù)范圈大。缺陷：受升降機構(gòu)的限制，普通不缺陷：受升降機構(gòu)的限制，普通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 操作器的構(gòu)造分類操作器的構(gòu)造分類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 三個根本關(guān)節(jié)：挪動關(guān)節(jié)三個根本關(guān)節(jié)：挪動關(guān)節(jié)個，轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)個，轉(zhuǎn)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優(yōu)點：由于其具有俯仰白由度，能完成從地面提取工件的義，能完成從地面提取工件的義務(wù)，任務(wù)范圍擴展了。務(wù)，任務(wù)范圍擴展了。缺陷：運動直現(xiàn)性差，構(gòu)

12、造較缺陷：運動直現(xiàn)性差，構(gòu)造較復(fù)雜，臂端的位置誤差會隨臂復(fù)雜，臂端的位置誤差會隨臂的伸長而放大。的伸長而放大。9.2.3 操作器的構(gòu)造分類操作器的構(gòu)造分類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)計工程研究所三個根本關(guān)節(jié)為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)三個根本關(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，任務(wù)范圍大，優(yōu)點：占據(jù)空間小，任務(wù)范圍大，可繞過妨礙物提取和運送工件。可繞過妨礙物提取和運送工件。缺陷：運動直觀性差，驅(qū)動控制比缺陷：運動直觀性差，驅(qū)動控制比較復(fù)雜。較復(fù)雜。9.2.3 操作器的構(gòu)造分類操作器的構(gòu)造分類4. 關(guān)節(jié)型又稱屈伸型關(guān)節(jié)型又稱

13、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 研討的主要問題研討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)問題任務(wù)空間任務(wù)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)。9.3.1 研討的主要問題研討的主要問題1正向運動學(xué)問題正向運動學(xué)問題可獲得一組獨一確定的解?？色@得一組獨一確定的解。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

14、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 研討的主要問題研討的主要問題2反向運動學(xué)問題反向運動學(xué)問題 對于任務(wù)所要求的末端執(zhí)對于任務(wù)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)行器到達給定的位置和姿態(tài)。到達給定的位置和姿態(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操在機器人運動過程中其操作器臂端所能到達的全部點所作器臂端所能到達的全部點所構(gòu)成的空間，其外形和大小反構(gòu)成的空間，其外形和大小反

15、映了一個機器人的任務(wù)才干。映了一個機器人的任務(wù)才干。9.3.1 研討的主要問題研討的主要問題3任務(wù)空間任務(wù)空間可到達的任務(wù)空間：機器人末可到達的任務(wù)空間：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到達的空間范圍。能到達的空間范圍。靈敏的任務(wù)空間：機器人末端執(zhí)行器在一切方位均能到靈敏的任務(wù)空間：機器人末端執(zhí)行器在一切方位均能到達的空間范圍。達的空間范圍。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)計工程研究所知關(guān)節(jié)參數(shù)，求解位置和姿態(tài)坐標(biāo)。知關(guān)節(jié)參數(shù)，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

16、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)問題知各位置

17、和速度參數(shù)，求關(guān)節(jié)參知各位置和速度參數(shù)，求關(guān)節(jié)參數(shù)。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1位移分析位移分析 ”取“取“”取“取“00221 BBxyarctan 18002B2B122212B2Byx2lllyxarccos 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

18、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， ， 不存在不存在，此位置稱為操作器的奇特位置。，此位置稱為操作器的奇特位置。 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)型操作器3任務(wù)空間：任務(wù)空間： 可到達的任務(wù)空間可到達的任務(wù)空間 靈敏的任務(wù)空間靈敏的任務(wù)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

19、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)型操作器平面三連桿關(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思緒：將三連桿問題轉(zhuǎn)思緒：將三連桿問題