機器人技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用實踐-基于模塊化的機器人創(chuàng)意設(shè)計與實現(xiàn) 課件 第4章 機器人的機構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)

機器人的機構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的應(yīng)用分析但目

錄CONTENT1機構(gòu)的基本組成及分析2常用的平面機構(gòu)3個性化的機構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)4.1機構(gòu)的基本組成及分析機構(gòu)的基本組成及分析構(gòu)件

機構(gòu)是由許多構(gòu)件組成的，其功能在于傳遞運動或改變運動的形式。一般可分為平面機構(gòu)和空間機構(gòu)。本章重點介紹平面機構(gòu)的基本組成和基本概念。構(gòu)件是機構(gòu)的基本運動單元。通常由若干個機械零件剛性連接而成。構(gòu)件與零件的區(qū)別：構(gòu)件是運動的單元，而零件是制造的單元。不受任何約束的構(gòu)件稱為自由構(gòu)件。在平面坐標(biāo)系中，需要3個基本運動描述自由構(gòu)件，而空間坐標(biāo)系中，需要6個基本運動描述自由構(gòu)件。機構(gòu)的基本組成及分析兩構(gòu)件直接接觸并能產(chǎn)生相對運動的可動連接稱為運動副。運動副分為高副和低副。（a）高副機構(gòu)（b）低副機構(gòu)運動副低副：面和面接觸高副：點或線接觸機構(gòu)的基本組成及分析約束約束是限制構(gòu)件獨立運動的條件。約束是由機構(gòu)中各構(gòu)件的相互接觸引起的，接觸方式不同，約束不同低副：2個約束，1個自由度；①轉(zhuǎn)動副：兩個構(gòu)件間只能作相對旋轉(zhuǎn)運動的運動副；②移動副：兩個構(gòu)件間只能作相對移動運動的運動副。高副：1個約束，2個自由度。①齒輪副；②凸輪副。低運動副對構(gòu)件的約束(b）高運動副對構(gòu)件的約束機構(gòu)的基本組成及分析運動鏈閉鏈開鏈若干個構(gòu)件通過運動副聯(lián)接組成的系統(tǒng)，分為閉環(huán)和開環(huán)。分為平面運動鏈和空間運動鏈機構(gòu)的基本組成及分析自由度圖4-4平面機構(gòu)自由度

獨立運動參數(shù)的數(shù)目。機構(gòu)的自由度等于廣義坐標(biāo)的數(shù)目，用F表示。分為平面機構(gòu)自由度和空間機構(gòu)自由度。平面機構(gòu)的自由度計算假設(shè)，設(shè)平面機構(gòu)中共有n個活動構(gòu)件（機架不是活動構(gòu)件），在構(gòu)件未構(gòu)成運動副時共有3n個自由度；各構(gòu)件構(gòu)成運動副后，設(shè)共有PL個低副和PH個高副，則機構(gòu)將受到2PL+PH個約束，平面機構(gòu)的自由度F為：如果F>0，即機構(gòu)的自由度至少為1，且機構(gòu)的原動件數(shù)目應(yīng)等于機構(gòu)的自由度數(shù)目。如果F=0，則機構(gòu)已退化為一個構(gòu)件，即它將是一個結(jié)構(gòu)（structure）。機構(gòu)的基本組成及分析平面機構(gòu)運動簡圖常見運動副和構(gòu)件的規(guī)定畫法運動簡圖的繪制方法和步驟第1步分析機構(gòu)的功能和運動情況，分清固定件、原動件和從動件，確定構(gòu)件數(shù)目；第2步從原動件開始，按照運動的傳遞順序，分析各構(gòu)件之間的相對運動性質(zhì)，確定所有運動副的類型和數(shù)目；第3步選擇合理的位置（即能充分反映機構(gòu)的特性）；第4步確定比例尺，測出運動副的相對位置和尺寸；如果只是為了表達清楚傳動關(guān)系，也可以不用特別精確，如果是在實際生產(chǎn)中使用那就必須非常精確。第5步用規(guī)定的符號和線條繪制成簡圖。（從原動件開始畫)4.2常用的平面機構(gòu)平面四桿機構(gòu)的基礎(chǔ)知識

曲柄搖桿機構(gòu)連桿機構(gòu)是一種常見的傳動機構(gòu)。它是由多個有確定運動的構(gòu)件用低副（轉(zhuǎn)動副或移動副）聯(lián)接組成的平面機構(gòu)。如圖4-6所示，在機構(gòu)中四個運動副都是轉(zhuǎn)動副的四桿機構(gòu)也稱為鉸鏈四桿機構(gòu)最常見的基本形式有三種

曲柄搖桿機構(gòu)是指具有一個曲柄和一個搖桿的鉸鏈四桿機構(gòu)（圖4-7）。曲柄為主動件作整周轉(zhuǎn)動，搖桿為從動件作擺動，連桿作平面運動。平面四桿機構(gòu)的基礎(chǔ)知識雙曲柄機構(gòu)若兩連架桿均為曲柄的鉸鏈四連桿機構(gòu)稱為雙曲柄機構(gòu)。在雙曲柄機構(gòu)中，主動曲柄做等速運動，從動曲柄做變速運動，二者都做整周運動。1.雙搖桿機構(gòu)兩連架桿都是搖桿（擺桿）的鉸鏈四桿機構(gòu)，稱為雙搖桿機構(gòu)。雙搖桿機構(gòu)連桿上的轉(zhuǎn)動副都是周轉(zhuǎn)副（即二構(gòu)件相對運動為整周轉(zhuǎn)動），故連桿能相對于兩連架桿作整周回轉(zhuǎn)。平面四桿機構(gòu)的基礎(chǔ)知識

如何區(qū)分判定平面四桿機構(gòu)的類型？不是所有的由四根連桿構(gòu)件組成的機構(gòu)都是可以運動的，四桿機構(gòu)具備運動的條件為：鉸鏈四桿機構(gòu)的最短桿與最長桿的長度之和小于或等于其余兩桿長度之和。取最短桿的任一鄰桿為機架時，構(gòu)成曲柄搖桿機構(gòu)；取最短桿為機架時，構(gòu)成雙曲柄機構(gòu)；取最短桿為連桿時，構(gòu)成雙搖桿機構(gòu)；

鉸鏈四桿機構(gòu)的演化在四桿機構(gòu)中通常也會包含一個或兩個移動副，其典型代表機構(gòu)就是曲柄滑塊機構(gòu)，是指用曲柄和滑塊來實現(xiàn)轉(zhuǎn)動和移動相互轉(zhuǎn)換的平面連桿機構(gòu)平面四桿機構(gòu)的基礎(chǔ)知識設(shè)計中應(yīng)注意的問題計算機構(gòu)的自由度；傳動角和自鎖；死點位置的克服與利用；運動不確定性的克服；是否有曲柄和急回運動的要求；動態(tài)空間與軌跡干涉；調(diào)節(jié)（如：桿長調(diào)節(jié)）。平面四桿機構(gòu)的應(yīng)用實例平面四桿機構(gòu)的典型應(yīng)用實例磕頭機汽車電動雨刮器四連桿并聯(lián)機械臂連桿手爪機構(gòu)滑塊平移機構(gòu)游梁驢頭電機曲柄連桿支架底座齒輪機構(gòu)的基礎(chǔ)知識

平面齒輪傳動直齒輪傳動齒輪與齒條傳動斜齒齒輪傳動人字齒輪傳動齒輪機構(gòu)的基礎(chǔ)知識空間齒輪傳動空間齒輪傳動主要用于兩相交軸或兩交錯軸之間的動力和運動傳遞。常見的傳動機構(gòu)如錐齒輪傳動（圖4-19）、蝸桿傳動齒輪傳動主要用于兩軸之間轉(zhuǎn)動速度的傳遞和變換，有時為了得到較大的傳動比，也可以使用多級齒輪傳動，進行多級變速齒輪機構(gòu)的應(yīng)用實例

齒輪機構(gòu)的應(yīng)用實例齒輪組手爪齒輪組連桿小仿生四足簡易減速裝置齒輪齒條平移機構(gòu)從動輪主動輪手指b手指a凸輪機構(gòu)的基礎(chǔ)知識凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu)是由凸輪、推桿和機架組成的一種常見的高副運動機構(gòu)。它可以通過凸輪的回轉(zhuǎn)將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為往復(fù)的直線移動或擺動，其組成包括：主動件，凸輪，具有曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，作勻速運動（轉(zhuǎn)動、擺動或移動）；從動件，推桿，被凸輪直接推動作間歇（連續(xù)）移動或擺動。機架機架從動件凸輪（a）內(nèi)燃機配氣凸輪機構(gòu)（b）自動機床進刀凸輪機構(gòu)凸輪機構(gòu)的應(yīng)用示例凸輪機構(gòu)的應(yīng)用實例示例1滾子移動從動桿盤狀運動模型——圓周轉(zhuǎn)平動滾子移動從動桿盤狀運動模型：圓周轉(zhuǎn)平動—這是一個平動滾子推桿潘形凸輪機構(gòu)，由驅(qū)動源凸輪A，滾子B以及與滾子連接的輸出桿件推桿組成，滾子由于重力因素與凸輪A接觸，推桿受支架限制只能在豎直方向運動；A輪固定點偏離圓心作為一個凸輪，做圓周運動，滾子B的圓心的位置與A輪固定位置豎直方向的距離不斷變化，使得輸出桿件最終運動表現(xiàn)為平動。凸輪機構(gòu)的應(yīng)用示例示例2等寬凸輪運動模型——鏡像運動等寬凸輪運動模型：鏡像運動—這個機構(gòu)可以分解為兩個平動平底推桿盤狀凸輪機構(gòu)，第一個是由凸輪a，支架框b和推桿c1組成，另一個是由凸輪a，支架框b和推桿c2組成，支架框b受重力影響與凸輪a始終接觸，c1、c2桿由于支架的限制只能在豎直方向運動；凸a作為驅(qū)動源做圓周運動，b框與a輪的接觸點與a輪的固定點的距離不斷變化，使得c1桿在豎直方向移動，由于c2桿與c1桿位置相對，所以c2桿的運動狀態(tài)與c1桿的運動狀態(tài)相反，兩個推桿運動互為鏡像。4.3個性化的機構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)基于形態(tài)學(xué)矩陣法的方案設(shè)計與應(yīng)用形態(tài)學(xué)矩陣法的基本概念形態(tài)學(xué)矩陣法是建立在功能分解和功能求解基礎(chǔ)上的一種系統(tǒng)搜索和程式化求解分功能的組合求解方法，也是進行機械系統(tǒng)組成和創(chuàng)新的基本途徑之一。包含因素和形態(tài)兩個概念。因素是指構(gòu)成機械產(chǎn)品總功能的各個分功能。形態(tài)則是指實現(xiàn)各分功能的執(zhí)行機構(gòu)和技術(shù)手段。形態(tài)學(xué)矩陣法方案設(shè)計步驟功能細(xì)化分解根據(jù)設(shè)計要求、機構(gòu)的動作過程，結(jié)合設(shè)計者的經(jīng)驗?zāi)芰Φ?，將所設(shè)計的機構(gòu)功能細(xì)化分解為若干基本功能，力求使分功能的動作能夠用某一類的執(zhí)行機構(gòu)來實現(xiàn)。功能載體求解從基本功能的性質(zhì)及擬采用的執(zhí)行機構(gòu)，尋找實現(xiàn)的工作原理，再從工作原理尋求與功能匹配的相應(yīng)支撐載體。方案組成建立機械系統(tǒng)分功能與功能載體之間的組合而得出的全體方案，并根據(jù)相容性條件進行初步篩選，剔除無意義或無價值方案。方案評價評價與確定方案是個性化機構(gòu)或零件設(shè)計的關(guān)鍵步驟。組織實施繪制機械圖或結(jié)構(gòu)模型，選擇合適材料和加工方式，組織加工制作?；谛螒B(tài)學(xué)矩陣法的方案設(shè)計與應(yīng)用

應(yīng)用舉例以我們熟悉的生產(chǎn)裝配流水線上的碼垛/搬運機器人為例，運用形態(tài)學(xué)矩陣法來構(gòu)思機器人末端執(zhí)行器的可行方案。

總功能分解首先，根據(jù)被抓物體的外形，可以初步將末端執(zhí)行器分為機械夾持式和吸附式然后，根據(jù)材料類型進一步細(xì)化分解。如瓜果蔬菜需要柔性夾爪，硬質(zhì)工件可以使用剛性夾鉗或手爪最后，還需要結(jié)合被抓物的重量尺寸再次分解。如口罩和玻璃，雖然末端執(zhí)行器都可以選擇真空吸附類，但

因材料不同，吸盤數(shù)量大小自然有區(qū)別?；谛螒B(tài)學(xué)矩陣法的方案設(shè)計與應(yīng)用分功能求解

剛性夾持式手爪的功能載體有兩指，三指或多指等3種結(jié)構(gòu)，加工工藝的功能載體可以采用減材、增材、成形等3種；常用驅(qū)動控制的功能載體有電動和氣動兩種方式，如表4-1所示。列出形態(tài)學(xué)矩陣方案根據(jù)前面分析和數(shù)學(xué)中的排列組合，可以列出夾持式末端執(zhí)行器的形態(tài)學(xué)矩陣的方案共有3×3×2=18種方案。方案的評價與選擇根據(jù)被夾物品材質(zhì)、尺寸、重量，現(xiàn)有的加工條件以及控制方式，可以初步確定（A1、A2），（B1、B2），（C1，C2）組成8種基本方案。如果考慮機械模型和應(yīng)用場景和設(shè)計加工靈活性，分功能選擇兩指夾持式和增材制造工藝中的3D打印技術(shù)，經(jīng)過進一步優(yōu)化篩選，功能解只有A1-B2-C1和A1-B2-C2兩種可選方案。計算機輔助