機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué) 課件 第8、9章 0T-3R并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)綜合與分類、移動機(jī)器人的運(yùn)動機(jī)構(gòu)

0T-3R并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)綜合與分類工業(yè)和信息化部“十四五”規(guī)劃教材機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)第八章01支路結(jié)構(gòu)類型與支路組合表4-3列出了只含R副與P副、相應(yīng)于不同運(yùn)動輸出特征矩陣MS的SOC結(jié)構(gòu)類型，可從中直接選取滿足的

結(jié)構(gòu)類型。支路結(jié)構(gòu)類型與支路組合單開鏈支路結(jié)構(gòu)類型支路結(jié)構(gòu)類型與支路組合如表8-1中的SOC{II-A(1)}、SOC{I-B(1)}、SOC{I-B(2)}和SOC{II-C(3)}等支路類型。支路結(jié)構(gòu)類型與支路組合支路結(jié)構(gòu)類型與支路組合該支路的更一般形式如圖8-1(a)所示。支路結(jié)構(gòu)類型與支路組合混合單開鏈支路結(jié)構(gòu)類型支路組合方案考慮并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)支路數(shù)目、主動副位置、結(jié)構(gòu)對稱性、SOC支路與HSOC支路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與運(yùn)動輸出特征，由表8-1選定可能構(gòu)成0T-3R并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的部分支路組合方案如下：支路結(jié)構(gòu)類型與支路組合支路結(jié)構(gòu)類型與支路組合支路結(jié)構(gòu)類型與支路組合020T-3R并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)綜合步驟1確定并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動輸出特征矩陣MPa。步驟2構(gòu)造SOC支路結(jié)構(gòu)類型，見表8-1所示。步驟3確定支路組合方案。0T-3R并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)綜合支路僅為單開鏈的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)綜合步驟4確定各基本回路的秩ξLj。步驟5確定各基本回路結(jié)構(gòu)類型。步驟6確定支路在兩平臺之間的配置方位?！啊?T-3R并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)綜合01020304步驟7判定消極運(yùn)動副。步驟8確定主動副位置。步驟9確定機(jī)構(gòu)耦合度。步驟10判定活動度類型與控制解耦性。0T-3R并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)綜合步驟1確定并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動輸出特征矩陣MPa。步驟2構(gòu)造HSOC支路的結(jié)構(gòu)類型，見表8-1所示。步驟3確定支路組合方案。0T-3R并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)綜合支路有混合單開鏈的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)綜合步驟4確定各基本回路的秩ξLj。步驟5確定基本回路結(jié)構(gòu)類型。步驟6確定支路兩平臺之間的配置方位。0T-3R并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)綜合步驟7判定機(jī)構(gòu)消極運(yùn)動副。步驟8確定主動副位置。步驟9確定機(jī)構(gòu)耦合度。步驟10確定活動度類型與控制解耦性。0T-3R并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)綜合030T-3R并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類型及其分類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本類型及其擴(kuò)展0T-3R并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)基本類型對8.1.3節(jié)給出的19種支路組合方案，按照上述機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)類型綜合過程，共得到0T-3R并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的19種基本類型，分別為表8-2中No.1～No.18及No.20并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)。同時(shí)，也給出了諸機(jī)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特性。0T-3R并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類型及其分類0T-3R并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類型及其分類0T-3R并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類型及其分類0T-3R并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類型及其分類0T-3R并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類型及其分類基于等效支路替代的類型擴(kuò)展。由表8-1可知，支路

與支路

運(yùn)動輸出特征等效，若以前者替代圖8-4所示的機(jī)構(gòu)各支路，由此得到的新機(jī)構(gòu)類型如表8-2中的No.19所示。0T-3R并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)類型擴(kuò)展0T-3R并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類型及其分類圖8-4一種0T-3R并聯(lián)機(jī)器人。0T-3R并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類型及其分類保持支路運(yùn)動輸出特征不變，改變運(yùn)動副軸線方位，有時(shí)可得到具有良好性能的新機(jī)構(gòu)類型。例如，對于表8-2中的No.17并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)，若使動平臺兩支路的兩個R副軸線重合，得到的新機(jī)構(gòu)如圖8-10所示，即表8-2中的No.15并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)?；诟淖冞\(yùn)動副軸線方位的類型擴(kuò)展0T-3R并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類型及其分類圖8-10一種控制解耦的0T-3R并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)。0T-3R并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類型及其分類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征及其分類基于基本回路的秩、機(jī)構(gòu)耦合度、控制解耦性、主動副位置、結(jié)構(gòu)對稱性以及消極運(yùn)動副存在性等方面，對經(jīng)綜合得到的0T-3R并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)進(jìn)行分類，如表8-2所示。根據(jù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的不同要求，可由表8-2擇優(yōu)推薦機(jī)構(gòu)類型。0T-3R并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類型及其分類對于表8-2中No.1～No.6、No.9～No.10、No.15～No.19等并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)。一般地，恒共點(diǎn)的R副越多，其制造與裝配越困難。其中，9個R副共點(diǎn)的有No.1、No.5、No.10、No.15、No.17等機(jī)構(gòu)；6個R副共點(diǎn)的有No.9、No.18、No.19等機(jī)構(gòu)；3個R副共點(diǎn)的有No.2～No.4、No.20等機(jī)構(gòu)；2個R副共點(diǎn)的有No.7、No.8等機(jī)構(gòu)。含若干R副恒共點(diǎn)的結(jié)構(gòu)類型0T-3R并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類型及其分類不含若干R副恒共點(diǎn)的結(jié)構(gòu)類型對于表8-2中No.11～No.14等并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)，其制造、裝配較為容易，但支路一般較復(fù)雜。支路含U副的結(jié)構(gòu)類型對于表8-2中No.15～No.17等并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)，該類機(jī)構(gòu)有利于小型化設(shè)計(jì)。支路結(jié)構(gòu)對稱性較強(qiáng)的類型對于表8-2中No.1、No.9、No.11、No.18～No.20等并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)。一般地，對稱性較強(qiáng)機(jī)構(gòu)的耦合度較大，運(yùn)動學(xué)正解問題較為復(fù)雜。“”0T-3R并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類型及其分類具有控制解耦性的類型對于表8-2中No.5、No.6、No.8、No.12、No.14、No.15等并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)，一般地，可依次分析各基本回路得到解析正解，但總伴隨著機(jī)構(gòu)支路結(jié)構(gòu)之間的不對稱性。0T-3R并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類型及其分類謝謝觀看移動機(jī)器人的運(yùn)動機(jī)構(gòu)工業(yè)和信息化部“十四五”規(guī)劃教材機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)第九章01概述移動機(jī)器人運(yùn)動機(jī)構(gòu)類型眾多。目前，已經(jīng)有行走、跳躍、跑動、滑動、溜冰、游泳、飛翔和滾動等形式運(yùn)動的機(jī)器人。通常，這些運(yùn)動形式受到生物學(xué)對應(yīng)物的啟示，如表9-1所示。概述然而，有一個例外，輪式機(jī)構(gòu)是人類發(fā)明的，它在平地上具有極高的運(yùn)動效率。但在生物系統(tǒng)中也能找到輪式運(yùn)動的痕跡，比如，人類的雙足行走系統(tǒng)可以用一個邊長為d(相當(dāng)于步伐跨距)的多邊形滾動來近似。隨著步距的減小，多邊形就逼近為一個圓或輪。但是在自然界中，沒有完整的有源動力輪式運(yùn)動，這體現(xiàn)了人類的智慧。概述圖9-1雙足行走系統(tǒng)簡化模型。概述一些生物系統(tǒng)能夠靈活地穿越各種崎嶇不平的環(huán)境，我們希望開發(fā)出類似它們那樣的運(yùn)動機(jī)構(gòu)。但是，復(fù)制自然界生物體的運(yùn)動是很困難的。比如，生物界中的千足蟲有幾百條腿和成千上萬根感知纖毛，通過人工制作來完全模擬幾乎是不可能的。概述此外，一些大型動物和昆蟲具有自身的生物能量存儲系統(tǒng)、肌肉以及液壓激勵系統(tǒng)，其產(chǎn)生的力矩大小、響應(yīng)時(shí)間和轉(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了同等規(guī)模的人造系統(tǒng)。受這些因素的限制，人類研制的移動機(jī)器人在運(yùn)動機(jī)構(gòu)上都給予了大幅簡化。一般地，地面移動機(jī)器人的運(yùn)動機(jī)構(gòu)形式主要有3種，即腿式移動、輪式移動以及履帶式移動。概述圖

9-2給出了各種移動機(jī)構(gòu)在不同路面條件下的速度與功率對照情況。概述腿式移動機(jī)器人根據(jù)支撐腿數(shù)量可劃分為單腿、雙腿、三腿、四腿、六腿、八腿，甚至更多腿的移動機(jī)器人。腿的數(shù)目越多，支撐能力越強(qiáng)，行走穩(wěn)定性越好，這適用于重載和慢速移動。但腿的數(shù)目多也會帶來機(jī)器人臃腫，步態(tài)規(guī)劃復(fù)雜的問題。在實(shí)際應(yīng)用中，由于雙腿和四腿移動機(jī)器人具有最好的適應(yīng)性和靈活性，也最接近人類和動物，所以用得最多。概述02運(yùn)動的關(guān)鍵問題穩(wěn)定性包含如下內(nèi)容：1)接觸點(diǎn)的數(shù)目和幾何形狀。2)重心位置。3)靜態(tài)/動態(tài)穩(wěn)定性。4)地形的傾斜度。運(yùn)動的關(guān)鍵問題01020304接觸特征包含如下內(nèi)容：1)接觸點(diǎn)/路線的尺寸和外形。2)接觸角度。3)摩擦力。運(yùn)動的關(guān)鍵問題環(huán)境類型包含如下兩方面：1)結(jié)構(gòu)化環(huán)境和非結(jié)構(gòu)化環(huán)境。2)介質(zhì)(如水、空氣、軟或硬的地面)。運(yùn)動的關(guān)鍵問題由于移動機(jī)器人完成既定任務(wù)的前提是要保持穩(wěn)定，這里對穩(wěn)定性給予進(jìn)一步的說明。移動機(jī)器人具有兩種穩(wěn)定狀態(tài)，即靜態(tài)穩(wěn)定和動態(tài)穩(wěn)定。在機(jī)器人研究中，我們將不需要依靠運(yùn)動過程中產(chǎn)生的慣性力而實(shí)現(xiàn)的穩(wěn)定叫靜態(tài)穩(wěn)定。反之，在機(jī)器人運(yùn)動過程中，如果重力、慣性力和離心力等讓機(jī)器人處于一個可持續(xù)的穩(wěn)定狀態(tài)，我們將這種穩(wěn)定狀態(tài)稱為動態(tài)穩(wěn)定。運(yùn)動的關(guān)鍵問題靜態(tài)穩(wěn)定比較容易理解，只要機(jī)器人豎直方向的重心落在支撐點(diǎn)所構(gòu)成的區(qū)域內(nèi)，即可實(shí)現(xiàn)靜態(tài)穩(wěn)定。通常腿式移動機(jī)器人在靜態(tài)穩(wěn)定行走過程中總保持三足著地，即構(gòu)成一個支撐三角形，如圖9-3所示。運(yùn)動的關(guān)鍵問題A、B和C是腿式移動機(jī)器人的三個著地點(diǎn)，G為移動機(jī)器人在豎直方向的重心，d1、d2和d3是機(jī)器人重心投影點(diǎn)距離三角形各邊的距離，三者的最小值(圖中d3)為該機(jī)器人靜態(tài)穩(wěn)定的穩(wěn)定裕度。機(jī)器人靜態(tài)穩(wěn)定的充要條件是穩(wěn)定裕度大于0。為了提高機(jī)器人的穩(wěn)定性，穩(wěn)定裕度越大越好。運(yùn)動的關(guān)鍵問題接下來，介紹一下動態(tài)穩(wěn)定。當(dāng)剛體處于運(yùn)動狀態(tài)時(shí)，其平衡的充要條件是所受重力和慣性力合力的延長線經(jīng)過支撐區(qū)域內(nèi)部。合力的延長線與支撐區(qū)域的交點(diǎn)稱為零力矩點(diǎn)(ZeroMomentPoint，ZMP)，換句話說，只要ZMP落在支撐區(qū)域內(nèi)，即可實(shí)現(xiàn)動態(tài)穩(wěn)定。上述是從機(jī)械學(xué)和物理學(xué)出發(fā)對移動機(jī)器人運(yùn)動的基本原理進(jìn)行的理論分析，接下來，進(jìn)一步探討腿式移動機(jī)器人和輪式移動機(jī)器人。運(yùn)動的關(guān)鍵問題03腿式移動機(jī)器人腿式移動機(jī)器人能夠適應(yīng)復(fù)雜地形，具有高度的機(jī)動能力。腿式移動機(jī)器人運(yùn)動以機(jī)器人足底和地面之間的接觸是一系列離散點(diǎn)為特征。由于接觸點(diǎn)非連續(xù)，故只要機(jī)器人根據(jù)路況調(diào)整地面步距，就可以忽略步距之間的地面質(zhì)量，這使得它在粗糙地形上行走具有高度的自適應(yīng)性和靈活性。比如，只要行走機(jī)器人的步距大于地面裂縫的寬度，它就能跨越該裂縫，而不會影響其在該種地形下的機(jī)動能力。腿式移動機(jī)器人腿式移動機(jī)器人運(yùn)動的缺點(diǎn)主要是機(jī)械和驅(qū)動系統(tǒng)的復(fù)雜性。由于每條腿最少有兩個自由度(包括抬腿和擺腿)，多腿移動機(jī)器人的自由度就是一個很大的數(shù)字，這對步態(tài)規(guī)劃是一個挑戰(zhàn)。此外，這些腿必須能夠支撐機(jī)器人本體以及載荷質(zhì)量，合理地選擇驅(qū)動形式是機(jī)器人設(shè)計(jì)的另一個重要命題。腿式移動機(jī)器人如圖9-4所示，一些大型動物(如哺乳動物和爬行動物)有4條腿，昆蟲有6條腿或更多，而某些哺乳動物僅靠2條腿行走已經(jīng)很完美了。腿式移動機(jī)器人腿的數(shù)目尤其是人類，平衡能力已經(jīng)進(jìn)化到可用單腿進(jìn)行跳躍的水平。這種超乎尋常的機(jī)動性對于移動機(jī)器人而言涉及更復(fù)雜的主動控制，需要以更高代價(jià)來保持身體的平衡。相比之下，如果動物有3條腿且能保證其重心處于與地面接觸點(diǎn)所構(gòu)成的三角區(qū)內(nèi)，它就能夠像3條腿的凳子一樣展示靜止、穩(wěn)定的狀態(tài)。靜態(tài)穩(wěn)定意味著不需要通過運(yùn)動而保持平衡。腿式移動機(jī)器人在生物世界，腿的種類繁多，有巨大的差異。例如，毛毛蟲的每條腿只有一個自由度，它通過增加或減小體腔的液體壓力使腿伸展或回縮，這使其腿在機(jī)械結(jié)構(gòu)上較簡單，但需借助身體的表面肌肉完成復(fù)雜的整體運(yùn)動。與此相對應(yīng)的是，人的每條腿有7個以上的主動自由度，15個以上的肌肉群，激勵8個復(fù)雜關(guān)節(jié)。單腿的自由度對于腿式移動機(jī)器人，一般要求至少有2個自由度，通過提腿和擺腿使機(jī)器人移動，如圖9-5所示。腿式移動機(jī)器人稍復(fù)雜的腿，附加了第3個自由度，如圖9-6所示。腿式移動機(jī)器人支撐相：腿部著地的狀態(tài)。擺動相：腿由地面抬起，處于懸空的狀態(tài)。占空系數(shù)：在一個步態(tài)周期T內(nèi)，機(jī)器人各腿處于支撐相的時(shí)間占該步態(tài)周期的比例，如果各腿占空系數(shù)不相等，則分別表示。規(guī)則步態(tài)：機(jī)器人的腿部按固定的順序和軌跡運(yùn)動的過程，這種步態(tài)呈周期性的變化，也稱周期步態(tài)。非規(guī)則步態(tài)：機(jī)器人腿部運(yùn)動的順序和軌跡是不固定的，機(jī)器人能夠根據(jù)傳感器獲取的地面狀況和自身狀態(tài)，實(shí)時(shí)改變各條腿的擺動次序以及運(yùn)動軌跡。腿式移動機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃01020304單腿機(jī)器人：腿式移動機(jī)器人腿的最少數(shù)目是1。雙腿機(jī)器人：雙腿機(jī)器人多數(shù)是以仿人為目標(biāo)而發(fā)展起來的。四腿機(jī)器人：雙腿機(jī)器人只能在某些限定條件下實(shí)現(xiàn)靜態(tài)穩(wěn)定。六腿機(jī)器人：根據(jù)前面步態(tài)規(guī)劃所述，六腿機(jī)器人可以將三對足分成兩組。腿式移動機(jī)器人運(yùn)動機(jī)構(gòu)04輪式移動機(jī)器人目前，輪子主要有4種類型，如圖9-25所示。輪式移動機(jī)器人輪子的類型在運(yùn)動學(xué)方面，它們差別很大，因此，輪子類型的選擇對輪式移動機(jī)器人的運(yùn)動有很大的影響。標(biāo)準(zhǔn)輪和小腳輪均有一個旋轉(zhuǎn)主軸，是高度有向的，如果沿指定的方向運(yùn)動，必須操縱垂直于移動表面的主軸，以改變輪子方向。這兩種輪的主要差別在于：操縱標(biāo)準(zhǔn)輪時(shí)無附加作用，因?yàn)椴倏v桿的旋轉(zhuǎn)中心經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)輪與地面的接觸點(diǎn)；而小腳輪的操縱軸與地面接觸點(diǎn)有一定的距離，在操縱小腳輪過程中會引起附加力矩，該力矩作用到機(jī)器人的底盤。輪式移動機(jī)器人常見的輪式移動機(jī)器人底盤結(jié)構(gòu)(運(yùn)動機(jī)構(gòu)形式)輪式移動機(jī)器人輪子類型的選擇與底盤結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，開發(fā)人員在設(shè)計(jì)輪式移動機(jī)器人運(yùn)動機(jī)構(gòu)時(shí)必須同時(shí)考慮這兩個問題，因?yàn)檫@涉及它的機(jī)動性、可控性和穩(wěn)定性。汽車多數(shù)基于高度標(biāo)準(zhǔn)化的公路網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)，而輪式移動機(jī)器人的設(shè)計(jì)需要考慮到各種紛繁復(fù)雜的環(huán)境。汽車底盤一般采用相似的輪子結(jié)構(gòu)，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)化環(huán)境(鋪好的公路)所給予的充分設(shè)計(jì)空間可使汽車的機(jī)動性、可控性和穩(wěn)定性最大。輪式移動機(jī)器人對于輪式移動機(jī)器人而言，靜態(tài)穩(wěn)定所要求的最小輪子數(shù)目是2個。穩(wěn)定性輪式移動機(jī)器人機(jī)動性包括活動性(機(jī)器人在環(huán)境中直接運(yùn)動的能力)和可操縱度(機(jī)器人依據(jù)操縱角度的變化而運(yùn)動)。機(jī)動性一般來說，移動機(jī)器人的可控性和機(jī)動性之間存在逆相關(guān)性?？煽匦暂喪揭苿訖C(jī)器人設(shè)計(jì)所考慮的關(guān)鍵問題05輪腿混合移動