清華大學(xué)機械原理課件--第9章_開式鏈機構(gòu).ppt

1、第9章 開式鏈機構(gòu),9.1 開式鏈機構(gòu)的特點及應(yīng)用 9.2 開式鏈機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析 9.3 開式鏈機構(gòu)的運動學(xué),9.1 開式鏈機構(gòu)特點及應(yīng)用,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，更為任意和復(fù)雜多樣。,9.1.1 開式鏈機構(gòu)的特點,開式運動鏈要成為有確定運動的機構(gòu)，常要更多的原動機。,9.1.1 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： 機器人的操作稱為柔性自動化。 機器人是一種靈活的、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,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)自動機： 傳統(tǒng)自動機的操作稱為固定自動化。

2、 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重復(fù)的作業(yè)。,9.1.2 開式鏈機構(gòu)的應(yīng)用,利用開式運動鏈的特點，結(jié)合伺服控制和計算機的使用，開式鏈機構(gòu)在各種機器人和機械手中得到了廣泛的應(yīng)用。,鉚接機器人,本田公司機器人,多操作器協(xié)調(diào)工作,9.2 開式鏈機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析,9. 2. 1 操作器的組成 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，完成各種運動和操作任務(wù)的機械部分。,本節(jié)以機器人操作器為例，介紹開式鏈機構(gòu)的組成和結(jié)構(gòu),組成：機身、臂部、腕部和手部（末端執(zhí)行器）等。,操作器的白由度：等于操作器中各運動部件自由度的總和，F(xiàn) = f i 。 在確定操作器所有構(gòu)件的位置時所必須

3、給定的獨立運動參數(shù)的數(shù)目。,9.2.2操作器的自由度,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。,操作器中的運動副僅包含單白由度的運動副轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和移動關(guān)節(jié)。,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,直線運動,回轉(zhuǎn)運動,9.2.2操作器的自由度,1. 臂部自由度組合,直線及回轉(zhuǎn)運動（1）,直線及回轉(zhuǎn)運動（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到空間任一指定位置，通用的空間機器人操作器臂部應(yīng)至少具有3個自由度。,為了使操作器手部能夠達到平面任一指定位置，通用的平面機器人操作器得臂部應(yīng)

4、至少具有2個自由度。,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)，在通用的平面機器人操作器中，其腕部應(yīng)至少有個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。 手部運動的自由度一般不計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)，在通用的空間機器人操作器中其腕部應(yīng)至少有3個自由度。一般情況下，這3個關(guān)節(jié)為軸線互相垂直的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。,9.2.2 操作器的自由度,結(jié)論：,通用的空間機器人操作器的自由度大于等于6（位置3個、姿態(tài)3個），其中轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)大于等于3。,僅用移動關(guān)節(jié)不可能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由度大于等于3（位置2個、

5、姿態(tài)1個），其中轉(zhuǎn)動關(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，手爪可繞過障礙到達一定的位置,特點： 三個基本關(guān)節(jié)均為移動關(guān)節(jié)。 運動圖形：長方體 占據(jù)空間大，相應(yīng)的工作范圍小 優(yōu)點： 結(jié)構(gòu)簡單，運動直觀性強，便于實現(xiàn)高精度。,9.2.3 操作器的結(jié)構(gòu)分類,1. 直角坐標型（又稱直移型）,三個基本關(guān)節(jié)：移動關(guān)節(jié)2個，轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)個 運動圖形：空心圓柱 優(yōu)點：運動直觀性強，占據(jù)空間較小，結(jié)構(gòu)緊湊，工作范圈大。 缺點：受升降機構(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. 圓柱坐標型（又稱回轉(zhuǎn)型）,三個基本關(guān)節(jié)：移動關(guān)節(jié)個，轉(zhuǎn)動關(guān)

6、節(jié)2個。 運動圖形：空心球體 優(yōu)點：由于其具有俯仰白由度，能完成從地面提取工件的任務(wù)，工作范圍擴大了。 缺點：運動直現(xiàn)性差，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，臂端的位置誤差會隨臂的伸長而放大。,9.2.3 操作器的結(jié)構(gòu)分類,3.球坐標型（又稱俯仰型）,三個基本關(guān)節(jié)為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié) 運動圖形：球體 優(yōu)點：占據(jù)空間小，工作范圍大，可繞過障礙物提取和運送工件。 缺點：運動直觀性差，驅(qū)動控制比較復(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 開式鏈機構(gòu)的運動學(xué),9.3.1 研究的主要問題,正向運動學(xué)問題 反向運動學(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）正向運動學(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）反向運動學(xué)問題,對于工作所要求的末端執(zhí)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)行器達到給定的位置和姿態(tài)。,解的存在性? 多重解？,在機器人運動過程中其操作器臂端所能達到的全部點所構(gòu)成的空間，其形狀和大小反映了一個機器人的工作能力。,9.3.1 研究的主要問題,3）工作空間,可達到的工作空間：機器人末端執(zhí)行器至少可在一個方位上能達到的空間范圍。,靈活的工作空間：機器人末端執(zhí)行器在所有方位均能達到的空間范圍。,已知關(guān)節(jié)參數(shù)，求解位置和姿態(tài)坐標。,9.3.2

8、 平面兩連桿關(guān)節(jié)型操作器,1）正向運動學(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）正向運動學(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）反向運動學(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）反向運動學(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）反向運動學(xué)問題,（2）速度分析,當 或 時， ， 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）正向運動學(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）正向運動學(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）反向運動學(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！,計算出 和,9.3.3 平面三連桿關(guān)節(jié)型操作器,2）反向運動學(xué)問題,一般情況下，選擇使每個關(guān)節(jié)運動量最小的解。 有障礙時，應(yīng)避免與之碰撞。 在存在多重解時，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