清华大学.机械原理9课件.ppt

精密仪器与机械学系,设计工程研究所,第9章 开式链机构,9.1 开式链机构的特点及应用,9.2 开式链机构的结构分析,9.3 开式链机构的运动学,9.1 开式链机构特点及应用,开式运动链中末端构件的运动与闭式运动链中任何构件的运动相比，更为任意和复杂多样。,9.1.1,开式链机构的特点,开式运动链要成为有确定运动的机构，常要更多的原动机。,9.1.1 开式链机构的特点,机器人与传统自动机的区别,:,机器人：,机器人的操作称为柔性自动化。,机器人是一种灵活的、万能的、具有多目的用途的自动化系统。易于调整来完成各种不同的劳动作业和智能动作,其中包括在变化之中及没有事先说明的情况下的作业。,传统自动机：,传统自动机的操作称为固定自动化。,由连杆机构、凸轮机构等所组成的传统自动机用于完成单一的重复的作业。,9.1.2 开式链机构的应用,利用开式运动链的特点，结合伺服控制和计算机的使用，开式链机构在各种机器人和机械手中得到了广泛的应用。,铆接机器人,本田公司机器人,多操作器协调工作,9.2 开式链机构的结构分析,9.2.1 操作器的组成,操作器是机器人的执行系统，是机器人握持工具或工件，完成各种运动和操作任务的机械部分。,本节以机器人操作器为例，介绍开式链机构的组成和结构,组成：机身、臂部、腕部和手部（末端执行器）等。,操作器的白由度：,等于操作器中各运动部件自由度的总和，,F,=,f,i,在确定操作器所有构件的位置时所必须给定的独立运动参数的数目。,9.2.2操作器的自由度,操作器的主运动链通常是一个装在固定机架上的开式运动链。,操作器中的运动副仅包含单白由度的运动副转动关节和移动关节。,操作器臂部的运动称为操作器的主运动，臂部各关节称为操作器的基本关节。,9.2.2操作器的自由度,1.臂部自由度组合,直线运动,回转运动,9.2.2操作器的自由度,1.臂部自由度组合,直线及回转运动（1）,直线及回转运动（2）,9.2.2 操作器的自由度,结论：,为了使操作器手部能够达到空间任一指定位置，通用的空间机器人操作器臂部应至少具有3个自由度。,为了使操作器手部能够达到平面任一指定位置，通用的平面机器人操作器得臂部应至少具有2个自由度。,9.2.3 操作器的自由度,腕部自由度：用来调整手部在空间的状态,为了使手爪在平面中能取得任意要求的姿态，在通用的平面机器人操作器中，其腕部应至少有个转动关节。,手部运动的自由度一般不计入操作器的自由度数目中。,为了使手爪在空间能取得任意要求的姿态，在通用的空间机器人操作器中其腕部应至少有3个自由度。一般情况下，这3个关节为轴线互相垂直的转动关节。,9.2.2 操作器的自由度,结论：,通用的空间机器人操作器的自由度大于等于6（位置3个、姿态3个），其中转动关节大于等于3。,仅用移动关节不可能建立通用的空间或平面机器人。,通用的平面机器人操作器的自由度大于等于3（位置2个、姿态1个），其中转动关节大于等于1。,9.2.2操作器的自由度,冗余自由度：,操作器自由度数大于6时，手爪可绕过障碍到达一定的位置,特点：,三个基本关节均为移动关节。,运动图形：长方体,占据空间大，相应的工作范围小,优点：,结构简单，运动直观性强，便于实现高精度。,9.2.3 操作器的结构分类,1.直角坐标型（又称直移型）,三个基本关节：移动关节2个，转动关节个,运动图形：空心圆柱,优点：运动直观性强，占据空间较小，结构紧凑，工作范圈大。,缺点：受升降机构的限制，一般不能提升地面或较低位置的工件。,9.2.3 操作器的结构分类,2.圆柱坐标型（又称回转型）,三个基本关节：移动关节个，转动关节2个。,运动图形：空心球体,优点：由于其具有俯仰白由度，能完成从地面提取工件的任务，工作范围扩大了。,缺点：运动直现性差，结构较复杂，臂端的位置误差会随臂的伸长而放大。,9.2.3 操作器的结构分类,3.球坐标型（又称俯仰型）,三个基本关节为转动关节,运动图形：球体,优点：占据空间小，工作范围大，可绕过障碍物提取和运送工件。,缺点：运动直观性差，驱动控制比较复杂。,9.2.3 操作器的结构分类,4.,关节型（又称屈伸型）,9.3 开式链机构的运动学,9.3.1 研究的主要问题,正向运动学问题,反向运动学问题,工作空间,给定操作器的一组关节参数，确定其末端执行器的位置和姿态。,9.3.1 研究的主要问题,1）正向运动学问题,可获得一组唯一确定的解。,给出末端执行器的位置和姿态，求关节参数。,9.3.1 研究的主要问题,2）反向运动学问题,对于工作所要求的末端执行器的一个给定位置和姿态，确定一组关节参数，使末端执行器达到给定的位置和姿态。,解的存在性?,多重解？,在机器人运动过程中其操作器臂端所能达到的全部点所构成的空间，其形状和大小反映了一个机器人的工作能力。,9.3.1 研究的主要问题,3）工作空间,可达到的工作空间,：机器人末端执行器至少可在一个方位上能达到的空间范围。,灵活的工作空间,：机器人末端执行器在所有方位均能达到的空间范围。,已知关节参数求解位置和姿态坐标。,9.3.2 平面两连杆关节型操作器,1）正向运动学问题,（1）位移分析,姿态角：,9.3.2 平面两连杆关节型操作器,1）正向运动学问题,（2）速度分析,雅可比矩阵：,9.3.2 平面两连杆关节型操作器,2）反向运动学问题,已知各位置和速度参数，求关节参数。,（1）位移分析,9.3.2 平面两连杆关节型操作器,2）反向运动学问题,（1）位移分析,9.3.2 平面两连杆关节型操作器,2）反向运动学问题,（2）速度分析,当 或 时，不存在，此位置称为操作器的奇异位置。,9.3.2 平面两连杆关节型操作器,3）工作空间：,可达到的工作空间,灵活的工作空间,9.3.3 平面三连杆关节型操作器,1）正向运动学问题,（1）位移分析,给定,确定,9.3.3 平面三连杆关节型操作器,1）正向运动学问题,（2）速度分析,9.3.3 平面三连杆关节型操作器,2）反向运动学问题,（1）位移分析,给定,确定,思路,：将三连杆问题转化为两连杆问题求解！,计算出 和,9.3.3 平面三连杆关节型操作器,2）反向运动学问题,一般情况下，选择使每个关节运动量最小的解。,有障碍时，应避免与之碰撞。,在存在多重解时，必须求出所有可能的解，然,后根据具体情况加以选择。,解的选择原则：,9.3.3 平面三连杆关节型操作器,3）工作空间,对于关节型操作器而言，如果各连杆长度相等，而腕部连杆的长度设计的尽可能短的话，其工作空间的形状和尺寸则可以大大改善,了解开式链机构的主要特点和功能；,掌握开式链机构的组成、特点、应用场合；,掌握平面关节型操作器正向和反向运动学分析的基本思路和方法。,本章基本要求：,