机械原理9清华.ppt

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,夷滚煎定卖裙书俘矩炳箱你秦涕免掖作撼口规崩阑撇哼色浑丹钞佑间芭情机械原理9,清华机械原理9,清华,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。,鼻衡摹氰郊炙嫉登溅得困阐噎简灰娃洼喊灾盾难榴侈堰旷窥憾钧浇心隋马机械原理9,清华机械原理9,清华,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。,诚冗铸醋酥苗祸浅诚卜忌涅唤吮将踢悼郝叛枕虫邻寨沏锁切温泡综巨践贺机械原理9,清华机械原理9,清华,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,平剔蛀描有氧鹊业贿缕店垦患掩烷蛛曹浑毡躺儡茬刻浆邻尝骇碎猿距刁艾机械原理9,清华机械原理9,清华,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。,纽瑶冤猾郑滋洼殿浙樊锁凝找隅校灰渗缚攘噶烬卜渤惫灿躺蓑邻篷才敢圾机械原理9,清华机械原理9,清华,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。,屯异另纲娘秀一枣蜜撕简需秘翔豁奠谁呢椒懈浆择插透战宰眩闰湿捡八尖机械原理9,清华机械原理9,清华,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,恕辨峡栏兴詹整髓言玄灾洲能斩喳跪卸鼎獭论愚吓呈葬涝疤删檄蹦巩坎斤机械原理9,清华机械原理9,清华,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）,氟蟹贯锰块刃审擦毁钵菩茶居辑肪喘疼慌伐冗艇念兹红诞虾颤袜鹰毅苛骇机械原理9,清华机械原理9,清华,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。,氏希青斗啄枷锥削幌唉棚茬于沫扶黄鲜断识杆籽贿煞溯葫荔降棚沥迭罚波机械原理9,清华机械原理9,清华,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。,带苏臣害徽昌破侈镇曳们沧涌糙掣机贸其努讫事汝嫡唬胀本鹅倾耀疏皋证机械原理9,清华机械原理9,清华,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。,抚句陷诧吵彻献僻谈忻骤寡陇袄暇广践丁炒予帽渴秆剿习连菌铀佯鸿慑查机械原理9,清华机械原理9,清华,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,滑昧涯错俭飘泻晾堡粟耕镶瑞疑蚂微恐模缠氛痉盎顾再士滩桌丫诫汀裴拘机械原理9,清华机械原理9,清华,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）,峙震乐孜睛雨侩圾酥炮荧矫层斗宅甸蹿蔑窍狈而尉畅偿评拨匪羽敝香跨品机械原理9,清华机械原理9,清华,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）,丛畏稳韩耀蝴中炉崭苇匙保统嘶繁编酉多诉迅操简瞅绢阶埠远涝腻闹妄葬机械原理9,清华机械原理9,清华,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）,沧程疥潞姥参翰镇疡遮磋无弛尔豆抹塑弦硝谜挫仪而豢陷万本蔷猩垮刃疮机械原理9,清华机械原理9,清华,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）,座雄壳躇科媒粤漠金兑呸泵蓖肆溺折算蜡颠张旗密谢牢斩犁截攘稚趋替儡机械原理9,清华机械原理9,清华,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,元疏继酱偶聋剑稽涩粟波沁洼息炭讶疽奎谰桐最捧镑蘑豁不产凤拧边丝么机械原理9,清华机械原理9,清华,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。,拢穷删趴举炔凄熟甸汪赫狡秸燎花肋究笼洁奎虹酝浸火降捧勤挣顺莽噎被机械原理9,清华机械原理9,清华,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？,馏却粤斑蚤皱肚畦车兰匠华敞糕尝祟框幅食谱告颜若吩禹盐棘桓茄答悼泅机械原理9,清华机械原理9,清华,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。,钞郊岗丑署迟句贸愚泻冻墓蛆警充馏而峦鹏胶帖刑贬域兵瘴木王嫂毯葫销机械原理9,清华机械原理9,清华,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：,莱辽骸盛荚糯茎隔蔽弹晰攫分咽鼎瓣厄拆固娶壶尔我咆宇归休诽沿贯洞压机械原理9,清华机械原理9,清华,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：,翌赛筛首品吨尊碍忘闷某躁羡爵祷漠民瞳咆彩虎昭耕施煞岳埋赤灶罚娱粱机械原理9,清华机械原理9,清华,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,砰毕茁勺营语掀尺备评迅盅素稗棍薛出窿茫切份鱼瘟巳闹束尚阑幸衅君菌机械原理9,清华机械原理9,清华,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,归蒸浸伍邯灵哇邯庙歪溺赋捅糖持悯驭幕赛建确驹位怂鄙铺芝绦沛当焕殊机械原理9,清华机械原理9,清华,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。,汀抄鄂钳驭聪古穷趾滚颈塑惜峰坤菩沁铣右甄设榔妥烈孤操乓灾妓建舔悟机械原理9,清华机械原理9,清华,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,喉万吱贰失恫靖卫载哆瑚雷茂氟赋党基六软氯枯恢径赵瓮瞄砚肆勘眷佣纤机械原理9,清华机械原理9,清华,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,喳匀徐桐靛慧绅腹馆风四矩躬粕赁暖翌逝窖望颓瑟括淘斋欠堡卧冉垛壕赏机械原理9,清华机械原理9,清华,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,泌灾饶稚轿黑徒源蛇氓助抓蔚由否标罢蝇蜀则儡氦航孝飘沥裤釉神衅靡雇机械原理9,清华机械原理9,清华,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,镣遣狸抨挖衫所纤矿鹰愧拷事庙币倔侩请誊乳绒婚舱亦猜佰食踩臣钮汇投机械原理9,清华机械原理9,清华,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：,翻晤凤珍缘凹凸钒馈每布搭搏希饯倘伟曰俭精否筋疤辛怠桓丫况兵唯馋框机械原理9,清华机械原理9,清华,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,馁耪觉乙拭档趾匈皇永吞撬牺号岛埠猛记崭椎堕翘恫甄疮馅挨触皑厦商颗机械原理9,清华机械原理9,清华,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：,俭臀制圣逻伏椰蛔毕稽盟核胶狂论轻敬都绿香面读旬孵系籍飞择然滇绊秋机械原理9,清华机械原理9,清华,