高等机构学第一章到第五章课件

高等机构学第一章到第五章课件 1 第一章绪论 高等机构学第一章到第五章课件 2 HexaGlide并联机床 自然机械和人造机械 高等机构学第一章到第五章课件 3 高等机构学第一章到第五章课件 4 高等机构学第一章到第五章课件 5 如何认识和设计这些机械 上帝 创造生灵 人类创造机械 高等机构学第一章到第五章课件 6 机构学 机构学又称机构和机器科学机构学就是要揭示自然和人造机械的组成原理创造新机构为现代机电系统的设计服务 第一节机构学的研究对象及其研究的基本问题 高等机构学第一章到第五章课件 8 一 机械设计制造过程中学科分类 1 设计人们将头脑中的构思转化成实体形式或系统 这一过程叫做设计 目的性 系统性 创造性 开放性 多样性 高等机构学第一章到第五章课件 9 一 机械设计制造过程中学科分类 2 机械工程学科分类1 机械学 设计阶段 用于准备信息 机构学 机械结构强度学 摩擦学 设计方法学 振动学 2 机械制造工程学 制造阶段 用于处理信息 金属工艺学 制造工艺学 机械加工设备 刀具 机床 夹具 高等机构学第一章到第五章课件 10 二 机构学研究对象 1 机构的定义狭义 Reulaux定义 机构是闭链 不动构件为机架 可以传递 转换运动 广义 机构是由构件和运动副组成而且能完成确定运动的机械系统 高等机构学第一章到第五章课件 11 一般来说 机构学研究对象为刚体构件组成的多体约束机械系统 平面连杆机构 组合机构 空间机构 现代机构学的研究对象不断扩展 2 研究对象 高等机构学第一章到第五章课件 12 3 机构学理论基础和研究手段 1 理论基础数学和力学 2 研究手段计算机技术 实验和仿真 Matlab Adams 高等机构学第一章到第五章课件 13 4 机构学研究的目的 1 发明创造新机械 机构型综合 2 改进现有机械 先分析后综合 机构创新是机械创新的重要组成部分 高等机构学第一章到第五章课件 14 三 机构学的研究内容 结构学 分析和综合 运动学 分析和综合 动力学 分析和综合 高等机构学第一章到第五章课件 15 三 机构学的研究内容 1 结构学 拓扑结构学 根据机构所要实现的运动传递或转换要求确定机构类型和组成原理 包括结构分析和结构综合 1 结构分析 给定机构 了解构件和运动副的数量 计算自由度 确定自由度类型 平动 转动 高等机构学第一章到第五章课件 16 三 机构学的研究内容 2 结构综合 根据功能要求 确定机构类型 即确定构件和运动副的数量及连接方式 其中结构综合又包括了数综合和型综合 数综合 给定自由度F 确定构件数n和运动副数P 型综合 给定构件数n和运动副数P 确定连接方式和结构类型 高等机构学第一章到第五章课件 17 三 机构学的研究内容 2 运动学1 运动学分析 研究给定机构各构件 或各构件上的点 之间位置 速度和加速度的关系及其变化规律 2 运动学综合 根据机构各构件的运动变化规律来确定机构的几何参数 运动学参数优化 高等机构学第一章到第五章课件 18 三 机构学的研究内容 3 动力学1 动力学分析 研究给定机构的运动 位置 速度和加速度 与作用在各构件上的力或力矩之间的关系 2 动力学综合 根据动力学性能要求 确定动力学参数 4 机构学研究的基本问题 机构分析机构综合 高等机构学第一章到第五章课件 19 四 机构的分类 1 按构件的结构形式连杆机构 凸轮机构 齿轮机构 棘轮机构 槽轮机构 高等机构学第一章到第五章课件 20 四 机构的分类 2 按构件的运动范围分为平面机构 空间机构 高等机构学第一章到第五章课件 21 四 机构的分类 3 按运动链形式分为开链机构 闭链机构 单闭链和多闭链 4 按机器人机构运动链形式分为串联机构 并联机构 混联机构 串并联 高等机构学第一章到第五章课件 22 第二节机构系统创新设计的过程 高等机构学第一章到第五章课件 23 一 机构系统创新设计的层次 1 基本原理 涉及机构学研究的不同方面和层次的基本原理和方法的创新 2 拓扑结构 3 驱动方式 4 运动学设计 5 动力学设计 6 控制系统 高等机构学第一章到第五章课件 24 二 机构系统 机电系统 设计过程 三 机构发展展望 1 机构类型的广义化 2 机构创新设计的理论和方法的系统化 深入化 4 微机构和微动机构的理论与应用 3 机构设计过程的计算机辅助设计 智能化 6 高速和高精度机械 机构 的研究 5 仿生机构的理论与应用 7 传统典型机构研究的深入 高等机构学第一章到第五章课件 25 四 机械发展史简介 技术萌芽 简单机械 高等机构学第一章到第五章课件 26 四 机械发展史简介 高等机构学第一章到第五章课件 27 四 机械发展史简介 高等机构学第一章到第五章课件 28 四 机械发展史简介 高等机构学第一章到第五章课件 29 四 机械发展史简介 高等机构学第一章到第五章课件 30 四 机械发展史简介 高等机构学第一章到第五章课件 31 四 机械发展史简介 参考书目 1 邹慧君 高峰 现代机构学进展 高等教育出版社 20072 熊有伦 机器人学 机械工业出版社 19933 黄真等 高等空间机构学 高等教育出版社 20064 黄真 并联机器人机构学理论及控制 机械工业出版社 19975 张策 机械原理和机械设计 机械工业出版社 20116 邹慧君 机械系统设计原理 科学出版社 2003 高等机构学第一章到第五章课件 33 第二章连杆机构的结构学 高等机构学第一章到第五章课件 34 一 研究对象 具体地说 研究机构的组成原理 机构的分类 机构的结构情况以及机构在什么样的条件下才能有确定的运动 第一节概述 平面连杆机构和空间连杆机构 二 研究问题 结构分析和结构综合 自由度F的计算 机构的数综合 即给定自由度F 求机构构件的数量n和运动副数p 机构的型综合 即给定自由度F 构件数n和运动副p 求出机构的 型 高等机构学第一章到第五章课件 35 三 机构的组成 1 构件 构件是具有确定运动的独立单元 一个构件可以是一个零件 也可以是多个零件的组成 构件是一般是刚性的 构件还可具体分为 机架 原动件和从动件 机构由构件 运动副组成 高等机构学第一章到第五章课件 36 三 机构的组成 2 运动副 运动副是构件间的活动连接 运动副限制了构件间的相对运动而保留了另一部分运动 单自由度运动副 回转副R 移动副P 螺旋副H 高等机构学第一章到第五章课件 37 三 机构的组成 1 运动副 虎克铰U或T 高等机构学第一章到第五章课件 38 高等机构学第一章到第五章课件 39 高等机构学第一章到第五章课件 40 三 机构的组成 3 运动链 两个或两个以上的构件由运动副连接起来形成运动链 可以把某些运动链看作是复合运动副 运动链可以分为开式链和闭式链 其中闭式链又可分为单闭链和多闭链 将运动链的某个构件固定成为机构 高等机构学第一章到第五章课件 41 第二节机构的自由度 构件 物体 的自由度 描述其运动的独立坐标数目 1物体自由度不大于6 机构的自由度 机构中各构件有确定运动 描述其运动所需的独立坐标数目 平面机构的自由度 空间机构的自由度 19世纪法国学者Kutzbach给出的自由度计算公式 高等机构学第一章到第五章课件 42 一 单开链机构的自由度计算 串联机构 F 机构的自由度fi 第i个运动副的自由度n 运动副数 末端构件自由度 6 而F可能大于6 一般F F时该机构具有冗余度自由度 可提高机构运动的灵巧性 高等机构学第一章到第五章课件 43 二 单闭链机构的自由度计算 若存在虚约束或局部自由度 则上式失效 1 Kutzbonch准则 高等机构学第一章到第五章课件 44 公共约束数 机构的所有构件都受到相同性质和数量的约束 2 断开机架法 二 单闭链机构的自由度计算 约束条件数 且 6 m 平面 3 空间 6m 公共约束数 由螺旋理论计算 平面m 3 空间m 0 高等机构学第一章到第五章课件 45 三 多闭链机构的自由度计算 p 运动副数 fi 第i个运动副的自由度数 L 独立环数 L p n 1 n是构件数 j 约束条件数 单闭链 两端为运动副的开链 多闭链 高等机构学第一章到第五章课件 46 四 并联机构的自由度计算 1 可以按多闭链机构的自由度计算公式 2 动平台的自由度等于6减去各支链对它的约束数 如6 SPS机构 6 UPS机构 3 RPS机构 3 UU等 6 SPS Steward DELTA 3 RPS 高等机构学第一章到第五章课件 47 五 自由度计算需要注意的问题 1 局部自由度 对于整个机构运动无作用的自由度 2 消极约束 虚约束 运动副 运动链的几何位置满足一定条件 使得约束不起作用 3 消极自由度 由于结构限制而不起作用的自由度 高等机构学第一章到第五章课件 48 第三节机构的数综合 机构的数综合 即给定自由度F 确定机构构件的数量n和运动副数p 及运动副的类型 高等机构学第一章到第五章课件 49 任何仅含有回转副的平面连杆机构具有n个构件 p个运动副 这n个构件中可能含有二副杆 三幅杆 即 一 平面连杆机构的数综合 表示i副杆的数量 高等机构学第一章到第五章课件 50 一 平面连杆机构的数综合 因此n和F满足如下关系 1 若n为偶数 则F必为奇数2 若n为奇数 则F必为偶数 p n和F关系式没有反应构件的类型 即ni i副杆的数量 高等机构学第一章到第五章课件 51 一 平面连杆机构的数综合 高等机构学第一章到第五章课件 52 一 平面连杆机构的数综合 高等机构学第一章到第五章课件 53 一 平面连杆机构的数综合 高等机构学第一章到第五章课件 54 二 空间连杆机构的数综合 1 空间单闭链机构的数综合 所有的构件都是二副杆 pi指i类副的个数 类副的个数 高等机构学第一章到第五章课件 55 二 空间连杆机构的数综合 2 空间多闭链机构的数综合 类副的个数 高等机构学第一章到第五章课件 56 二 空间连杆机构的数综合 2 空间多闭链机构的数综合 类副的个数 该式描述了空间多闭链机构中含3个以上运动副的构件与独立环数的关系 高等机构学第一章到第五章课件 57 二 空间连杆机构的数综合 3 空间开链机构的数综合 类副的个数 空间开链机构中 末端构件与机架不连接 含2个单副杆 高等机构学第一章到第五章课件 58 第四节 机构的型综合 型综合在数综合后 即通过数综合确定了自由度F 构件数n和运动副数p后 确定机构的具体类型 它们能确定多少个机构的运动链确定具体机构 高等机构学第一章到第五章课件 59 第三章平面连杆机构的运动学分析 高等机构学第一章到第五章课件 60 一 研究内容 撇开机构运动的原因 不考虑作用力和力矩 单纯研究机构各部分的运动关系 具体的说 就是研究各构件或构件上的点的位置 速度 加速度的关系 二 运动学分析方法 图解法 几何方法 解析法 代数方法 封闭矢量法 复数矢量法 直角坐标法 代数矩阵法仿真分析法 第一节概述 高等机构学第一章到第五章课件 61 三 运动学分析的过程 解析法 1 建立运动约束方程 位置方程 速度方程和加速度方程 2 运动学方程求解 高等机构学第一章到第五章课件 62 第二节平面连杆的运动分析 封闭矢量法 一 平面四杆机构 1 位置分析 2 建立矢量方程 1 建立坐标系 3 分量形式 4 求解 双解 独立变量 相关变量 高等机构学第一章到第五章课件 63 2 速度分析 3 加速度分析 高等机构学第一章到第五章课件 64 二 牛头刨机构 1 位置分析 2 建立矢量方程 1 建立坐标系 3 分量形式 4 求解 高等机构学第一章到第五章课件 65 四 曲柄滑块机构 五 五杆机构 高等机构学第一章到第五章课件 66 第三节平面连杆的运动分析 复数矢量法 一 复数矢量法的数学基础 1 矢量的复数表示法 矢量的回转 求导和消元非常方便 单位矢量 高等机构学第一章到第五章课件 67 一 复数矢量法的数学基础 2 矢量的回转 复数矢量转一角度 相对于原矢量乘以一个单位矢量 a矢量逆时针回转 高等机构学第一章到第五章课件 68 一 复数矢量法的数学基础 3 复数矢量的导数 P点的位置可以描述为 P点的速度 加速度通过求导得到 1 导块沿滑杆的滑动速度 大小 方向 P点的相对速度 2 导块的切向速度 大小 方向 P点的牵连速度 一阶导数 高等机构学第一章到第五章课件 69 一 复数矢量法的数学基础 P点的速度 加速度通过求导得到 3 导块沿滑杆的滑动加速度 大小 方向 P点的相对加速度 二阶导数 4 科氏加速度 大小 方向 耦合引起的加速度 5 切向加速度 大小 方向 6 向心加速度 大小 方向 高等机构学第一章到第五章课件 70 一 复数矢量法的数学基础 4 复数矢量的消元 设有矢量方程 已知 若给定 求 为求 可消 上式乘 让方程两端实部相等消去 高等机构学第一章到第五章课件 71 以上节的部分机构为例 用复数矢量法进行运动学分析 二 平面四杆机构 1 位置分析 2 建立矢量方程 1 建立坐标系 复数矢量形式 3 消元求解 独立变量 相关变量 2 速度 加速度分析 高等机构学第一章到第五章课件 72 第四章空间连杆机构的运动学分析 高等机构学第一章到第五章课件 73 与平面连杆机构相比 空间机构结构紧凑 能够实现更复杂运动 其运动学模型复杂 求解也复杂 一般采用解析法 向量或矩阵 建模 第一节数学基础 空间刚体构件的运动 总位移 可看作 构件某参考点的平动 线位移 绕该参考点的转动 角位移 1 构件的平动线位移 2 构件的转动角位移 1 绕直角坐标轴旋转的旋转变换矩阵 2 绕任意旋转的旋转矩阵 3 用欧拉角描述的旋转变换矩阵 高等机构学第一章到第五章课件 74 一 位置和姿态描述 1 位置描述 A 参考坐标系 B 动坐标系坐标系 用3X1的位置矢量描述刚体位置 高等机构学第一章到第五章课件 75 2 姿态描述 用 B 系的三个单位主矢量 即坐标轴 相对于 A 系的方向余弦组成的3X3矩阵表示 旋转变换矩阵 为单位正交矩阵 一 位置和姿态描述 高等机构学第一章到第五章课件 76 三 空间连杆机构的运动学分析 简介 高等机构学第一章到第五章课件 77 二 坐标变换 1 平移变换 2 旋转变换 3 平移 旋转变换 空间任一点在不同坐标系的描述是不同的 高等机构学第一章到第五章课件 78 二 坐标变换 4 齐次坐标变换 高等机构学第一章到第五章课件 79 三 欧拉角和RPY描述运动姿态 1 欧拉角 旋转序列 表示运动姿态 1 z y z欧拉角 对的可以看成经过若干次变换得到 用绕动系的z轴转角 再绕新y轴转角 最后绕新z轴转角 描述运动姿态 2 z y x欧拉角 机构的构件 系 的运动姿态可以看成是绕动坐标系x y z轴的旋转序列来规定的 这种序列叫欧拉角 高等机构学第一章到第五章课件 80 三 欧拉角和RPY描述运动姿态 2 用RPY描述姿态 航海 R roll横滚P pitch俯仰Y yaw偏转 先绕参系的x轴转角 再绕y轴转角 最后新z轴转角 高等机构学第一章到第五章课件 81 第二节空间开链机构 串联机构 位置分析 一 位置方程 1 建立坐标系 参考系 0 各杆的坐标系 1 2 2 连杆变换矩阵 齐次变换 A1 1 对 0 系的齐次变换矩阵 A6 6 对 5 系的齐次变换矩阵 A2 2 对 1 系的齐次变换矩阵 高等机构学第一章到第五章课件 82 第二节空间开链机构 串联机构 位置分析 一 位置方程 2 对 0 位置方程 3 各构件的位姿描述 3 对 0 6 对 0 高等机构学第一章到第五章课件 83 二 连杆变换矩阵 把相邻连杆之间的坐标变换关系称为连杆变换矩阵 用A表示 Ai 第i个杆对i 1杆的齐次变换矩阵 高等机构学第一章到第五章课件 84 1 连杆参数的D H表示法 D H参数 二 连杆变换矩阵 Denavit Hartenberg 空间开链机构一般为R副 P副 其他副可看成它们的组合 1 建立坐标系 2 连杆四参数 高等机构学第一章到第五章课件 85 2 连杆变换矩阵 高等机构学第一章到第五章课件 86 三 空间开链机构位置方程求解 描述末端构件相对于机架 参考坐标系 的位姿 位置正解和反解 连杆变换矩阵 关节变量或 1 已知机构的主动关节的位置输入量 求解末端构件的位置输出量 位姿 为位置正解 2 已知机构的末端构件的位置输出量 求解主动关节的位置输入量为位置反解 3 串联机构正解容易 反解困难 高等机构学第一章到第五章课件 87 举例 高等机构学第一章到第五章课件 88 第三节空间闭链机构 并联机构 位置分析 一 位置方程 Stewart机构 6 SPS机构 1 建立坐标系 2 机构位置输入量和输出量 高等机构学第一章到第五章课件 89 Stewart机构 6 SPS机构 3 建立矢量方程 一 位置方程 高等机构学第一章到第五章课件 90 二 位置正解和反解 Stewart机构 6 SPS机构 1 反解 已知T 求 2 正解 一般没有解析解 需要用数值解法 高等机构学第一章到第五章课件 91 第四节空间机构速度分析和雅克比矩阵 设关节位置变量向量 设末端位置向量 位置 姿态 位置方程 高等机构学第一章到第五章课件 92 位置方程分别对求导得 第四节空间机构速度分析和雅克比矩阵 高等机构学第一章到第五章课件 93 矩阵形式 第四节空间机构速度分析和雅克比矩阵 高等机构学第一章到第五章课件 94 第五节机构的运动学性能和运动学综合 一 工作空间 工作空间是机构执行构件 或机械手 的参考点所能达到的工作区域 它是衡量机构性能的重要指标 工作空间求解依赖于位置解的结果 搜索法和仿真 1 可达工作空间 执行构件参考点可达位置点的集合 工作空间的类型 2 灵巧工作空间 满足给定位姿范围时执行构件参考点可达位置点的集合 3 全工作空间 给定所有位姿时执行构件参考点可达位置点的集合 高等机构学第一章到第五章课件 95 二 奇异位形 奇异位形是机构的固有性质 对机构的操作性能有着重要的影响 对机构在某些位形 雅克比矩阵出现奇异 此时机构处于奇异位形 机构出现多余自由度或被刚化 试举例说明 平面和空间机构的奇异位形 高等机构学第一章到第五章课件 96 三 运动学综合 确定机构的运动学参数 及机构的几何参数设计 其目的及时满足机构的工作要求 运动规律 获得较好的