机器人机构学-绪论

1、l名字：褚金奎l主要学术经历：l2002.5-至今:大连理工大学 机械工程学院教授、博士生导师l2001.10-2002.4:日本国 东北大学工学部 机械智能工学科 客座教授l1998.7-2002.10：西安理工大学、机械与精密仪器学院机械学专业教授、博士生导师l1997.5-1998.6 : 西安理工大学、机械与精密仪器学院机械学专业教授l1996.10-1997.4 : 日本国 山形大学机械工学部 机械系统工学科 研究员l1996.7-1996.10 : 日本国 近畿大学 理工学部 机械工学科 高级访问学者l1989.4-1992.10： 在北京航空航天大学机器人研究所攻读博士学位l主要

2、研究方向：机构学，机器人，实体造型与运动方针，MEMSl科研成果及所受奖励科研成果及所受奖励: l2015入选大连市科技领军人才l2105 国家技术发明二等奖l2004教育部新世纪优秀人才支持项目获得者l2003入选辽宁省千百万人才工程l1995年评为机械工业部部级优秀青年科技专家，l1996年项目机构结构的拓扑特征、尺度特征及动力学模型的研究获得教育部科技进步（甲类）二等奖l1997年评为机械工业部部级学术骨干l1999年项目以序单开链为基本单元的机械系统新理论研究获得教育部科技进步（甲类）二等奖l2000年项目齿轮连杆机构结构及运动学的基本理论及新方法的研究获得山东省科技进步奖三等奖l共发

3、表论文一百伍拾篇，其中主要的论文有：l（1）用快速傅立叶变换进行再现平面四杆机构连杆曲线的综合, 机械工程学报, 1993年 第五期， 被苏联机械制造材料与机械零件文献收录 。l（2） Identification of Isomorphism Among Kinematic Chains and Inversions Using Links AdjacentChainTable ,Mechanism and Machine Theory , No.1, 1994， 被“SCI”收录 l（3） Systemics of Assur Groups with multiple joints , ,

4、Mechanism and Machine Theory， No.8 ,1998，被SCI收录 同时也被被EI收录 。l（4）Structural analysis of synthesis of Assur Groups with multiple joints ,机械工程学报英文版,No.1,1992，l（5） 齿轮连杆机构类型综合的研究，机械工程学报 ,No.3， 1996l（6）带有预定时标平面四杆刚体导引机构尺度综合的研究, 机械工程学报，No.5， 1999l（7）四杆机构轨迹特性与机构尺寸型关系研究， 中国科学E辑中文版,2004, 34卷第7期，p1-9.l（8）Study o

5、f Relationship between Coupler Curve Properties of 4-bar Linkages and Its Dimensional Types, SCIENCE IN CHINA（Series E ）, 2004, 47(4) l(9）Stephenson六杆机构可动性研究，机械工程学报，No.11, 2004l(10） 电热驱动镍微夹钳的设计及制作，机械工程学报，No.5 ,2007l(11)Rapid Nonlinear Analysis for Electrothermal Microgripper Using Reduced Order Mode

6、l Based on Krylov Subspace，International Journal of Nonlinear Sciences and Numerical Simulation, Vol. 9, No. 4, 2008,P333-338，期刊影响期刊影响因子: 5.099l(12)Fourier Method to Function Synthesis of RCCC Mechanism，Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C, Journal of Mechanical Engineering

7、 Science，Vol.222，2008，DOI: 10.1243/09544062JMES1091，期刊影响因子：期刊影响因子：0.329l(13)Construction and performance test of a novel polarization sensor for navigation，Sensors & Actuators: A. Physical，DOI information: 10.1016/j.sna.2008.07.016,2008，Vol.148，P75-82,2008，期刊影响期刊影响因子：因子：1.348。l电话：84706108（o)lEma

8、il:l机械学院2号楼，微系统中心212-2褚金奎参考教材: 机器人机构拓扑结构学 杨廷力机械工业出版社，2004年3月l机构是人们在实践中发明的用于改造和适应自然的工具有了人就有了机构的创造. 最简单的机构杠杠,门,栅栏,轮子等l机构的发展史就是人类的创造发明史、文明史 农业文明中机构的贡献有:马车,水车,纺车,风车（古）播种机、收割机。 工业文明中机构的贡献:没有蒸气机为代表的一系列机器的发明就没有工业文明。l机构学的诞生起源于1875德国学者勒洛(F.Reuleau)给机构的定义l电器时代,信息时代（3.0）的到来对机构发明提出了新的课题l网络化和智能化对机器又有进一步的要求（工业4.0

9、）。l机构与机器机构与机器： 机器就是指设备、装置。机构是为研究机器的组成、运动原理、分析设计方法的抽象。其定义为:由具有确定相对运动的构件形成的一个系统，能够实现运动、力和能量的变换。l机构的主要组成机构的主要组成:构件和运动副。其中有两个构件比较特殊：机架和原动件。机构的研究就是研究构件和运动副各自特点和相互连接组成系统l机构功能的图表示机构功能的图表示: 机构系统输入（运动力、能量）输出（运动力、能量）l构件的种类构件的种类 含运动副的多少分：双副杆、三副杆、多副杆 构件的特性：齿轮、凸轮、带轮、棘轮、机架、原动件.l运动副的种类运动副的种类 运动性质：平面、空间 平面（ R、P)、空间

10、(C、S、H) 接触特性: 高副（凸轮、齿轮、摩擦副）、低副（R、P)等 连接特性：拉压介质运动副：带、链、钢丝 及其他介质如液压机构l机构的分类机构的分类 运动特性：平面、空间、低副机构、高副机构、 构件的特性：齿轮机构、凸轮机构、连杆机构、组合机构等 运动副与构件的连接特性: 低级机构、高级机构, 柔性机构等机构学的主要目的就是为新机构机构学的主要目的就是为新机构(机器机器)发明创造提供理论和技术指导发明创造提供理论和技术指导机构学的主要研究内容（三个命题）：组成学机构学的主要研究内容（三个命题）：组成学、运动学、动力学1.机构组成学机构结构理论（非尺寸影响）l机构的结构分析： 机构的组成

11、条件（机构的自由度分 析） 机架的选择准则 原动件（主动件）的选择确定 机构结构与性能的关系（m、分支数、位置方程数、复杂度）l机构的结构综合（类型综合）： 类型综合：在一定的条件下（n,p,l,f) 的全部机构结构类型 分类与优选：根据一定的指标进行分类2.机构运动学（研究机构中各构件尺度的影响）l运动学分析：已知机构尺寸和输入确定运动状态 位置分析 速度分析 加速度分析 精度分析 装配构型分析 奇异构型分析 分支、顺序、尺寸型优选 l运动学综合: 已知输出要求确定机构尺寸（或输入，机器人逆解） 位置综合（轨迹、函数、刚体导引） 速度、加速度综合 误差综合 3.机构动力学的研究内容（机构中质

12、量分布、阻尼特性、材料特性、几何特性对机构性能的影响）l动力学分析 动态静力分析: 已知机构的运动状态及外力确定机构及构件上惯性力、力矩、平衡力、力矩、驱动力、及支反力、应力、应变等 动力学分析：已知机构的所受的外力，确定机构的运动状态（牛顿第二定律、拉格朗日方程、凯恩方程） 结构动力学分析：已知机构的运动及受力，确定机构的响应、振型、固有频率、噪音、可靠性、寿命、稳定性等l动力学综合 已知机构的动力学性能要求，确定机构的动力学参数 （质量分布、阻尼分布、几何特性、材料特性） 常见的动力学要求：惯性力、力矩、支反力、许用应力、应变、振动频率、寿命等l动力学涉及的内容很多，很多内容都有专门的学科

13、进行研究l科幻作品 20年 robot :捷克作家卡雷尔.查培克（Kapel Capek) 人造劳动者l 60年代实用化的机器人，区别、工业机器人（操作手）；l 70年代机器人的概念才被确认，出现了机器人学；l 80年代工业机器人大量应用，出现了大量的移动机器人研究（步行机、月球车）；l 90年代出现了智能机器人的概念，医用机器人出现在临床，移动机器人开始应用；l 20世纪末出现了大量的智能机器人比赛和智能机器人模型、助残机器人；可以预见的未来、21世纪机器人将走入我们的生活，成为我们生活中不可缺少的一部分。机器人的发展经历 机器 自动化机器 智能化机器 拟人机器机器人是一个动态的概念，一般具

14、有下列性质：l代替人进行工作：能像人一样使用工具和机械(机床和汽车不行）l有通用性：根据工况进行作业变换（玩具不能)l可以直接对外发生作用：不仅能像计算机一样进行计算，还能对外产生作用 l机器人的分类方法有许多，这里简单介绍三种l根据机器人可以代替人的不同器官可分为： 操作机器人：手 移动机器人：腿 视觉机器人：眼，等等l根据机器人的应用可分为 工业机器人：搬运、焊接、装配、喷漆、焊接、检测等 极限作业机器人：核电站、海底、宇宙空间等 娱乐机器人等：弹奏乐器、舞蹈、宠物等 福利机器人（助残机器人） 医疗机器人（手术机器人） 灾难救助机器人 体育类机器人等 军用机器人l根据机器人动作所基于的信息

15、可分为：操作机器人操作机器人(遥控机器人) ：远距离遥控（太空、核电站、防暴) ;基于微观显微观察的机器人（纳米操作、细胞操作、手术机器人等）程序机器人程序机器人：按预定的程序进行工作（上、下料机器人）l示教再现机器人示教再现机器人：示教再现同盒式录放机一样，把轨迹、动作进行示教再现。l数值控制机器人数值控制机器人：用计算机控制机器人的动作，轨迹规划是基于计算而非示教。l智能机器人智能机器人：不仅可以完成预定的工作，还可以根据工作的状况进行相应的动作。l通常情况下，机器人的信息控制方式都不是一种，混合控制的情况比较普遍。（火星探险车）安川机器人Scalar机器人机器人士兵勇气号火星机器人模型腿

16、部6 x 2 = 12手臂6 x 2 = 12手2 x 2 = 4头 3 l身高厘米l体重公斤l身着红色婚纱。“她”的面部由玻璃钢材料制成，嘴和眉毛是画上去的，眼睛可以转动还可以跟人配合跳交谊舞。如果被人夸奖：“你真漂亮。”“她”会“微笑” l沈阳自动化所l具备2岁儿童智商 l它能陪您说话、能帮您检查室内空气质量、能诊病还能分析股票 日本松下按计划以后还将继续推出能够布置餐桌和洗碗的家政机器人 日本东京大学给客人倒饮料l单细胞机器人l仿生微机器人l机器人结构组成学l机器人运动学l机器人动力学l机器人控制理论l传感器与信息传输和处理3. 3. 现代机械系统现代机械系统 3.1 基本构成基本构成3

17、.2 机械系统创新设计过程机械系统创新设计过程(1) (1) 创新设计过程的基本模式创新设计过程的基本模式任务空间任务空间解空间解空间解优选解优选(2) (2) 创新设计的主要层次：创新设计的主要层次：拓扑创新设计拓扑创新设计参数创新设计参数创新设计控制创新设计控制创新设计3.3 现代机械系统的主要特点现代机械系统的主要特点 传统机械系统向主动控制、信息化、智能化、网络传统机械系统向主动控制、信息化、智能化、网络化发展：化发展：(1)(1)机构创新是机械产品创新的核心，而机构拓扑创新对机构创新是机械产品创新的核心，而机构拓扑创新对 产品创新起着决定作用；产品创新起着决定作用；(2)(2)由子系

18、统之间的相互联系、制约与协调，确定子系统由子系统之间的相互联系、制约与协调，确定子系统 之间的相应特性；之间的相应特性；4. 4. 现代机构学现代机构学 4.1 现代机构系统的主要特点现代机构系统的主要特点现现 代代 机机 构构传传 统统 机机 构构1 机构活动度机构活动度22.运动输出包括：运动输出包括： 1) 运动输出类型；运动输出类型； 2) 位姿实现连续复杂变化；位姿实现连续复杂变化； 3) 在一定范围内的可调输出。在一定范围内的可调输出。3.可变主动输入可变主动输入4.可变拓扑结构可变拓扑结构5.可变尺度参数可变尺度参数6.可变惯性参数可变惯性参数7.可变阻尼参数可变阻尼参数 1.

19、机构活动度机构活动度=1 2. 运动输出运动输出(函数、导向、轨迹函数、导向、轨迹) 为单输出，调整困难；可实现为单输出，调整困难；可实现 若干精确点，但过程为近似实若干精确点，但过程为近似实 现现 3.主动输入基本不变主动输入基本不变 4.拓扑结构不变拓扑结构不变 5.尺度参数不变尺度参数不变 6.惯性参数不变惯性参数不变7.阻尼参数不变阻尼参数不变4.2 现代机构学的任务现代机构学的任务 最重要任务是发明新机构，应为发明机构提最重要任务是发明新机构，应为发明机构提供系统的理论与有效的实用方法。供系统的理论与有效的实用方法。4.3 现代机构学理论的基本问题现代机构学理论的基本问题 结构类（非

20、数值类）非线性问题结构类（非数值类）非线性问题 机构拓扑结构设计机构拓扑结构设计 参数类（数值类）非线性问题参数类（数值类）非线性问题 非线性代数方程非线性代数方程机构运动学设计机构运动学设计 非线性微分方程非线性微分方程机构动力学设计机构动力学设计4.4 4.4 拓扑结构学基本理拓扑结构学基本理论论 拓扑结构设计的基本类型拓扑结构设计的基本类型(1) (1) 机构集成创新：机构集成创新： 通过对已知基本机构（元机构）及其功能（元功能）通过对已知基本机构（元机构）及其功能（元功能）进行重组，以实现较复杂机构系统的整体功能与原理创进行重组，以实现较复杂机构系统的整体功能与原理创新。已知元机构及其

21、元功能是集成创新知识库的基础之新。已知元机构及其元功能是集成创新知识库的基础之一。一。(2) (2) 机构原始创新机构原始创新 发明具有特定功能的新基本机构，可直接开发为新发明具有特定功能的新基本机构，可直接开发为新型产品，或作为机构集成创新的新元机构。型产品，或作为机构集成创新的新元机构。4.5 现代机构学的主要特点现代机构学的主要特点(1)(1)研究对象为现代机构研究对象为现代机构现代机械系统的子系统（骨架现代机械系统的子系统（骨架与执行器）。机构学内容涉及机械、驱动、控制、信息与执行器）。机构学内容涉及机械、驱动、控制、信息等多学科的交叉与融合。等多学科的交叉与融合。(2)(2)机构拓扑

22、结构学、运动学与动力学统一建模，创建三者机构拓扑结构学、运动学与动力学统一建模，创建三者融为一体且涉及驱动与控制技术的系统理论与方法，为融为一体且涉及驱动与控制技术的系统理论与方法，为创新设计方法提供理论基础。创新设计方法提供理论基础。(3)(3)与计算机技术很好结合，以提供创新设计的实用软件。与计算机技术很好结合，以提供创新设计的实用软件。(4)(4)与其它学科协调发展，甚至拓宽、发展相关的数学、力与其它学科协调发展，甚至拓宽、发展相关的数学、力学方法，沟通与其它学科（如结构分子生物学、分子工学方法，沟通与其它学科（如结构分子生物学、分子工程学等）的内在联系等。程学等）的内在联系等。 展望展

23、望(1) 多学科技术多学科技术(机构、驱动、控制、信息、机构、驱动、控制、信息、MEMS、传感、计算机等、传感、计算机等)的交叉与融合发展。的交叉与融合发展。(2) 多学科理论多学科理论(机构、数学、力学、微电子学、结构生物学与分子工程机构、数学、力学、微电子学、结构生物学与分子工程学学)的协调发展，甚至在更高层次上的协调发展，甚至在更高层次上(如拓扑结构层次如拓扑结构层次)的一致性。的一致性。 总之，以发明新机构为最重要任务的现代机构学，通过一两代我国学总之，以发明新机构为最重要任务的现代机构学，通过一两代我国学者群体的努力，能形成属于我国原创的现代机构学的新学派，建立起有中者群体的努力，能形成属于我国原创的现代机构学的新学派，建立起有中国特色的现代机械系统设计原创理论与方法体系，在我国经济建设、国防国特色的现代机械系统设计原创理论与方法体系，