机械设计原理-开式链机构概述

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=fi。

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１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操操作器器的自自由度度结论：：通用的的空间间机器器人操操作器器的自自由度度大于于等于于6（（位置置3个个、姿姿态3个）），其其中转转动关关节大大于等等于3。仅用移移动关关节不不可能能建立立通用用的空空间或或平面面机器器人。。通用的的平面面机器器人操操作器器的自自由度度大于于等于于3（（位置置2个个、姿姿态1个）），其其中转转动关关节大大于等等于1。9.2.2操作作器的的自由由度冗余自自由度度：操作器自由由度数大于于6时，手手爪可绕过过障碍到达达一定的位位置特点：三个基本关关节均为移移动关节。。运动图形：：长方体占据空间大大，相应的的工作范围围小优点：结构简单，，运动直观观性强，便便于实现高高精度。9.2.3操作器器的结构分分类1.直角角坐标型（（又称直移移型）三个基本关关节：移动动关节2个个，转动关关节１个运动图形：：空心圆柱柱．优点：运动动直观性强强，占据空空间较小，，结构紧凑凑，工作范范圈大。缺点：受升升降机构的的限制，一一般不能提提升地面或或较低位置置的工件。。9.2.3操作器器的结构分分类2.圆柱柱坐标型（（又称回转转型）三个基本关关节：移动动关节１个个，转动关关节2个。。运动图形：：空心球体体优点：由于于其具有俯俯仰白由度度，能完成成从地面提提取工件的的任务，工工作范围扩扩大了。缺点：运动动直现性差差，结构较较复杂，臂臂端的位置置误差会随随臂的伸长长而放大。。9.2.3操作器器的结构分分类3.球坐标标型（又称称俯仰型））三个基本关关节为转动动关节运动图形：：球体优点：占据据空间小，，工作范围围大，可绕绕过障碍物物提取和运运送工件。。缺点：运动动直观性差差，驱动控控制比较复复杂。9.2.3操作器器的结构分分类4.关节型（又又称屈伸型型）9.3开开式链机构构的运动学学9.3.1研究的的主要问题题正向运动学学问题反向运动学学问题工作空间给定操作器器的一组关关节参数，，确定其末末端执行器器的位置和和姿态。9.3.1研究的的主要问题题1）正向运运动学问题题可获得一组组唯一确定定的解。给出末端执执行器的位位置和姿态态，求关节节参数。9.3.1研究的的主要问题题2）反向运运动学问题题对于工作所所要求的末末端执行器器的一个给给定位置和和姿态，确确定一组关关节参数，，使末端执执行器达到到给定的位位置和姿态态。解的存在性性?多重解？在机器人运运动过程中中其操作器器臂端所能能达到的全全部点所构构成的空间间，其形状状和大小反反映了一个个机器人的的工作能力力。9.3.1研究的的主要问题题3））工工作作空空间间可达达到到的的工工作作空空间间：机机器器人人末末端端执执行行器器至至少少可可在在一一个个方方位位上上能能达达到到的的空空间间范范围围。。灵活活的的工工作作空空间间：机机器器人人末末端端执执行行器器在在所所有有方方位位均均能能达达到到的的空空间间范范围围。。已知知关关节节参参数数，，求求解解位位置置和和姿姿态态坐坐标标。。9.3.2平平面面两两连连杆杆关关节节型型操操作作器器1））正正向向运运动动学学问问题题（1））位位移移分分析析姿态角：9.3.2平平面面两两连连杆杆关关节节型型操操作作器器1））正正向向运运动动学学问问题题（2））速速度度分分析析雅可比矩阵：9.3.2平平面面两两连连杆杆关关节节型型操操作作器器2））反反向向运运动动学学问问题题已知知各各位位置置和和速速度度参参数数，，求求关关节节参参数数。。（1））位位移移分分析析9.3.2平平面面两两连连杆杆关关节节型型操操作作器器2））反反向向运运动动学学问问题题（1））位位移移分分析析9.3.2平平面面两两连连杆杆关关节节型型操操作作器器2））反反向向运运动动学学问问题题（2））速速度度分分析析当或时，，不存在，此位置称为操作器的奇异位置。9.3.2平平面面两两连连杆杆关关节节型型操操作作器器3））工工作作空空间间：：可达到的工作空间灵活的工作空间9.3.3平平面面三三连连杆杆关关节节型型操操作作器器1））正正向向运运动动学学问问题题（1））位位移移分分析析给定确定9.3.3平平面面三三连连杆杆关关节节型型操操作作器器1））正正向向运运动动学学问问题题（2））速速度度分分析析9.3.3平平面面三三连连杆杆关关节节型型操操作作器器2）反向向运动学学问题（1）位位移分析析给定确定思路：将三连连杆问题题转化为为两连杆杆问题求求解！计算出和9.3.3平平面三连连杆关节节型操作作器2）反向向运动学学问题一般情况况下，选选择使每每个关节节运动量量最小的的解。有障碍时时，应避避免与之之碰撞。。在存在多多重解时时，必须须求出所所有可能能的解，，然后根据具具体情况况加以选选择。解的选择择原则：：9.3.3平平面三连连杆关节节型操作作器3）工作作空间对于关节节型操作作器而言言，如果果各连杆杆长度相相等，而而腕部连连杆的长长度设计计的尽可可能短的的话，其其工作空空间的形形状和尺尺寸则可可以大大大改善．．了解开式式链机构构的主要要特点和和功能；；掌握开式式链机构构的组成