北理工机械原理讲义第9章 空间连杆机构及机器人机构

第九章

空间连杆机构及机器人机构一、基本要求（1）了解空间连杆机构（包括闭链与开链机构）的基本概念。（2）

掌握空间连杆机构的自由度计算方法及计算自由度时的注意事项。

二、基本概念和基础知识机器人是一种能自动定位控制并可重新编程予以变动的多功能机器。它有多个自由度，可用来搬用材料、零件和握持工具，以完成各种不同的作业。空间连杆机构作为机器人的主体运动装置是我们本章的主要内容。本章的开设可以增强学生对机器人机构的了解和认识。机器人中所涉及的自由度是用来确定手部相对机座的位置和姿态的独立参变数的数目，它等于操作机独立驱动的关节数目。自由度越多，操作机的适用性和通用性越好。工业机器人的自由度是根据其用途而设计的，可能小于六个自由度，也可能大于六个自由度。机器人的工作空间指操作机的工作范围，通常以手腕中心点在操作机运动时所占有的体积来表示。工作空间的大小反映了操作机工作区域的大小。机器人的灵活度指操作机末端执行器在工作时，所能采取的姿态的多少。灵活度越大，操作机抓取的方位就越多。1．空间连杆机构

各构件的运动平面不再平行，而是作空间运动，这就导致了含有较少构件的空间连杆机构可以实现更为复杂的运动规律或运动轨迹。机构类型的表示方法：例如飞机起落架机构用SPSR表示。第一个字母一般代表原动机与机架连接的运动副代号，后面的字母依次序为各运动副的代号。空间闭链连杆机构即各构件用运动副连接成一个的空间封闭系统。分为单环闭链连杆机构和多环闭链连杆机构。空间开链连杆机构主要用在机械手或机器人机构中。一般刚性差，负载能力较小。2．空间连杆机构的自由度计算空间闭链机构的自由度计算公式：

（9-1）

单环闭链机构的自由度计算公式：

（9-2）

空间开链机构的自由度计算公式：

（9-3）

式中：n为机构中可动构件的数目；p为机构中各类运动副的数目总和；为机构中各类运动副自由度数目总和，为局部自由度。三、学习重点及难点本章重点内容是：空间连杆机构的自由度计算。难点为空间连杆机构的设计理论和方法。四、例题精选

例题9-1，计算图9-1所示R3C机构和SC2R机构的自由度。

（

a）R3C

（

b）SC2R机构

图9-1

R3C与SC2R机构解:

图a所示机构为单环闭链机构，含有一个转动副R，其自由度数为1；3个圆柱副C，每个圆柱副自由度数为2，根据式9-2，可有：

图b所示机构也为单环闭链机构，含有一个球面副S，其自由度数为3；含有1个圆柱副C，其自由度数为2，含有2个转动副R，其自由度数共为2。根据式9-2，可有：例题9-2

计算图9-2所示机械手机构的自由度

图9-2

RPRC2R机械手解：计算机械手自由度时，一般不计腕部的自由度，该机械手为一个空间开链机构，由4个转动副、1个移动副和1个圆柱副组成。

例题9-3

求图9-3所示的6SPS空间并联机构的自由度。解：该机构的构件总数为：n=6+6+1=13；运动副总数为：p=6+6+6=18；每根杆两端都是球面副，故该杆绕自身轴线的自转为局部自由度，。机构中的运动副自由度数总和为。由公式得图9-36SPS机构五、试题自测与答案1．计算图9-4所示调整机构的自由度。

图9-4三闭环机构2．计算图9-5所示自动驾驶仪操纵机构的自由度

图9-5

自动驾驶仪操纵机构3．计算图9-6所示开链机构的自由度图9-6开链机构

参考答案1．解:

图9-5所示调整机构，可分为1-2-3-4-5-1（闭链机构A），1-5-6-1（闭链机构B）和1-6-7-1（闭链机构C）。A为平面机构，但从空间机构的角度看，各构件除具有运动平面中的三个自由度外，其余三个自由度都已失去。B全由移动副组成的平面楔块机构，从空间机构的的角度看，它只保留了运动平面中两个方向的移动自由度。C为空间机构，机构中各构件不在相互平行的平面运动，机构中除了有绕转动副轴线转动和沿轴线移动以外，其余方向的运动自由度均已失去。根据上述公式，可得各环自由度：

从图上看到，当构件7转到一定位置（调整动作）时，相当于给定一个主动件的位置，构件6就有确定位置，从B看，6已有确定位置，则构件5位置已确定，因而还需要给定一个主动件，构件2，构件3，构件4的位置才能最后确定。所以从整个机构看，给定