运动控制系统（第2版新形态版）课件 第二章 运动机构分析

运动建模与控制系统设计

第二章运动机构分析1Ch.2MotionMechanismAnalysisMotionModelingandControlSystemDesign4学时

目录2运动副

基座固定的运动无基座的运动水下运动空中运动随动运动传动机构运动机构的串并联人体的骨骼运动运动机构的性能仿生机构设计案例量子运动32.1运动副运动副(Joints)是指机构中两构件互做一定相对运动的活动联接

。可分为低副和高副。

运动副的自由度（Degreeoffreedom）是指运动副所联接的运动机构所具有的独立运动的个数。R转动副自由度：1P移动副自由度：1C圆柱副自由度：2S球面副自由度：3H螺旋副自由度：1442.1运动副55常用规定的符号来表示特定的运动副

转动副移动副

2.1运动副6数控机床

2.1运动副72.1运动副操作机

工业机器人

8机构自由度：使机构具有确定运动时所必须给出的独立运动的数目，或操作机独立驱动的关节数。

平面机构自由度数的计算公式为2.1运动副92.2基座固定的运动

根据运动机构整体有无运动分为：基座固定的运动和基座非固定的运动。

PPPRPPRRPRRR102.2基座固定的运动

机械手结构示意图

关节1关节2关节311自然不稳定轮式移动机构

2.3无基座的运动轮式运动、履带式运动、腿式运动、混合式以及特种运动等。12自然不稳定系统典型的控制方式

2.3无基座的运动13三个轮子的车体为自然稳定系统

2.3无基座的运动14当车体的负载较重，且路面不平时，三轮车的稳定性较差2.3无基座的运动典型的4轮移动机构

15火星车

2.3无基座的运动16月球探测车

2.3无基座的运动17履带式移动机构

2.3无基座的运动18机构越障和上楼梯过程中的构形变化

2.3无基座的运动19混合越障式移动机构

2.3无基座的运动20腿式移动机构

2.3无基座的运动21地面爬行机构

2.3无基座的运动22

爬壁机构

2.3无基座的运动23

2.4水下运动

通过推进器、叶片旋转推力、身体的摆动等来移动。

242.5空中运动

可分为固定翼、旋翼和摆翼等三种模式。

252.6随动运动外骨骼机器人是典型的随动运动机构262.6随动运动27行星齿轮的减速模式

2.7传动机构28行星齿轮的减速模式

2.7传动机构锁定齿圈时的动力传递

锁定太阳轮时的动力传递

锁定行星齿轮架时的动力传递

29谐波减速器

2.7传动机构2.7传动机构31摆线针轮减速

2.7传动机构32摆线针轮减速

2.7传动机构33无极变速

2.7传动机构34滚珠丝杠和螺母机构的工作原理2.7传动机构35丝杆螺母调整间隙

2.7传动机构齿数分别为Z1，Z2

,且两者的差值

则，间隙调整量

36滚珠丝杆预加载荷

预加载荷

与负载载荷

之间的关系通常为

2.7传动机构37链条传动

2.7传动机构382.7传动机构对比：链条传动无滑动，可传递的力矩大，但结构和安装复杂。皮带传动成本低，机构简单，但容易发生滑、寿面短。皮带传动

39多连杆机构

2.7传动机构40制动器是具有使运动部件（或运动机械）减速、停止或保持停止状态等功能的装置，俗称刹车、闸。

制动系统可分为机械式、液压式、气压式、电磁式等多种。同时采用两种以上传能方式的制动系统称为组合式制动系统。2.7传动机构41刚性联轴器

弹性联轴器

2.7传动机构联轴器是联接主动轴和从动轴，使之共同旋转，以传递运动和扭矩的机械零件。

42平行轴齿轮

2.7传动机构43相交轴齿轮2.7传动机构44交错轴斜齿轮啮合转动

2.7传动机构蜗轮蜗杆传动

452.8运动机构的串并联与开闭链

根据结构拓扑图的特点可将机构分为开链、闭链，以及串联和并联等。

开链机构的末端节点不受约束，可处于自由运动状态。闭链机构的末端节点被通过环境或与基点固定连接的连杆所约束，此时必然存在由部分节点和连杆形成的闭合链路。

46

串联机构(SerialMechanism)任意两个节点之间，只存在唯一一条机构链路。2.8运动机构的串并联与开闭链

并联机构(ParallelMechanism)：若干个分支后续机构，或若干个分支机构汇合于一个后续机构的组合方式。472.8运动机构的串并联与开闭链

482.9人体的骨骼运动机构492.10运动机构的性能指标(1)机构的工作范围(Workspace)

(2)刚度(Stiffness)(3)强度(Strength)(4)定位精度(Positionaccuracy)(5)重复精度(Repeatability)(6)分辨率(Resolution)(7)工作循环时间(8)死点(Deadpoint)(9)承载能力(Payload)(10)速度(Velocity)502.11仿生机构设计案例四连杆机器人仿生膝关节机构优化设计目前双足机器人中常用的2连杆铰链膝关节机构，转动中心固定不变。51四连杆仿生关节机构及虚拟样机2.11仿生机构设计案例52四连杆仿生关节设计：确定合理的四连杆机构参数和合理的阻尼器安装位置参数。

优化目标为

膝关节几何中心点为

2.11仿生机构设计案例532.11仿生机构设计案例54由于4个连杆形成封闭链机构，使得4个连杆的广义坐标变量之间存在封闭链约束：2.11仿生机构设计案例在求解上述的机构优化中，需在满足此封闭链约束下进行优化计算。

55踝关节中心点跟踪曲线

2.11仿生机构设计案例采用APAS软件中公开的健康成年人步态数据。MR阻尼器采用美国LOAD公司的RD1005，活塞杆长度行程155-208mm。采用的多变量优化方法为SUMT(SequentialUnconstrainedMinimizationTechnique)内点法。56仿人关节机构是仿生机构研究的重点，常见的三种气动肌肉安装方式

2.11仿生机构设计案例气动肌肉仿生关节机构模型57建立仿人手臂单关节(1-DOF)模型

2.11仿生机构设计案例58在基坐标系中，初始姿态下，各点坐标分别为：

当动坐标系相对基坐标系旋转

角度时，

平面摆动旋转矩阵

2.11仿生机构设计案例59C,D,E点在基坐标系中的坐标分别为：

,,为C,D,E点在动坐标系中的坐标

2.11仿生机构设计案例602.11仿生机构设计案例可得61右侧气动肌肉的伸、缩量为：左侧气动肌肉的伸、缩量为：

表示左侧或右侧气动肌肉处于拉伸状态

或或表示左侧或右侧气动肌肉处于收缩状态

2.11仿生机构设计案例62关节在转动过程中，应满足以下约束：(1)拮抗安装约束转动中，两侧的气动肌肉应该是一根缩短、另一根被拉长

(2)机构干涉约束1)时

,OE不能摆动到B点或A点

对于顺时针转动有对于逆时针转动有2.11仿生机构设计案例632)

AD或BC不能摆动到O点。

OA的斜率

的斜率

2.11仿生机构设计案例64当AD摆动到O点时，

对逆时针转动有

或者

当BC摆动到O点时，

对于顺时针转动有

或者

2.11仿生机构设计案例65(3)气动肌肉相对于初始安装长度的伸缩量约束气动肌肉工作中的最大收缩量：气动肌肉工作中的最大拉伸量：设气动肌肉的原长为

气动肌肉相对于

的伸缩量

满足

2.11仿生机构设计案例66(4)机构的运动学奇异点约束当逆时针旋转时OB和BC处于同一条直线上，或顺时针旋转时OA与AD处于同一条直线上时，

或

处于极小值

或

机构处于奇异点位置，容易发生卡死和速度突变。

2.11仿生机构设计案例67SimMechanics关节机构优化

SimMechanics机构模型图

2.11仿生机构设计案例68(1)h对转动工作角度的影响2.11仿生机构设计案例69不同h下的机构摆动过程

2.11仿生机构设计案例70不同h值下逆时针转动中气动肌肉收缩量与转角关系

2.11仿生机构设计案例71(2)r对转动工作角度的影响

1)对称机构拮抗安装和机构干涉约束下关节转动半径r变化下逆时针转动角度曲线

2.11仿生机构设计案例72完整约束下关节转动半径r变化下逆时针转动角度曲线

2.11仿生机构设计案例732)非对称逆时针转动拮抗安装和机构干涉约束下r对工作角影响

2.11仿生机构设计案例74完整约束下r对工作角影响

2.11仿生机构设计案例75不同r下的机构摆动过程

2.11仿生机构设计案例762)非对称关节左右转动仿真2.11仿生机构设计案例772.11仿生机构设计案例782.12量子运动机构792.13小结

介绍了常用的运动副，典型的轮式、履带式、腿式、地面、水下、空中等运动机构，随动运动机构；给