《机械原理（英汉双语）（第2版）》课件-第10章空间连杆机构及机器人机构概述

第10章空间连杆机构及机器人机构概述1.空间连杆机构中的运动副(1)Ⅰ类副图10-1a所示的球放在平面上，形成点接触的高副，仅提供沿二者公法线n—n方向的一个约束。

(2)Ⅱ类副具有2个约束、4个自由度。图10-1b所示的圆柱平面副中，提供沿z轴移动和绕x轴转动的2个约束，用CE表示圆柱平面副。图10-1c所示的球槽副中，提供沿z轴移动和沿x轴移动2个约束，用SG表示球槽副，它们是典型的Ⅱ类副。Ⅱ类副也很少应用。

10.1空间连杆机构概述Fig.10-1Spatialkinematicpairs1(空间运动副1)(3)Ⅲ类副具有3个约束和3个自由度的运动副，图10-2a中的球置于球面槽中，形成典型的球面副，用S表示球面副。图10-2a中的球置于球面槽中，形成典型的球面副，用S表示球面副。球面副限制了沿x、y、z轴的移动，保留绕3个轴转动的自由度。球面副在空间机构中应用广泛。图10-2b为球面副的代表符号。图10-2c为两平面接触形成的平面副，用E表示，提供了沿z轴移动、绕x、y轴转动的3个约束，应用很少。

Fig.10-2Spatialkinematicpairs2(空间运动副2)(4)Ⅳ类副具有4个约束和2个自由度的运动副。图10-3a所示的球销副中，由于球销的约束，仅保留2个转动自由度。运动副符号如图10-3b所示，名称用S′表示。图10-3c中的圆柱副中,仅保留沿轴线的移动和绕轴线的转动自由度,运动副符号如图10-3d所示，名称用C表示。Ⅳ类运动副在空间机构中应用较广泛。

Fig.10-3Spatialkinematicpairs3(空间运动副3)(5)Ⅴ类副具有5个约束、1个自由度的运动副。图10-4a所示的转动副中，仅有一个绕轴线的转动自由度，运动副代表符号如图10-4b所示，名称用R表示。图10-4c所示移动副中，仅有1个沿导路方向的移动自由度，运动副代表符号如图10-4d所示，名称用P表示。图10-4e所示的螺旋副中，沿轴线的移动和绕轴线的转动线性相关，所以只有1个移动自由度，代表符号如图10-4f所示，名称用H表示。Fig.10-4Spacialkinematicpairs4(空间运动副4)2.空间连杆机构的自由度三维空间中的每个自由构件有6个自由度，n个构件则有6n个自由度。这些构件用运动副连接组成机构后，构件的运动就会受到运动副的约束。n个构件的自由度总数6n减去各运动副的约束总数，就是机构的自由度数。设机构中的Ⅰ类副数目为p1,则其提供的约束为1p1；Ⅱ类副数目为p2个，则其提供的约束为2p2个；Ⅲ类副的数目为p3，则其提供的约束为3p3；Ⅳ类副的数目为p4，则其提供的约束为4p4；Ⅴ类副的数目为p5，则其提供的约束为5p5。则机构自由度为3.空间连杆机构分类(1)空间连杆机构表示方法平面连杆机构名称是按其运动特性确定的。如曲柄摇杆机构、曲柄滑块机构、双曲柄机构等。空间机构的名称则用运动副名称表示。第一个字母一般是原动件与机架连接的运动副的名称，然后按顺序依次排列。图10-5所示飞机起落架机构可称为SPSR空间连杆机构。

Fig.10-5Aircraftundercarriage(飞机起落架)(2)空间连杆机构分类按组成空间连杆机构的运动链是否封闭，空间连杆机构分为闭链空间连杆机构和开链空间连杆机构。图10-6a所示RSSR机构中。构件1、2、3、4通过转动副和球面副连接，形成一个封闭运动链，构件4为机架。图10-6b所示机构中。构件1、2、3、4、5通过转动副连接，形成一个不封闭的运动链，构件1为机架，则组成4R型空间开链机构。该机构是典型的机器人机构。Fig.10-6Classificationofspatialmechanisms(空间机构分类)例10-1计算图10-7a所示R3C机构的自由度。Fig.10-7D.O.Fofspatialmechanisms(空间机构的自由度)4.空间连杆机构自由度的计算例10-2计算图10-7b所示RSSR机构的自由度例10-3计算图10-8所示开链机器人机构自由度。Fig.10-8Openlinkrobotmechanism

(开链机器人机构)1.串联机器人机构Fig.10-9Tandemrobotmechanism(串联机器人机构)

1—Wristjoint(腕关节)2—Elbowjoint(肘关节)3—Shoulderjoint(肩关节)

4—Waistjoint(腰关节)5—Base(底座)10.2机器人机构概述串联机器人大都是开链机构，图10-9a所示机器人是3个转动副、3个构件组成的串联机器人，也简称3R串联机器人。串联机器人机构可以是平面开链机构，也可以是空间开链机构。串联机器人一般由底座、腰部、大臂、小臂和腕部组成，分别对应腰关节、肩关节、肘关节和腕关节。图10-9b为其机构简图。从串联机器人的结构特点可以看出，其刚度较小，累积运动误差较大，但运动空间很大。2.并联机器人机构Fig.10-10Parallelrobotmechanisms(并联机器人机构)并联机器人分为平面并联机器人和空间并联机器人。图10-10a所示为3自由度平面并联机器人，3个连架杆为驱动件，共同驱动平台1运动。该机器人简称为平面3RRR并联机器人，在微动机构中有广泛应用。图10-10b为3自由度空间并联机器人。3.机器人应用

机器人是典型的机电一体化产品，应用非常广泛。按用途可分工业机器人、医用机器人、服务机器人、军用机器人和玩具机器人等。工业机器人广泛应用在自动化生产领域；医用机器人也应用在人体的手术中；服务机器人正在走向家庭；军用机器人在作战、排雷和后勤保证中也得到广泛应用；玩具机器人已经普及。未来的机器人将会促进人类社会的快速发展。Chapter10SpatialMechanismsandRoboticMechanisms1.SpatialKinematicalPairs(1)ClassⅠkinematicpairsAsphereisplacedonanevenplaneshowninFig10-1a.

(2)ClassⅡkinematicpairsEachclassⅡkinematicpairofferstwoconstraintsandhasfourdegreesoffreedom.Fig.10-1bshowsacylinderplanepairwhichconstrainsthetranslationalmotionalongthezaxisandtherotationalmotionaboutthexaxis.

10.1IntroductionofSpatialMechanismsFig.10-1Spatialkinematicpairs1(空间运动副1)(3)ClassⅢkinematicpairsEachclassⅢkinematicpairoffersthreeconstraintsandthreedegreesoffreedom.Fig.10-2ashowsasphericalpairwhichconstrainstranslationalmotionsalongthex,yandzaxeswhileoffersthreerotationalmotionsabouttheseaxes,denotedasS.Fig.10-2bshowsthesketchdiagramofthesphericalpair.Thispairiswidelyusedinspatialmechanisms.

Fig.10-2Spatialkinematicpairs2(空间运动副2)(4)ClassⅣkinematicpairsEveryclassⅣkinematicpairoffersfourconstraintsandtwodegreesoffreedom.Fig.10-3ashowsaspherepinpairwhichhasonlytworotationaldegreesoffreedombecauseoftheconstraintofthepin.ThespherepinpairisdenotedasS′.Fig.10-3bisitssketchdiagram.Fig10-cshowsacylinderpairwhichpermitsthetranslationalmotionalongitsaxesandtherotationalmotionaboutthesameaxis.Fig10-dshowsitssketchdiagramanddenotedasC.

Fig.10-3Spatialkinematicpairs3(空间运动副3)(5)ClassⅤkinematicpairsAclassⅤkinematicpairoffersfiveconstraintsandonedegreeoffreedom.Fig10-4ashowsarevolutepairwhichhasonlyonerotationaldegreeoffreedom.Fig10-4bisitssketch,denotedasR.Fig10-4cshowsaprismaticpairwhichhasonlyonedegreeoffreedomthatpermitsittoexecutetranslationalmotionalongtheaxes,denotedasP.Fig.10-4dshowsitssketch.Fig10-4eshowsahelicalpairwhichpermitsthetranslationalmotionalongitsaxisandtherotationalmotionaboutthesameaxis.Fig.10-4Spacialkinematicpairs4(空间运动副4)2.DegreesofFreedomofSpatialMechanismsWeassumethatthereareclassⅠkinematicpairsofp1,sotheycanofferconstraintsof1p1.Similarly,classⅡkinematicpairsofp2canofferconstraintsof2p2,classⅢkinematicpairsofp3canofferconstraintsof3p3,classⅣkinematicpairsofp4canofferconstraintsof4p4,andclassⅤkinematicpairsofp5canofferconstraintsof5p5.Therefore,thedegreeoffreedomofspatialmechanismscanbewrittenasfollows:Fig.10-5Aircraftundercarriage(飞机起落架)3.ClassificationofSpatialMechanism(1)ExpressionofspatialmechanismTheplanarmechanismsarenamedbytheirkinematicalcharacters,suchascrankrockermechanism,slidercrankmechanism,doublecrankmechanismandsoon.Generally,wenamethespatialmechanismsbythenamesoftheirkinematicpairs.Thefirstalphabetisthesymbolofthekinematicpairwhichconnectsthedrivinglinkandframe,thenwecanarrangethesymbolsofotherkinematicpairsorderly.Fig.10-5showsanaircraftundercarriagewhichcanbenamedasthespatialmechanismofSPSR.

(2)ClassificationofspatialmechanismsThespatialmechanismsareclassifiedasclosedchainmechanismsandopenchainmechanisms,accordingtothekinematicalchainisclosedoropen.Theopenchainmechanismsarewidelyappliedtotherobotfield.Fig.10-6ashowsaRSSRmechanism,inwhichlinks1,2,3andthefixedlink4areconnectedbyrevolutepairsandsphericalpairs.Itisaclosedspatialmechanism.Fig.10-6bshowsa4Ropenchainmechanisminwhichthefixedlink1andlinks2,3,4,5areconnectedbyfourrevolutepairs,anditisanunclosedspatialmechanism.Fig.10-6Classificationofspatialmechanisms(空间机构分类)Example10-1Fig.10-7ashowsaR3Cmechanism.Calculatethedegreesoffreedomofthemechanism.Fig.10-7D.O.Fofspatialmechanisms(空间机构的自由度)4.DegreesofFreedomofSpatialMechanismsExample10-2Fig.10-7bshowsaRSSRmechanism.Calculatethedegreesoffreedomofthismechanism.Example10-3Fig.10-8showsaopenlinkrobotmechanism.Calculatethedegreesoffreedomofthismechanism.Fig.10-8Openlinkrobotmechanism

(开链机器人机构)1.TandemRobotMechanismsFig.10-9Tandemrobotmechanism(串联机器人机构)

1—Wristjoint(腕关节)2—Elbowjoint(肘关节)3—Shoulderjoint(肩关节)

4—Waistjoint(腰关节)5—Base(底座)10.2IntroductionofRoboticMechanisms

Fig.10-9ashowsa3Rrobot,whichconsistsofthreerevolutepairsandthreelinks.Atandemrobotusuallyhasfiveparts;theyarebase,waist,shoulder,elbowandwrist.Accordingly,therearefourkinematicpairswhichcontainwaist,shoulder,elbowandwristjoint.Fig.10-9bisthesketchdiagram.2.ParallelRobotMechanismsFig.10-10Parallelrobotmechanisms(并联机器人机构)Fig.10-10as