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精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所 第9章 开式链机构9.1 开式链机构的特点及运用开式链机构的特点及运用9.2 开式链机构的构造分析开式链机构的构造分析9.3 开式链机构的运动学开式链机构的运动学精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所9.1 开式链机构特点及运用开式链机构特点及运用 开式运动链中末端构件的运动与闭式运动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，更为恣意和复链中任何构件的运动相比，更为恣意和复杂多样。杂多样。9.1.1 开式链机构的特点开式链机构的特点开式运动链要成为有确定运动的开式运动链要成为有确定运动的机构，常要更多的原动机。机构，常要更多的原动机。精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所9.1.1 开式链机构的特点开式链机构的特点机器人与传统自动机的区别机器人与传统自动机的区别:机器人：机器人：机器人的操作称为柔性自动化。机器人的操作称为柔性自动化。机器人是一种灵敏的、万能的、具有多目的用途的自动化系统。机器人是一种灵敏的、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,其中包括在其中包括在变化之中及没有事先阐明的情况下的作业。变化之中及没有事先阐明的情况下的作业。传统自动机：传统自动机：传统自动机的操作称为固定自动化。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反由连杆机构、凸轮机构等所组成的传统自动机用于完成单一的反复的作业。复的作业。精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所9.1.2 开式链机构的运用开式链机构的运用 利用开式运动链的特点，结合伺服控制和计算机利用开式运动链的特点，结合伺服控制和计算机的运用，开式链机构在各种机器人和机械手中得到了的运用，开式链机构在各种机器人和机械手中得到了广泛的运用。广泛的运用。铆接机器人铆接机器人 本田公司机器人本田公司机器人多操作器协调任务多操作器协调任务 精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所9.2 开式链机构的构造分析开式链机构的构造分析9.2.1 操作器的组成操作器的组成 操作器是机器人的执行系操作器是机器人的执行系统，是机器人握持工具或工件统，是机器人握持工具或工件，完成各种运动和操作义务的，完成各种运动和操作义务的机械部分。机械部分。本节以机器人操作器为例，本节以机器人操作器为例，引见开式链机构的组成和构造引见开式链机构的组成和构造组成：机身、臂部、腕部和手组成：机身、臂部、腕部和手部末端执行器等。部末端执行器等。精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所 操作器的白由度：等于操作器操作器的白由度：等于操作器中各运动部件自在度的总和，中各运动部件自在度的总和，F=f i。在确定操作器一切构件的位置时在确定操作器一切构件的位置时所必需给定的独立运动参数的数所必需给定的独立运动参数的数目。目。9.2.2操作器的自在度操作器的自在度操作器的主运动链通常是一个装在固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。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操作器中的运动副仅包含单白由度的运动副动副转动关节和挪动关节。转动关节和挪动关节。操作器臂部的运动称为操作器的主运动，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根本关节。臂部各关节称为操作器的根本关节。精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所9.2.2操作器的自在度操作器的自在度1.臂部自在度组合臂部自在度组合直线运动直线运动回转运动回转运动精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所9.2.2操作器的自在度操作器的自在度1.臂部自在度组合臂部自在度组合直线及回转运动直线及回转运动1直线及回转运动直线及回转运动2精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所9.2.2 操作器的自在度操作器的自在度结论：结论：为了使操作器手部可以到达空间任一指定位置，通用为了使操作器手部可以到达空间任一指定位置，通用的空间机器人操作器臂部应至少具有的空间机器人操作器臂部应至少具有3个自在度。个自在度。为了使操作器手部可以到达平面任一指定位置，通用的为了使操作器手部可以到达平面任一指定位置，通用的平面机器人操作器得臂部应至少具有平面机器人操作器得臂部应至少具有2个自在度。个自在度。精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所9.2.3 操作器的自在度操作器的自在度腕部自在度：用来调整手部在空间的形状腕部自在度：用来调整手部在空间的形状为了使手爪在平面中能获得恣意要求的姿态，在通用的为了使手爪在平面中能获得恣意要求的姿态，在通用的平面机器人操作器中，其腕部应至少有个转动关节。平面机器人操作器中，其腕部应至少有个转动关节。手部运动的自在度普通不计入操作器的自在度数目中。手部运动的自在度普通不计入操作器的自在度数目中。为了使手爪在空间能获得恣意要求的为了使手爪在空间能获得恣意要求的姿态，在通用的空间机器人操作器中姿态，在通用的空间机器人操作器中其腕部应至少有其腕部应至少有3个自在度。普通情个自在度。普通情况下，这况下，这3个关节为轴线相互垂直的个关节为轴线相互垂直的转动关节。转动关节。精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所9.2.2 操作器的自在度操作器的自在度结论：结论：通用的空间机器人操作器的自在度大于等于通用的空间机器人操作器的自在度大于等于6位置位置3个、姿态个、姿态3个，其中转动关节大于等于个，其中转动关节大于等于3。仅用挪动关节不能够建立通用的空间或平面机器人。仅用挪动关节不能够建立通用的空间或平面机器人。通用的平面机器人操作器的自在度大于等于通用的平面机器人操作器的自在度大于等于3位置位置2个、姿态个、姿态1个，其中转动关节大于等于个，其中转动关节大于等于1。精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所9.2.2操作器的自在度操作器的自在度冗余自在度：冗余自在度：操作器自在度数大于操作器自在度数大于6时，手爪可绕过妨时，手爪可绕过妨碍到达一定的位置碍到达一定的位置精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所特点：特点：三个根本关节均为挪动关节。三个根本关节均为挪动关节。运动图形：长方体运动图形：长方体占据空间大，相应的任务范围小占据空间大，相应的任务范围小优点：优点：构造简单，运动直观性强，便构造简单，运动直观性强，便于实现高精度。于实现高精度。9.2.3 操作器的构造分类操作器的构造分类1.直角坐标型又称直移型直角坐标型又称直移型精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所三个根本关节：挪动关节三个根本关节：挪动关节2个，转个，转动关节个动关节个运动图形：空心圆柱运动图形：空心圆柱优点：运动直观性强，占据空间较优点：运动直观性强，占据空间较小，构造紧凑，任务范圈大。小，构造紧凑，任务范圈大。缺陷：受升降机构的限制，普通不缺陷：受升降机构的限制，普通不能提升地面或较低位置的工件。能提升地面或较低位置的工件。9.2.3 操作器的构造分类操作器的构造分类2.圆柱坐标型又称回转型圆柱坐标型又称回转型精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所 三个根本关节：挪动关节三个根本关节：挪动关节个，转动关节个，转动关节2个。个。运动图形：空心球体运动图形：空心球体优点：由于其具有俯仰白由度优点：由于其具有俯仰白由度，能完成从地面提取工件的义，能完成从地面提取工件的义务，任务范围扩展了。务，任务范围扩展了。缺陷：运动直现性差，构造较缺陷：运动直现性差，构造较复杂，臂端的位置误差会随臂复杂，臂端的位置误差会随臂的伸长而放大。的伸长而放大。9.2.3 操作器的构造分类操作器的构造分类3.球坐标型又称俯仰型球坐标型又称俯仰型精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所三个根本关节为转动关节三个根本关节为转动关节运动图形：球体运动图形：球体优点：占据空间小，任务范围大，优点：占据空间小，任务范围大，可绕过妨碍物提取和运送工件。可绕过妨碍物提取和运送工件。缺陷：运动直观性差，驱动控制比缺陷：运动直观性差，驱动控制比较复杂。较复杂。9.2.3 操作器的构造分类操作器的构造分类4.关节型又称屈伸型关节型又称屈伸型精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所9.3 开式链机构的运动学开式链机构的运动学9.3.1 研讨的主要问题研讨的主要问题正向运动学问题正向运动学问题反向运动学问题反向运动学问题任务空间任务空间精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所 给定操作器的一组给定操作器的一组关节参数，确定其末端关节参数，确定其末端执行器的位置和姿态。执行器的位置和姿态。9.3.1 研讨的主要问题研讨的主要问题1正向运动学问题正向运动学问题可获得一组独一确定的解。可获得一组独一确定的解。精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所给出末端执行器的位置和姿态，给出末端执行器的位置和姿态，求关节参数。求关节参数。9.3.1 研讨的主要问题研讨的主要问题2反向运动学问题反向运动学问题 对于任务所要求的末端执对于任务所要求的末端执行器的一个给定位置和姿态，确行器的一个给定位置和姿态，确定一组关节参数，使末端执行器定一组关节参数，使末端执行器到达给定的位置和姿态。到达给定的位置和姿态。解的存在性解的存在性?多重解？多重解？精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所 在机器人运动过程中其操在机器人运动过程中其操作器臂端所能到达的全部点所作器臂端所能到达的全部点所构成的空间，其外形和大小反构成的空间，其外形和大小反映了一个机器人的任务才干。映了一个机器人的任务才干。9.3.1 研讨的主要问题研讨的主要问题3任务空间任务空间可到达的任务空间：机器人末可到达的任务空间：机器人末端执行器至少可在一个方位上端执行器至少可在一个方位上能到达的空间范围。能到达的空间范围。灵敏的任务空间：机器人末端执行器在一切方位均能到灵敏的任务空间：机器人末端执行器在一切方位均能到达的空间范围。达的空间范围。精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所知关节参数，求解位置和姿态坐标。知关节参数，求解位置和姿态坐标。9.3.2 平面两连杆关节型操作器平面两连杆关节型操作器1正向运动学问题正向运动学问题1位移分析位移分析)()(2121121211BBsinlsinlcoslcoslyx姿态角：姿态角：21 精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所9.3.2 平面两连杆关节型操作器平面两连杆关节型操作器1正向运动学问题正向运动学问题2速度分析速度分析 21212122121211121221212111BJ)cos(l)cos(lcosl)sin(l)sin(lsinlyxB 2121yyxxJ雅可比矩阵：雅可比矩阵：精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所9.3.2 平面两连杆关节型操作器平面两连杆关节型操作器2反向运动学问题反向运动学问题知各位置和速度参数，求关节参知各位置和速度参数，求关节参数。数。1位移分析位移分析2122212B2B2l2lllyxcos 1,1 2cos222cos1sin 222cossinarctan 精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所9.3.2 平面两连杆关节型操作器平面两连杆关节型操作器2反向运动学问题反向运动学问题1位移分析位移分析 ”取“取“”取“取“00221 BBxyarctan 18002B2B122212B2Byx2lllyxarccos 精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所9.3.2 平面两连杆关节型操作器平面两连杆关节型操作器2反向运动学问题反向运动学问题2速度分析速度分析 BB121yxJ )sin(lsinl)cos(lcosl)sin(l)cos(lJ1J21211212112122121221sinllJ 当当 或或 时，时，不存在不存在，此位置称为操作器的奇特位置。，此位置称为操作器的奇特位置。021800J1J精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所9.3.2 平面两连杆关节型操作器平面两连杆关节型操作器3任务空间：任务空间：可到达的任务空间可到达的任务空间 灵敏的任务空间灵敏的任务空间)l(lyxll212B2B21 精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所9.3.3 平面三连杆关节型操作器平面三连杆关节型操作器1正向运动学问题正向运动学问题1位移分析位移分析321321321211321321211)sin()sin(sin)cos()cos(cosllllllyxcc给定给定确定确定31321,lll2,y ,ccx精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所9.3.3 平面三连杆关节型操作器平面三连杆关节型操作器1正向运动学问题正向运动学问题2速度分析速度分析321Jyxcc321321321yyyxxxJ精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所9.3.3 平面三连杆关节型操作器平面三连杆关节型操作器2反向运动学问题反向运动学问题1位移分析位移分析给定给定确定确定31,2,y ,ccx思绪：将三连杆问题转思绪：将三连杆问题转化为两连杆问题求解！化为两连杆问题求解！cos3lxxCBsin3lyyCB计算出计算出 和和 1 2 213 精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所9.3.3 平面三连杆关节型操作器平面三连杆关节型操作器2反向运动学问题反向运动学问题普通情况下，选择使每个关节运动量最小的解。普通情况下，选择使每个关节运动量最小的解。有妨碍时，应防止与之碰撞。有妨碍时，应防止与之碰撞。在存在多重解时，必需求出一切能够的解，然在存在多重解时，必需求出一切能够的解，然后根据详细情况加以选择。后根据详细情况加以选择。解的选择原那么：解的选择原那么：精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所9.3.3 平面三连杆关节型操作器平面三连杆关节型操作器3任务空间任务空间 对于关节型操作器而言，假设各连杆长度相等，而腕部对于关节型操作器而言，假设各连杆长度相等，而腕部连杆的长度设计的尽能够短的话，其任务空间的外形和尺寸那连杆的长度设计的尽能够短的话，其任务空间的外形和尺寸那么可以大大改善么可以大大改善精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所了解开式链机构的主要特点和功能；了解开式链机构的主要特点和功能；掌握开式链机构的组成、特点、运用场所；掌握开式链机构的组成、特点、运用场所；掌握平面关节型操作器正向和反向运动学分析的掌握平面关节型操作器正向和反向运动学分析的根本思绪和方法。根本思绪和方法。本章根本要求：本章根本要求：
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