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1、第10章 开式链机构及工业机器人,101 开式链机构及工业机器人102 工业机器人操作机分类及其自由度103 工业机器人操作机机构的设计 104 开式链机构的运动分析方法 105 开式链机构的应用举例,101 开式链机构及工业机器人,一、开式链机构及其特点,开式链机构开式运动链所组成的机构。,作者：潘存云教授,特点：1）采用转动副，或移动副依次串联构成；2）单个运动副称为关节，每个关节至少含一个 自由度，一般含关节数目为：36个；3）驱动源个数与自由度相等；4）开式链末端装有作业工具，运动路径为一空间 曲线，其运动空间区域称为工作空间；5）运动分析方法较复杂；6）采用计算机控制系统，可实现复杂
2、的空间作业 运动。,应用：开式链机构被广泛用于机器人的执行机构。,二、机器人及其分类、应用和发展,机器人通过编程来实现对作业运动进行自动控制的机电一体化智能机械装置。,工业机器人特种机器人,所谓工业机器人就是面向工业领域的多自由度机器人,1）机器人的类型,2）机器人的应用和发展,工业机器人面向工业领域的多自由度机器人。是应用最广，技术最为成熟的机器人，已经成功应用于工业生产的各个领域：,（1）机器人的应用,2）机器人的应用和发展,工业机器人面向工业领域的多自由度机器人。是应用最广，技术最为成熟的机器人，已经成功应用于工业生产的各个领域：,（1）机器人的应用,潘存云教授研制,2）机器人的应用和发
3、展,工业机器人面向工业领域的多自由度机器人。是应用最广，技术最为成熟的机器人，已经成功应用于工业生产的各个领域：,（1）机器人的应用,潘存云教授研制,2）机器人的应用和发展,工业机器人面向工业领域的多自由度机器人。是应用最广，技术最为成熟的机器人，已经成功应用于工业生产的各个领域：,（1）机器人的应用,潘存云教授研制,2）机器人的应用和发展,工业机器人面向工业领域的多自由度机器人。是应用最广，技术最为成熟的机器人，已经成功应用于工业生产的各个领域：,（1）机器人的应用,潘存云教授研制,2）机器人的应用和发展,工业机器人面向工业领域的多自由度机器人。是应用最广，技术最为成熟的机器人，已经成功应用
4、于工业生产的各个领域：,（1）机器人的应用,潘存云教授研制,2）机器人的应用和发展,（1）机器人的应用,特种机器人面向特殊领域专用的机器人。是发展最迅速、应用前景最为广阔的智能装备。,家政服务机器人,2）机器人的应用和发展,（1）机器人的应用,特种机器人面向特殊领域专用的机器人。是发展最迅速、应用前景最为广阔的智能装备。,排险机器人,2）机器人的应用和发展,（1）机器人的应用,特种机器人面向特殊领域专用的机器人。是发展最迅速、应用前景最为广阔的智能装备。,神奇的“大狗”,2）机器人的应用和发展,（1）机器人的应用,特种机器人面向特殊领域专用的机器人。是发展最迅速、应用前景最为广阔的智能装备。,
5、拉面馆大厨,2）机器人的应用和发展,（1）机器人的应用,特种机器人面向特殊领域专用的机器人。是发展最迅速、应用前景最为广阔的智能装备。,医疗手术机器人,（2）机器人的发展趋势,机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机。国外已有模块化装配机器人产品问市。,工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。,机器人中传感器作用日益重要,虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控
6、制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。,遥控+自治结合，自然人与机器人组成一个大闭环。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人(火星车)就是这种系统成功应用的最著名实例。,执行机构驱动传动控制系统 感知决策,102 工业机器人操作机分类及其自由度,一、工业机器人及操作机的组成,潘存云教授研制,执行机构驱动传动控制系统 感知决策,102 工业机器人操作机分类及其自由度,一、工业机器人及操作机的组成,执行机构驱动传动控制系统 感知决策,102 工业机器人操作机分类及其自由度,一、工业机器人及操作机的组成,执行机构驱动传动控制系统 感知决策,102 工业机器人操作机分类及其自
7、由度,一、工业机器人及操作机的组成,机座腰部臂部腕部手部,二、工业机器人操作机及其组成,操作机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。,结构特点：连杆1+关节1+连杆n+关节n 开链机构,关节类型：转动副（R）、移动副（P）,机座腰部臂部腕部手部,二、工业机器人操作机及其组成,操作机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。,结构特点：连杆1+关节1+连杆n+关节n 开链机构,关节类型：转动副（R）、移动副（P）,机座腰部臂部腕部手部,二、工业机器人操作机及其组成,操作机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。,结构特点：连杆1+关节1+连杆
8、n+关节n 开链机构,关节类型：转动副（R）、移动副（P）,机座腰部臂部腕部手部,二、工业机器人操作机及其组成,操作机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。,结构特点：连杆1+关节1+连杆n+关节n 开链机构,关节类型：转动副（R）、移动副（P）,二、工业机器人操作机及其组成,操作机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。,结构特点：连杆1+关节1+连杆n+关节n 开链机构,关节类型：转动副（R）、移动副（P）,机座腰部臂部腕部手部,潘存云教授研制,机座,腰部,大臂,小臂,手腕,手部,工业机器人操作机,三、工业机器人操作机的结构分类,直角坐标型 圆柱坐标型
9、球坐标型关节型,优点：是定位精度高，空间轨迹易求解，计算机控制简单。缺点：操作机本身所占空间尺寸大，相对工作范围小，操作灵活性较差，运动速度较低。,三、工业机器人操作机的结构分类,直角坐标型 圆柱坐标型球坐标型关节型,优点：是所占的空间尺寸较小，相对工作范围较大，结构简单，手部可获得较高的速度。这是应用最广泛的一种类型。缺点：是手部外伸离中心轴愈远，其切向线位移分辨精度愈低,三、工业机器人操作机的结构分类,直角坐标型 圆柱坐标型球坐标型关节型,优点：是结构紧凑，所占空间尺寸小。,三、工业机器人操作机的结构分类,直角坐标型 圆柱坐标型球坐标型关节型,优点：结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间大
10、，还能绕过机座周围的一些障碍物，应用较多。缺点：是运动直观性更差，驱动控制比较复杂,F：操作机的自由度；n：操作机活动构件的数目；i：i级运动副的约束数；pi：操作机i级运动副的数目；fi：操作机第i个运动部件自由度。,四、操作机的自由度,。,一般通用工业机器人：F=5，已能满足多种作业要求。自由度是反映操作机的通用性和适应性的一项重要指标。目前一般取,=6,1.臂部自由度组合及运动图形,（1）直线运动,（2）回转运动,（3）直线运动与回转运动,2.腕部的自由度,手部动作不计入机器人的自由度数目中。,3.冗余自由度,定义：多于6的自由度称为冗余自由度。,目的：提高机器人运动的灵活性，以便绕过障
11、碍满足更复杂的作业要求。,特性：具有冗余自由度的机器人从一个位置移动到另外一处位置时，操作机的位形具有多种形态。,手部动作主要是开闭，用来夹持工件或工具。由于其运动并不改变工件或工具在空间的位置和姿态，故其运动自由度一般不计入操作器的自由度数目中,F=7,103 工业机器人操作机机构的设计,二、操作机手臂机构的设计,一、操作机自由度的选择,完成空间特定位姿作业的操作机F6,由作业所需运动数目确定操作机的自由度。,自由度一般取23个 运动形式回转、俯仰、升降或伸缩三种。,三、操作机手腕机构的设计,四、末端执行器的设计,自由度一般取23个 运动形式回转、偏转或摆转和俯仰三种。,根据不同作业任务要求
12、进行专门设计。,104 开式链机构的运动分析方法,一、开式链机构运动分析研究的主要问题,1）正向运动学问题（输入输出）,2）反向运动学问题,二、平面两连杆关节型操作机正向运动学分析,1）位置分析,写成矩阵形式,末端执行器的姿态角,2）速度分析,对位置方程求导得：,矩阵 J 称为操作机的雅可比矩阵。,三、平面两连杆关节型操作器反向运动学分析,已知末端参数（xB,yB）（1,2）,将位置方程两边平方相加,由此可得：,求解1,由余弦定律：,（2）速度分析,两边同乘以雅可比矩阵的逆矩阵 J-1可得：,速度方程：,由矩阵可逆充要条件：是其行列式的值不为零,当2=0或2=180时,J-1不存在称为奇异位置
13、,奇异位置处，B点只能沿垂直于AO杆运动。,特别注意书中该公式有错误！,在奇异位置附近，为使臂末端具有给定的速度，需要有限的但却非常高的关节速度。,应避免机器人工作在在奇异位置附近。,四、平面两连杆关节型操作机工作空间分析,工作空间操作手端部所能达到的所有空间位置点集合。,最大距离：l1+l2 最小距离：l1-l2,105 开式链机构的应用举例,自然界生物关节几乎清一色地采用了开式链机构因此，开式链机构也就成为人类设计各类仿生机械机械的首选。,舞蹈表演机器人,表演机器人,105 开式链机构的应用举例,神奇的大鸟Smartbird,105 开式链机构的应用举例,105 开式链机构的应用举例,蛇形侦查机器人（美国）,105 开式链机构的应用举例,聪明的“小狗”,105 开式链机构的应用举例,聪明的“小狗”,105 开式链机构的应用举例,仿生机器鱼,105 开式链机构的应用举例,邹人倜西安超人雕塑研究院博士,本章重点1、开式链机构及其特点2、工业机器人操作机的类型3、开式链机构的运动分析方法,
