清华大学.机械原理9.ppt
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第9章开式链机构,9.1开式链机构的特点及应用9.2开式链机构的结构分析9.3开式链机构的运动学,9.1开式链机构特点及应用,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,更为任意和复杂多样。
9.1.1开式链机构的特点,开式运动链要成为有确定运动的机构,常要更多的原动机。
9.1.1开式链机构的特点,机器人与传统自动机的区别:
机器人:
机器人的操作称为柔性自动化。
机器人是一种灵活的、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,其中包括在变化之中及没有事先说明的情况下的作业。
传统自动机:
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重复的作业。
9.1.2开式链机构的应用,利用开式运动链的特点,结合伺服控制和计算机的使用,开式链机构在各种机器人和机械手中得到了广泛的应用。
铆接机器人,本田公司机器人,多操作器协调工作,9.2开式链机构的结构分析,9.2.1操作器的组成操作器是机器人的执行系统,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。
本节以机器人操作器为例,介绍开式链机构的组成和结构,组成:
机身、臂部、腕部和手部(末端执行器)等。
操作器的白由度:
等于操作器中各运动部件自由度的总和,F=fi。
在确定操作器所有构件的位置时所必须给定的独立运动参数的数目。
9.2.2操作器的自由度,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。
操作器中的运动副仅包含单白由度的运动副转动关节和移动关节。
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基本关节。
9.2.2操作器的自由度,1.臂部自由度组合,直线运动,回转运动,9.2.2操作器的自由度,1.臂部自由度组合,直线及回转运动
(1),直线及回转运动
(2),9.2.2操作器的自由度,结论:
为了使操作器手部能够达到空间任一指定位置,通用的空间机器人操作器臂部应至少具有3个自由度。
为了使操作器手部能够达到平面任一指定位置,通用的平面机器人操作器得臂部应至少具有2个自由度。
9.2.3操作器的自由度,腕部自由度:
用来调整手部在空间的状态,为了使手爪在平面中能取得任意要求的姿态,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。
手部运动的自由度一般不计入操作器的自由度数目中。
为了使手爪在空间能取得任意要求的姿态,在通用的空间机器人操作器中其腕部应至少有3个自由度。
一般情况下,这3个关节为轴线互相垂直的转动关节。
9.2.2操作器的自由度,结论:
通用的空间机器人操作器的自由度大于等于6(位置3个、姿态3个),其中转动关节大于等于3。
仅用移动关节不可能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由度大于等于3(位置2个、姿态1个),其中转动关节大于等于1。
9.2.2操作器的自由度,冗余自由度:
操作器自由度数大于6时,手爪可绕过障碍到达一定的位置,特点:
三个基本关节均为移动关节。
运动图形:
长方体占据空间大,相应的工作范围小优点:
结构简单,运动直观性强,便于实现高精度。
9.2.3操作器的结构分类,1.直角坐标型(又称直移型),三个基本关节:
移动关节2个,转动关节个运动图形:
空心圆柱优点:
运动直观性强,占据空间较小,结构紧凑,工作范圈大。
缺点:
受升降机构的限制,一般不能提升地面或较低位置的工件。
9.2.3操作器的结构分类,2.圆柱坐标型(又称回转型),三个基本关节:
移动关节个,转动关节2个。
运动图形:
空心球体优点:
由于其具有俯仰白由度,能完成从地面提取工件的任务,工作范围扩大了。
缺点:
运动直现性差,结构较复杂,臂端的位置误差会随臂的伸长而放大。
9.2.3操作器的结构分类,3.球坐标型(又称俯仰型),三个基本关节为转动关节运动图形:
球体优点:
占据空间小,工作范围大,可绕过障碍物提取和运送工件。
缺点:
运动直观性差,驱动控制比较复杂。
9.2.3操作器的结构分类,4.关节型(又称屈伸型),9.3开式链机构的运动学,9.3.1研究的主要问题,正向运动学问题反向运动学问题工作空间,给定操作器的一组关节参数,确定其末端执行器的位置和姿态。
9.3.1研究的主要问题,1)正向运动学问题,可获得一组唯一确定的解。
给出末端执行器的位置和姿态,求关节参数。
9.3.1研究的主要问题,2)反向运动学问题,对于工作所要求的末端执行器的一个给定位置和姿态,确定一组关节参数,使末端执行器达到给定的位置和姿态。
解的存在性?
多重解?
在机器人运动过程中其操作器臂端所能达到的全部点所构成的空间,其形状和大小反映了一个机器人的工作能力。
9.3.1研究的主要问题,3)工作空间,可达到的工作空间:
机器人末端执行器至少可在一个方位上能达到的空间范围。
灵活的工作空间:
机器人末端执行器在所有方位均能达到的空间范围。
已知关节参数,求解位置和姿态坐标。
9.3.2平面两连杆关节型操作器,1)正向运动学问题,
(1)位移分析,姿态角:
9.3.2平面两连杆关节型操作器,1)正向运动学问题,
(2)速度分析,雅可比矩阵:
9.3.2平面两连杆关节型操作器,2)反向运动学问题,已知各位置和速度参数,求关节参数。
(1)位移分析,9.3.2平面两连杆关节型操作器,2)反向运动学问题,
(1)位移分析,9.3.2平面两连杆关节型操作器,2)反向运动学问题,
(2)速度分析,当或时,不存在,此位置称为操作器的奇异位置。
9.3.2平面两连杆关节型操作器,3)工作空间:
可达到的工作空间,灵活的工作空间,9.3.3平面三连杆关节型操作器,1)正向运动学问题,
(1)位移分析,给定确定,9.3.3平面三连杆关节型操作器,1)正向运动学问题,
(2)速度分析,9.3.3平面三连杆关节型操作器,2)反向运动学问题,
(1)位移分析,给定确定,思路:
将三连杆问题转化为两连杆问题求解!
计算出和,9.3.3平面三连杆关节型操作器,2)反向运动学问题,一般情况下,选择使每个关节运动量最小的解。
有障碍时,应避免与之碰撞。
在存在多重解时,必须求出所有可能的解,然后根据具体情况加以选择。
解的选择原则:
9.3.3平面三连杆关节型操作器,3)工作空间,对于关节型操作器而言,如果各连杆长度相等,而腕部连杆的长度设计的尽可能短的话,其工作空间的形状和尺寸则可以大大改善,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、应用场合;掌握平面关节型操作器正向和反向运动学分析的基本思路和方法。
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