机械原理第10章 空间连杆机构及机器人机构概述

Fig.10-2 Spatial kinematic pairs 2(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。
例10-3 计算图10-8所示开链机器人机构自由度。
Fig.10-8 Open link robot mechanism (开链机器人机构)
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10.2 机器人机构概述
1.串联机器人机构
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109b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 。
Fig.10-9 Tandem robot mechanism(串联机器人机构) 1—Wrist joint(腕关节) 2—Elbow joint(肘关节) 3—Shoulder joint (肩关节) 4—Waist joint(腰关节) 5—Base(底座)
Fig.10-3 Spatial kinematic pairs 3(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。
10.1 空间连杆机构概述
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。
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。
2.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。
Fig.10-10 Parallel robot mec hanisms(并联机器人机构)
Fig.10-1 Spatial kinematic pairs 1(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102c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。
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.10-5 Aircraft undercarriage(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.10-6 Classification of spatial mechanisms(空间机构分类)
4.空间连杆机构自由度的计算
例10-1 计算图10-7a所示R3C机构的自由度。 例10-2 计算图10-7b所示RSSR机构的自由度
Fig.10-7 D.O.F of spatial mechanisms(空间机构的自由度)
Fig.10-4 Spacial kinematic pairs 4(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