第10章空間連桿機(jī)構(gòu)及機(jī)器人機(jī)構(gòu)概述1.空間連桿機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)副(1)Ⅰ類副圖10-1a所示的球放在平面上，形成點(diǎn)接觸的高副，僅提供沿二者公法線n—n方向的一個(gè)約束。

(2)Ⅱ類副具有2個(gè)約束、4個(gè)自由度。圖10-1b所示的圓柱平面副中，提供沿z軸移動(dòng)和繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)的2個(gè)約束，用CE表示圓柱平面副。圖10-1c所示的球槽副中，提供沿z軸移動(dòng)和沿x軸移動(dòng)2個(gè)約束，用SG表示球槽副，它們是典型的Ⅱ類副。Ⅱ類副也很少應(yīng)用。

10.1空間連桿機(jī)構(gòu)概述Fig.10-1Spatialkinematicpairs1(空間運(yùn)動(dòng)副1)(3)Ⅲ類副具有3個(gè)約束和3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)副，圖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。圖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軸的移動(dòng)，保留繞3個(gè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度。球面副在空間機(jī)構(gòu)中應(yīng)用廣泛。圖10-2b為球面副的代表符號(hào)。圖10-2c為兩平面接觸形成的平面副，用E表示，提供了沿z軸移動(dòng)、繞x、y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的3個(gè)約束，應(yīng)用很少。

Fig.10-2Spatialkinematicpairs2(空間運(yùn)動(dòng)副2)(4)Ⅳ類副具有4個(gè)約束和2個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)副。圖10-3a所示的球銷副中，由于球銷的約束，僅保留2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。運(yùn)動(dòng)副符號(hào)如圖10-3b所示，名稱用S′表示。圖10-3c中的圓柱副中,僅保留沿軸線的移動(dòng)和繞軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度,運(yùn)動(dòng)副符號(hào)如圖10-3d所示，名稱用C表示。Ⅳ類運(yùn)動(dòng)副在空間機(jī)構(gòu)中應(yīng)用較廣泛。

Fig.10-3Spatialkinematicpairs3(空間運(yùn)動(dòng)副3)(5)Ⅴ類副具有5個(gè)約束、1個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)副。圖10-4a所示的轉(zhuǎn)動(dòng)副中，僅有一個(gè)繞軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，運(yùn)動(dòng)副代表符號(hào)如圖10-4b所示，名稱用R表示。圖10-4c所示移動(dòng)副中，僅有1個(gè)沿導(dǎo)路方向的移動(dòng)自由度，運(yùn)動(dòng)副代表符號(hào)如圖10-4d所示，名稱用P表示。圖10-4e所示的螺旋副中，沿軸線的移動(dòng)和繞軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)線性相關(guān)，所以只有1個(gè)移動(dòng)自由度，代表符號(hào)如圖10-4f所示，名稱用H表示。Fig.10-4Spacialkinematicpairs4(空間運(yùn)動(dòng)副4)2.空間連桿機(jī)構(gòu)的自由度三維空間中的每個(gè)自由構(gòu)件有6個(gè)自由度，n個(gè)構(gòu)件則有6n個(gè)自由度。這些構(gòu)件用運(yùn)動(dòng)副連接組成機(jī)構(gòu)后，構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)就會(huì)受到運(yùn)動(dòng)副的約束。n個(gè)構(gòu)件的自由度總數(shù)6n減去各運(yùn)動(dòng)副的約束總數(shù)，就是機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)。設(shè)機(jī)構(gòu)中的Ⅰ類副數(shù)目為p1,則其提供的約束為1p1；Ⅱ類副數(shù)目為p2個(gè)，則其提供的約束為2p2個(gè)；Ⅲ類副的數(shù)目為p3，則其提供的約束為3p3；Ⅳ類副的數(shù)目為p4，則其提供的約束為4p4；Ⅴ類副的數(shù)目為p5，則其提供的約束為5p5。則機(jī)構(gòu)自由度為3.空間連桿機(jī)構(gòu)分類(1)空間連桿機(jī)構(gòu)表示方法平面連桿機(jī)構(gòu)名稱是按其運(yùn)動(dòng)特性確定的。如曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)等。空間機(jī)構(gòu)的名稱則用運(yùn)動(dòng)副名稱表示。第一個(gè)字母一般是原動(dòng)件與機(jī)架連接的運(yùn)動(dòng)副的名稱，然后按順序依次排列。圖10-5所示飛機(jī)起落架機(jī)構(gòu)可稱為SPSR空間連桿機(jī)構(gòu)。

Fig.10-5Aircraftundercarriage(飛機(jī)起落架)(2)空間連桿機(jī)構(gòu)分類按組成空間連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)鏈?zhǔn)欠穹忾]，空間連桿機(jī)構(gòu)分為閉鏈空間連桿機(jī)構(gòu)和開(kāi)鏈空間連桿機(jī)構(gòu)。圖10-6a所示RSSR機(jī)構(gòu)中。構(gòu)件1、2、3、4通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副和球面副連接，形成一個(gè)封閉運(yùn)動(dòng)鏈，構(gòu)件4為機(jī)架。圖10-6b所示機(jī)構(gòu)中。構(gòu)件1、2、3、4、5通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，形成一個(gè)不封閉的運(yùn)動(dòng)鏈，構(gòu)件1為機(jī)架，則組成4R型空間開(kāi)鏈機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)是典型的機(jī)器人機(jī)構(gòu)。Fig.10-6Classificationofspatialmechanisms(空間機(jī)構(gòu)分類)例10-1計(jì)算圖10-7a所示R3C機(jī)構(gòu)的自由度。Fig.10-7D.O.Fofspatialmechanisms(空間機(jī)構(gòu)的自由度)4.空間連桿機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算例10-2計(jì)算圖10-7b所示RSSR機(jī)構(gòu)的自由度例10-3計(jì)算圖10-8所示開(kāi)鏈機(jī)器人機(jī)構(gòu)自由度。Fig.10-8Openlinkrobotmechanism

(開(kāi)鏈機(jī)器人機(jī)構(gòu))1.串聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)Fig.10-9Tandemrobotmechanism(串聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu))

1—Wristjoint(腕關(guān)節(jié))2—Elbowjoint(肘關(guān)節(jié))3—Shoulderjoint(肩關(guān)節(jié))

4—Waistjoint(腰關(guān)節(jié))5—Base(底座)10.2機(jī)器人機(jī)構(gòu)概述串聯(lián)機(jī)器人大都是開(kāi)鏈機(jī)構(gòu)，圖10-9a所示機(jī)器人是3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副、3個(gè)構(gòu)件組成的串聯(lián)機(jī)器人，也簡(jiǎn)稱3R串聯(lián)機(jī)器人。串聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)可以是平面開(kāi)鏈機(jī)構(gòu)，也可以是空間開(kāi)鏈機(jī)構(gòu)。串聯(lián)機(jī)器人一般由底座、腰部、大臂、小臂和腕部組成，分別對(duì)應(yīng)腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)。圖10-9b為其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。從串聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以看出，其剛度較小，累積運(yùn)動(dòng)誤差較大，但運(yùn)動(dòng)空間很大。2.并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)Fig.10-10Parallelrobotmechanisms(并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu))并聯(lián)機(jī)器人分為平面并聯(lián)機(jī)器人和空間并聯(lián)機(jī)器人。圖10-10a所示為3自由度平面并聯(lián)機(jī)器人，3個(gè)連架桿為驅(qū)動(dòng)件，共同驅(qū)動(dòng)平臺(tái)1運(yùn)動(dòng)。該機(jī)器人簡(jiǎn)稱為平面3RRR并聯(lián)機(jī)器人，在微動(dòng)機(jī)構(gòu)中有廣泛應(yīng)用。圖10-10b為3自由度空間并聯(lián)機(jī)器人。3.機(jī)器人應(yīng)用

機(jī)器人是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，應(yīng)用非常廣泛。按用途可分工業(yè)機(jī)器人、醫(yī)用機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、軍用機(jī)器人和玩具機(jī)器人等。工業(yè)機(jī)器人廣泛應(yīng)用在自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域；醫(yī)用機(jī)器人也應(yīng)用在人體的手術(shù)中；服務(wù)機(jī)器人正在走向家庭；軍用機(jī)器人在作戰(zhàn)、排雷和后勤保證中也得到廣泛應(yīng)用；玩具機(jī)器人已經(jīng)普及。未來(lái)的機(jī)器人將會(huì)促進(jìn)人類社會(huì)的快速發(fā)展。第11章機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)組成的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)

11.1機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述使用簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)時(shí)，利用機(jī)構(gòu)的演化與變異原理，可提高機(jī)械的力學(xué)性能和使用壽命。圖11-1a所示的剪床機(jī)構(gòu)中，擴(kuò)大轉(zhuǎn)動(dòng)副B和移動(dòng)副C，得到圖11-1b所示的剪床機(jī)構(gòu)，可提高曲柄強(qiáng)度并提高剪刀的力學(xué)性能。Fig.11-1Shearingmachine

(剪床機(jī)構(gòu))2.多個(gè)獨(dú)立工作的簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)組成的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)Fig.11-2Motionharmonizationofmechanism

(機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào))圖11-2所示液壓機(jī)構(gòu)系統(tǒng)中，液壓缸1和液壓缸2是兩個(gè)獨(dú)立的簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)。液壓缸1把工件送到位置2，觸動(dòng)液壓缸2的開(kāi)關(guān)后，即刻返回原位。液壓缸2再把工件送到位置3。兩個(gè)液壓缸的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)才能完成即定的工作要求，其運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)依靠行程開(kāi)關(guān)控制液壓換向油路即可實(shí)現(xiàn)。3.簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)連接組成的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)

各種簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)通過(guò)連接桿組、串聯(lián)組合、并聯(lián)組合、疊加組合和封閉組合，可形成的一系列的復(fù)雜機(jī)構(gòu)系統(tǒng)。實(shí)際機(jī)械中，這類機(jī)構(gòu)系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛。圖11-3所示的機(jī)構(gòu)是由帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、蝸桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)和正切機(jī)構(gòu)串聯(lián)組成的，實(shí)現(xiàn)零件的自動(dòng)夾取與送料運(yùn)動(dòng)。Fig.11-3Automaticfeedingmachine

(自動(dòng)送料機(jī))1.機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)Fig.11-4Punchingmechanism

(壓力機(jī)機(jī)構(gòu))11.2機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)圖11-4所示壓力機(jī)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖中，機(jī)構(gòu)ABC為沖壓機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)FGH為送料機(jī)構(gòu)。要求在沖壓結(jié)束后，沖壓頭回升過(guò)程中開(kāi)始送料，到?jīng)_壓頭下降過(guò)程的某一時(shí)刻完成送料并返回原位。沖壓機(jī)構(gòu)與送料機(jī)構(gòu)的動(dòng)作必須協(xié)調(diào)。沖壓機(jī)構(gòu)ABC的設(shè)計(jì)可按沖壓要求設(shè)計(jì)，送料機(jī)構(gòu)FGH不但要滿足送料位移要求，其尺寸與位置必須滿足運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的條件。設(shè)計(jì)時(shí)可通過(guò)連桿DE連接兩個(gè)機(jī)構(gòu)。2.運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖的設(shè)計(jì)

圖11-5所示的壓力機(jī)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖中，AB為工作行程，BC為回程，其中GF為沖壓過(guò)程。送料機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖中，EC為開(kāi)始送料階段，AD為退出送料階段。在沖壓階段，送料機(jī)構(gòu)在DE階段不動(dòng)，使其運(yùn)動(dòng)不發(fā)生干涉，其條件必須滿足T5＞T2。根據(jù)擬定的運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖，設(shè)計(jì)送料機(jī)構(gòu)的尺寸和位置。Fig.11-5Motioncirculationdiagramofapunchingmachine

(壓力機(jī)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖)3.機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)1)按機(jī)械功能目標(biāo)選擇各簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)。

2)擬定運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖。

3)進(jìn)行各簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)的尺度綜合，確定各機(jī)構(gòu)尺寸。

4)確定各機(jī)構(gòu)的連接方法與連接件尺寸。

5)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，檢驗(yàn)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的可靠性。

6)反復(fù)進(jìn)行機(jī)構(gòu)尺寸與位置的修訂，直到滿意為止。1.連接基本桿組Fig.11-6Connectingbasiclinkgroups(基本桿組)11.3機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的組合方法圖11-6a所示，Ⅱ級(jí)桿組BCD的外接副B、D連接到原動(dòng)件AB和機(jī)架上，組成四桿機(jī)構(gòu)ABCD。再把一個(gè)Ⅱ級(jí)桿組中的外接副E、F連接到四桿機(jī)構(gòu)ABCD的桿DC和機(jī)架上，組成了一個(gè)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)。以此類推，可設(shè)計(jì)出更復(fù)雜的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)。各連接點(diǎn)的位置可通過(guò)機(jī)構(gòu)綜合方法求取。如果把II級(jí)桿組中的外接副B、D連接到兩個(gè)原動(dòng)件上，組成了圖11-6b所示的2自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。2.簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)串聯(lián)Fig.11-7Mechanismsintandemconnection1(機(jī)構(gòu)的串聯(lián)組合1)圖11-7a所示齒輪機(jī)構(gòu)的從動(dòng)輪與連桿機(jī)構(gòu)的主動(dòng)曲柄剛性連接，形成了齒輪連桿機(jī)構(gòu)組合系統(tǒng)。該系統(tǒng)可降低連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)速度；圖11-7b中，平行四邊形機(jī)構(gòu)ABCD的連桿與齒輪機(jī)構(gòu)的內(nèi)齒輪剛性連接，形成了連桿機(jī)構(gòu)和齒輪機(jī)構(gòu)的組合系統(tǒng)。由于內(nèi)齒輪z1作平動(dòng)。當(dāng)滿足O1O2=AB=CD，且互相平行時(shí)，該系統(tǒng)的外齒輪z2作大速比減速輸出。Fig.11-8Mechanismsintandemconnection2(機(jī)構(gòu)的串聯(lián)組合2)圖11-8a中，擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的輸出擺桿與曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的曲柄連接，可得到滑塊的特殊運(yùn)動(dòng)規(guī)律。圖11-8b是齒輪機(jī)構(gòu)與凸輪機(jī)構(gòu)串聯(lián)而成的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)。3.簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)并聯(lián)并聯(lián)組合也是最為常見(jiàn)的機(jī)構(gòu)組合方法。圖11-9a為兩個(gè)并聯(lián)的導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)共同驅(qū)動(dòng)汽車翻斗的示意圖；圖11-9b為將主軸運(yùn)動(dòng)分流到軸Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ的并聯(lián)齒輪機(jī)構(gòu)示意圖。Fig.11-9Mechanismsinparallelconnection1(機(jī)構(gòu)并聯(lián)組合1)圖11-10a所示機(jī)構(gòu)系統(tǒng)為軸向并聯(lián)布置的內(nèi)燃機(jī)。連桿機(jī)構(gòu)的活塞為主動(dòng)件，8套呈Ⅴ型布置的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)共同驅(qū)動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力的合成。圖11-10b所示為徑向并聯(lián)布置的內(nèi)燃機(jī)簡(jiǎn)圖。4套曲柄滑塊機(jī)構(gòu)共同驅(qū)動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的合成。Fig.11-10Mechanismsinparallelconnection2(機(jī)構(gòu)并聯(lián)組合2)Fig.11-11Mechanismsinparallel

connection3(機(jī)構(gòu)并聯(lián)組合3)圖11-11所示的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)把電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)分解為兩路傳動(dòng)，然后再合成一個(gè)蝸桿運(yùn)動(dòng)，形成并聯(lián)機(jī)構(gòu)組合系統(tǒng)。這種并聯(lián)組合系統(tǒng)可提高蝸輪的輸出動(dòng)力。4.簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)疊加Fig.11-12Mechanismsinsuperposedconnection1(機(jī)構(gòu)疊加組合1)圖11-12a所示的液壓挖掘機(jī)中，轉(zhuǎn)塔1上安裝擺桿機(jī)構(gòu)。通過(guò)液壓缸2、驅(qū)動(dòng)桿3，再驅(qū)動(dòng)大臂4擺動(dòng)。大臂4上又安裝一套同類液壓機(jī)構(gòu)，通過(guò)液壓缸5、桿6驅(qū)動(dòng)小臂7擺動(dòng)；小臂7上還安裝一套液壓缸機(jī)構(gòu)，通過(guò)鉸鏈機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)鏟斗工作。圖11-12b所示的升降機(jī)構(gòu)中，在一個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)上疊加另外一個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)，工作平臺(tái)在升降過(guò)程中保持一個(gè)穩(wěn)定姿態(tài)。Fig.11-13Mechanismsinsuperposed

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