高等機(jī)構(gòu)學(xué) 03 運(yùn)動(dòng)學(xué)ppt課件

1、高等機(jī)構(gòu)學(xué),YSU,燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,螺旋理論基礎(chǔ) 基于螺旋理論的自由度分析原理 空間機(jī)構(gòu)的位置分析 運(yùn)動(dòng)影響系數(shù)原理 空間機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué) 基于約束螺旋理論的并聯(lián)機(jī)構(gòu)型綜合 空間機(jī)構(gòu)的奇異分析,本門課程的主要學(xué)習(xí)內(nèi)容,位置正解 已知輸入?yún)?shù)求輸出參數(shù)，即已知驅(qū)動(dòng)器位置求解 動(dòng)平臺(tái)的位姿。 位置反解 已知輸出參數(shù)求輸入?yún)?shù)，即已知?jiǎng)悠脚_(tái)位姿求解驅(qū)動(dòng)器的位置。 注意：串聯(lián)機(jī)構(gòu)位置正解易于處理，逆解相對(duì)困難;并聯(lián)機(jī)構(gòu)位置正解處理困難，逆解相對(duì)容易，但一些少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的逆解處理也相對(duì)困難。,空間機(jī)構(gòu)位置分析,解析法:根據(jù)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成特征建立約束方程組，采用多種方法從約束方程組中消去中間參數(shù)，得到

2、單參數(shù)多項(xiàng)式后再求解。方法包括矢量代數(shù)法、幾何法、矩陣法和四元數(shù)法等。 優(yōu)點(diǎn)是可以得到全部解;缺點(diǎn)是難度較大，只有方法上的通用性，但個(gè)例均須結(jié)合具體情況進(jìn)行分析和處理。 數(shù)值法:采用的方法用數(shù)值逼近的方法解非線性方程組（例如：牛頓迭代法）。數(shù)值法可以較快地的求得任何機(jī)構(gòu)的實(shí)數(shù)解，但一般不能得到全部解。 一般而言，初值選取及搜索算法對(duì)收斂性及精度影響較大。,空間機(jī)構(gòu)位置分析,分析方法,6-SPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)位置分析,6-SPS機(jī)構(gòu)上、下平臺(tái)以6個(gè)分支相連，每個(gè)分支兩端是兩個(gè)球鉸，中間是一個(gè)移動(dòng)副。為六自由度機(jī)構(gòu)。,其中，R為上平臺(tái)的方向余弦矩陣，P為上平臺(tái)坐標(biāo)系原點(diǎn)在固定參考系中的坐標(biāo)。二者均為已知

3、量。,建立如圖所示坐標(biāo)系。當(dāng)給定機(jī)構(gòu)的各個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸后，利用幾何關(guān)系，可以很容易寫出上下平臺(tái)各鉸鏈點(diǎn)在各自坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，再利用下式可求出上平臺(tái)鉸鏈點(diǎn)在固定參考系下的坐標(biāo)值。,則6個(gè)驅(qū)動(dòng)器桿長(zhǎng)矢量Li可以表示為：,3-RPS并聯(lián)角臺(tái)機(jī)構(gòu)位置分析,機(jī)構(gòu)由定平臺(tái)O-A1A2A3，動(dòng)平臺(tái)D-a1a2a3以及三個(gè)對(duì)稱的RPS分支構(gòu)成。 構(gòu)的所有邊長(zhǎng)都為M 。(初始位形下li=M。),3-RPS并聯(lián)角臺(tái)機(jī)構(gòu)位置分析,3個(gè)RPS分支可以對(duì)動(dòng)平臺(tái)施加一個(gè)約束力。,這三個(gè)約束力在空間交錯(cuò)分布，相互之間線性無關(guān)，約束了機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)的三個(gè)移動(dòng)自由由度，機(jī)構(gòu)只剩下三個(gè)“轉(zhuǎn)動(dòng)”自由度。,自由度分析,3-RPS并聯(lián)角臺(tái)機(jī)

4、構(gòu)位置分析,機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)有3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，三個(gè)獨(dú)立參數(shù)可以確定機(jī)構(gòu)的位姿。 在進(jìn)行反解時(shí)，動(dòng)平臺(tái)的姿態(tài)是已知的?？捎靡粋€(gè)姿態(tài)矩陣描述為：,位置反解,(1),3-RPS并聯(lián)角臺(tái)機(jī)構(gòu)位置分析,三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副在定坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為 三個(gè)球面副在動(dòng)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為：,位置反解,(2),(3),3-RPS并聯(lián)角臺(tái)機(jī)構(gòu)位置分析,動(dòng)坐標(biāo)系與定坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換公式為,位置反解,(5),假設(shè)動(dòng)坐標(biāo)系的原點(diǎn)在定坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為,(4),3-RPS并聯(lián)角臺(tái)機(jī)構(gòu)位置分析,(2)(3)(4)代入(5)，可以得到三個(gè)球面副在定坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為：,位置反解,(6),3-RPS并聯(lián)角臺(tái)機(jī)構(gòu)位置分析,由于受轉(zhuǎn)動(dòng)副的限制，每個(gè)RPS

5、分支只能在垂直于分支轉(zhuǎn)動(dòng)副的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，球副的坐標(biāo)應(yīng)滿足 由(5)(6)，可以得到動(dòng)平臺(tái)原點(diǎn)的坐標(biāo)為,位置反解,(7),(8),3-RPS并聯(lián)角臺(tái)機(jī)構(gòu)位置分析,根據(jù)驅(qū)動(dòng)副桿長(zhǎng)的定義，有,位置反解,將式(2)(6)代入式(9) ，可以得到驅(qū)動(dòng)副的長(zhǎng)度為,(9),(10),3-US并聯(lián)角臺(tái)機(jī)構(gòu)位置分析,機(jī)構(gòu)由定平臺(tái)O-A1A2A3，動(dòng)平臺(tái)D-a1a2a3以及三個(gè)對(duì)稱的US分支構(gòu)成。 構(gòu)的所有邊長(zhǎng)都為M 。(初始位形下li=M。),3-US并聯(lián)角臺(tái)機(jī)構(gòu)位置分析,US分支可以對(duì)動(dòng)平臺(tái)施加一個(gè)約束力。,這三個(gè)約束力在空間交錯(cuò)分布，相互之間線性無關(guān)，約束了機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)的三個(gè)移動(dòng)自由由度，機(jī)構(gòu)只剩下三個(gè)“轉(zhuǎn)動(dòng)

6、”自由度。,自由度分析,3-US并聯(lián)角臺(tái)機(jī)構(gòu)位置分析,機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)有3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，三個(gè)獨(dú)立參數(shù)可以確定機(jī)構(gòu)的位姿。 在進(jìn)行反解時(shí)，動(dòng)平臺(tái)的姿態(tài)是已知的?？捎靡粋€(gè)姿態(tài)矩陣描述為：,位置反解,(1),3-US并聯(lián)角臺(tái)機(jī)構(gòu)位置分析,三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副在定坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為 三個(gè)球面副在動(dòng)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為：,位置反解,(2),(3),3-US并聯(lián)角臺(tái)機(jī)構(gòu)位置分析,動(dòng)坐標(biāo)系與定坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換公式為,位置反解,(5),假設(shè)動(dòng)坐標(biāo)系的原點(diǎn)在定坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為,(4),3-US并聯(lián)角臺(tái)機(jī)構(gòu)位置分析,(2)(3)(4)代入(5)，可以得到三個(gè)球面副在定坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為：,位置反解,(6),3-US并聯(lián)角臺(tái)機(jī)構(gòu)位置分

7、析,由于球面副位于一個(gè)以U副為球心的球面上，則球面副中心點(diǎn)的坐標(biāo)應(yīng)滿足如下的約束方程,位置反解,(7),將式（6）代入式（7），可以的到動(dòng)平臺(tái)原點(diǎn)坐標(biāo)的三元二次方程組，從而可以求解出動(dòng)平臺(tái)原點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)而可以解出驅(qū)動(dòng)副的轉(zhuǎn)角,3-CS并聯(lián)角臺(tái)機(jī)構(gòu)位置分析,機(jī)構(gòu)由定平臺(tái)O-A1A2A3，動(dòng)平臺(tái)D-a1a2a3以及三個(gè)對(duì)稱的CS分支構(gòu)成。 構(gòu)的所有邊長(zhǎng)都為M 。(初始位形下li=M。),3-CS并聯(lián)角臺(tái)機(jī)構(gòu)位置分析,CS分支可以對(duì)動(dòng)平臺(tái)施加一個(gè)約束力。,這三個(gè)約束力在空間交錯(cuò)分布，相互之間線性無關(guān)，約束了機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)的三個(gè)移動(dòng)自由由度，機(jī)構(gòu)只剩下三個(gè)“轉(zhuǎn)動(dòng)”自由度。,自由度分析,3-CS并聯(lián)角臺(tái)機(jī)構(gòu)位

8、置分析,機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)有3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，三個(gè)獨(dú)立參數(shù)可以確定機(jī)構(gòu)的位姿。 在進(jìn)行反解時(shí)，動(dòng)平臺(tái)的姿態(tài)是已知的?？捎靡粋€(gè)姿態(tài)矩陣描述為：,位置反解,(1),3-CS并聯(lián)角臺(tái)機(jī)構(gòu)位置分析,三個(gè)球面副在動(dòng)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為：,位置反解,(2),(3),假設(shè)動(dòng)坐標(biāo)系的原點(diǎn)在定坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為,3-CS并聯(lián)角臺(tái)機(jī)構(gòu)位置分析,動(dòng)坐標(biāo)系與定坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換公式為,位置反解,(5),(4),(1)(2)(3)代入(4)，可以得到三個(gè)球面副在定坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為：,3-CS并聯(lián)角臺(tái)機(jī)構(gòu)位置分析,由于球面副位于一個(gè)以C副為中心線的圓柱面上，則球面副中心點(diǎn)的坐標(biāo)應(yīng)滿足如下的約束方程,位置反解,(6),3-CS并聯(lián)角臺(tái)機(jī)

9、構(gòu)位置分析,位置反解,將式(5)代入式(6)，可以的到動(dòng)平臺(tái)原點(diǎn)坐標(biāo)的三元二次方程組,(7),3-CS并聯(lián)角臺(tái)機(jī)構(gòu)位置分析,位置反解,從式(6)中可以求解出動(dòng)平臺(tái)原點(diǎn)的坐標(biāo)，而驅(qū)動(dòng)副的尺寸可以通過下面的表達(dá)式得到,(8),工作空間,工作空間的分類,1、位置空間（定姿態(tài)空間）,給定平臺(tái)姿態(tài)的條件下，參考點(diǎn)所能達(dá)到的所有位置,姿態(tài)角：,1、位置空間（定姿態(tài)空間）,工作空間的分類,2、姿態(tài)空間,給定參考點(diǎn)位置的條件下，平臺(tái)所能達(dá)到的所有姿態(tài),固定點(diǎn),位置：,工作空間的分類,3、靈巧空間,平臺(tái)能夠以任何位姿達(dá)到的空間集合,A,B,O,工作空間的分類,4、可達(dá)空間,平臺(tái)能夠以至少一種路徑達(dá)到的位姿集合,

10、ok,A,B,C,O,工作空間的分類,1、支腿長(zhǎng)度限制,最低位置,最高位置,工作空間的限制因素,2、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍,工作空間的限制因素,3、支腿干涉限制,工作空間的限制因素,位置工作空間的計(jì)算,角度：,位置：,動(dòng)平臺(tái)中心點(diǎn),點(diǎn)A,定姿態(tài)：,反解,支腿位移：,滿足約束,記下A點(diǎn)為工作空間點(diǎn),考察下一點(diǎn),位置工作空間的計(jì)算,柱坐標(biāo),A面,位置工作空間的三維表示,A面,位置工作空間的三維表示,位置工作空間的三維表示,位置工作空間的三維表示,最大內(nèi)切空間,位置工作空間的形狀和大小隨著給定姿態(tài)的不同而發(fā)生變化,位置工作空間的三維表示,動(dòng)平臺(tái)三維轉(zhuǎn)動(dòng)的歐拉角描述方法 (T&T angles),姿態(tài)工作空間的

11、計(jì)算與表示,將3-RPS角臺(tái)機(jī)構(gòu)的姿態(tài)工作空間在圓柱坐標(biāo)系中繪制出來,姿態(tài)工作空間的計(jì)算與表示,3-RPS并聯(lián)角臺(tái)機(jī)構(gòu)的偏轉(zhuǎn)角 最大可以達(dá)到 51.6 （當(dāng)自轉(zhuǎn)角 = 0 時(shí)）. 3-RPS并聯(lián)角臺(tái)機(jī)構(gòu)的自轉(zhuǎn)角 的最大范圍可以達(dá)到 (- 40, 36) （當(dāng)偏轉(zhuǎn)角 = 0 時(shí)）.,最大偏轉(zhuǎn)角,最大自轉(zhuǎn)角,姿態(tài)工作空間的計(jì)算與表示,姿態(tài)空間最大偏轉(zhuǎn)46.1最大自轉(zhuǎn)（-55,15）,3-US角臺(tái)機(jī)構(gòu),姿態(tài)工作空間的計(jì)算與表示,最大自轉(zhuǎn)（-55,15）,最大偏轉(zhuǎn)46.1,姿態(tài)工作空間的計(jì)算與表示,3-US角臺(tái)機(jī)構(gòu),姿態(tài)空間 最大偏轉(zhuǎn)角 45.3 最大自轉(zhuǎn)角（-76,+60）,3-CS角臺(tái)機(jī)構(gòu),姿態(tài)工作空間的計(jì)算與表示,最大自轉(zhuǎn)（-76,60）,最大偏轉(zhuǎn) 45.3,3-CS角臺(tái)機(jī)構(gòu),姿態(tài)工作空間