机器人机构学绪论.ppt

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1、自我介绍l名字：褚金奎l主要学术经历：l2002.5-至今:大连理工大学 机械工程学院教授、博士生导师l2001.10-2002.4:日本国 东北大学工学部 机械智能工学科 客座教授l1998.7-2002.10：西安理工大学、机械与精密仪器学院机械学专业教授、博士生导师l1997.5-1998.6:西安理工大学、机械与精密仪器学院机械学专业教授l1996.10-1997.4:日本国 山形大学机械工学部 机械系统工学科 研究员l1996.7-1996.10:日本国 近畿大学 理工学部 机械工学科 高级访问学者l1989.4-1992.10：在北京航空航天大学机器人研究所攻读博士学位l主要研究方

2、向：机构学，机器人，实体造型与运动方针，MEMS第一页，编辑于星期日：十点 十二分。主要学术成果l科研成果及所受奖励科研成果及所受奖励:l2015入选大连市科技领军人才l2105 国家技术发明二等奖l2004教育部新世纪优秀人才支持项目获得者l2003入选辽宁省千百万人才工程l1995年评为机械工业部部级优秀青年科技专家，l1996年项目机构结构的拓扑特征、尺度特征及动力学模型的研究获得教育部科技进步（甲类）二等奖l1997年评为机械工业部部级学术骨干l1999年项目以序单开链为基本单元的机械系统新理论研究获得教育部科技进步（甲类）二等奖l2000年项目齿轮连杆机构结构及运动学的基本理论及新方

3、法的研究获得山东省科技进步奖三等奖第二页，编辑于星期日：十点 十二分。发表论文l共发表论文一百伍拾篇，其中主要的论文有：l（1）用快速傅立叶变换进行再现平面四杆机构连杆曲线的综合,机械工程学报,1993年 第五期，被苏联机械制造材料与机械零件文献收录。l（2）Identification of Isomorphism Among Kinematic Chains and Inversions Using Links AdjacentChainTable,Mechanism and Machine Theory,No.1,1994，被“SCI”收录 l（3）Systemics of Assur

4、Groups with multiple joints,Mechanism and Machine Theory，No.8,1998，被SCI收录 同时也被被EI收录。l（4）Structural analysis of synthesis of Assur Groups with multiple joints,机械工程学报英文版,No.1,1992，l（5）齿轮连杆机构类型综合的研究，机械工程学报,No.3，1996l（6）带有预定时标平面四杆刚体导引机构尺度综合的研究,机械工程学报，No.5，1999l（7）四杆机构轨迹特性与机构尺寸型关系研究，中国科学E辑中文版,2004,34卷第7期

5、，p1-9.l（8）Study of Relationship between Coupler Curve Properties of 4-bar Linkages and Its Dimensional Types,SCIENCE IN CHINA（Series E）,2004,47(4)第三页，编辑于星期日：十点 十二分。发表论文l(9）Stephenson六杆机构可动性研究，机械工程学报，No.11,2004l(10）电热驱动镍微夹钳的设计及制作，机械工程学报，No.5,2007l(11)Rapid Nonlinear Analysis for Electrothermal Microg

6、ripper Using Reduced Order Model Based on Krylov Subspace，International Journal of Nonlinear Sciences and Numerical Simulation,Vol.9,No.4,2008,P333-338，期刊影响期刊影响因子:5.099l(12)Fourier Method to Function Synthesis of RCCC Mechanism，Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Part C,Journal of

7、 Mechanical Engineering Science，Vol.222，2008，DOI:10.1243/09544062JMES1091，期刊影响因子：期刊影响因子：0.329l(13)Construction and performance test of a novel polarization sensor for navigation，Sensors&Actuators:A.Physical，DOI information:10.1016/j.sna.2008.07.016,2008，Vol.148，P75-82,2008，期刊影响因子：期刊影响因子：1.348。第四页，编辑

8、于星期日：十点 十二分。联系方式l电话：84706108（o)lEmail:l机械学院2号楼，微系统中心212-2第五页，编辑于星期日：十点 十二分。机器人机构学褚金奎参考教材:机器人机构拓扑结构学 杨廷力机械工业出版社，2004年3月第六页，编辑于星期日：十点 十二分。1.机构发展史l机构是人们在实践中发明的用于改造和适应自然的工具有了人就有了机构的创造.最简单的机构杠杠,门,栅栏,轮子等l机构的发展史就是人类的创造发明史、文明史 农业文明中机构的贡献有:马车,水车,纺车,风车（古）播种机、收割机。工业文明中机构的贡献:没有蒸气机为代表的一系列机器的发明就没有工业文明。l机构学的诞生起源于1

9、875德国学者勒洛(F.Reuleau)给机构的定义l电器时代,信息时代（3.0）的到来对机构发明提出了新的课题l网络化和智能化对机器又有进一步的要求（工业4.0）。第七页，编辑于星期日：十点 十二分。1.1 机构定义l机构与机器机构与机器：机器就是指设备、装置。机构是为研究机器的组成、运动原理、分析设计方法的抽象。其定义为:由具有确定相对运动的构件形成的一个系统，能够实现运动、力和能量的变换。l机构的主要组成机构的主要组成:构件和运动副。其中有两个构件比较特殊：机架和原动件。机构的研究就是研究构件和运动副各自特点和相互连接组成系统l机构功能的图表示机构功能的图表示:机构系统输入（运动力、能量

10、）输出（运动力、能量）第八页，编辑于星期日：十点 十二分。1.2 机构的组成及分类机构的组成及分类l构件的种类构件的种类 含运动副的多少分：双副杆、三副杆、多副杆 构件的特性：齿轮、凸轮、带轮、棘轮、机架、原动件.l运动副的种类运动副的种类 运动性质：平面、空间 平面（R、P)、空间(C、S、H)接触特性:高副（凸轮、齿轮、摩擦副）、低副（R、P)等 连接特性：拉压介质运动副：带、链、钢丝 及其他介质如液压机构l机构的分类机构的分类 运动特性：平面、空间、低副机构、高副机构、构件的特性：齿轮机构、凸轮机构、连杆机构、组合机构等 运动副与构件的连接特性:低级机构、高级机构,柔性机构等机构学的主要

11、目的就是为新机构机构学的主要目的就是为新机构(机器机器)发明创造提供理论和技术指导发明创造提供理论和技术指导机构学的主要研究内容（三个命题）：组成学机构学的主要研究内容（三个命题）：组成学、运动学、动力学第九页，编辑于星期日：十点 十二分。1.3 机构学的研究内容1.机构组成学机构结构理论（非尺寸影响）l机构的结构分析：机构的组成条件（机构的自由度分 析）机架的选择准则 原动件（主动件）的选择确定 机构结构与性能的关系（m、分支数、位置方程数、复杂度）l机构的结构综合（类型综合）：类型综合：在一定的条件下（n,p,l,f)的全部机构结构类型 分类与优选：根据一定的指标进行分类第十页，编辑于星期

12、日：十点 十二分。1.3 机构学的研究内容（续）2.机构运动学（研究机构中各构件尺度的影响）l运动学分析：已知机构尺寸和输入确定运动状态 位置分析 速度分析 加速度分析 精度分析 装配构型分析 奇异构型分析 分支、顺序、尺寸型优选 l运动学综合:已知输出要求确定机构尺寸（或输入，机器人逆解）位置综合（轨迹、函数、刚体导引）速度、加速度综合 误差综合 第十一页，编辑于星期日：十点 十二分。1.3 机构学的研究内容（续）3.机构动力学的研究内容（机构中质量分布、阻尼特性、材料特性、几何特性对机构性能的影响）l动力学分析 动态静力分析:已知机构的运动状态及外力确定机构及构件上惯性力、力矩、平衡力、力

13、矩、驱动力、及支反力、应力、应变等 动力学分析：已知机构的所受的外力，确定机构的运动状态（牛顿第二定律、拉格朗日方程、凯恩方程）结构动力学分析：已知机构的运动及受力，确定机构的响应、振型、固有频率、噪音、可靠性、寿命、稳定性等l动力学综合 已知机构的动力学性能要求，确定机构的动力学参数（质量分布、阻尼分布、几何特性、材料特性）常见的动力学要求：惯性力、力矩、支反力、许用应力、应变、振动频率、寿命等l动力学涉及的内容很多，很多内容都有专门的学科进行研究第十二页，编辑于星期日：十点 十二分。2.机器人发展史l科幻作品 20年 robot:捷克作家卡雷尔.查培克（Kapel Capek)人造劳动者l

14、 60年代实用化的机器人，区别、工业机器人（操作手）；l 70年代机器人的概念才被确认，出现了机器人学；l 80年代工业机器人大量应用，出现了大量的移动机器人研究（步行机、月球车）；l 90年代出现了智能机器人的概念，医用机器人出现在临床，移动机器人开始应用；l 20世纪末出现了大量的智能机器人比赛和智能机器人模型、助残机器人；可以预见的未来、21世纪机器人将走入我们的生活，成为我们生活中不可缺少的一部分。机器人的发展经历 机器 自动化机器 智能化机器 拟人机器第十三页，编辑于星期日：十点 十二分。2.1 机器人定义机器人是一个动态的概念，一般具有下列性质：l代替人进行工作：能像人一样使用工具

15、和机械(机床和汽车不行）l有通用性：根据工况进行作业变换（玩具不能)l可以直接对外发生作用：不仅能像计算机一样进行计算，还能对外产生作用 第十四页，编辑于星期日：十点 十二分。2.2 机器人的种类l机器人的分类方法有许多，这里简单介绍三种l根据机器人可以代替人的不同器官可分为：操作机器人：手 移动机器人：腿 视觉机器人：眼，等等l根据机器人的应用可分为 工业机器人：搬运、焊接、装配、喷漆、焊接、检测等 极限作业机器人：核电站、海底、宇宙空间等 娱乐机器人等：弹奏乐器、舞蹈、宠物等 福利机器人（助残机器人）医疗机器人（手术机器人）灾难救助机器人 体育类机器人等 军用机器人第十五页，编辑于星期日：

16、十点 十二分。2.2 机器人的种类（续）l根据机器人动作所基于的信息可分为：操作机器人操作机器人(遥控机器人)：远距离遥控（太空、核电站、防暴);基于微观显微观察的机器人（纳米操作、细胞操作、手术机器人等）程序机器人程序机器人：按预定的程序进行工作（上、下料机器人）第十六页，编辑于星期日：十点 十二分。2.3 机器人的种类（续）l示教再现机器人示教再现机器人：示教再现同盒式录放机一样，把轨迹、动作进行示教再现。l数值控制机器人数值控制机器人：用计算机控制机器人的动作，轨迹规划是基于计算而非示教。第十七页，编辑于星期日：十点 十二分。2.3 机器人的种类（续）l智能机器人智能机器人：不仅可以完成

17、预定的工作，还可以根据工作的状况进行相应的动作。l通常情况下，机器人的信息控制方式都不是一种，混合控制的情况比较普遍。（火星探险车）第十八页，编辑于星期日：十点 十二分。机器人产品安川机器人Scalar机器人第十九页，编辑于星期日：十点 十二分。国产机器人第二十页，编辑于星期日：十点 十二分。火星探索机器人第二十一页，编辑于星期日：十点 十二分。玩具机器人图片第二十二页，编辑于星期日：十点 十二分。玩具机器人图片第二十三页，编辑于星期日：十点 十二分。玩具机器人第二十四页，编辑于星期日：十点 十二分。智能机器人图片第二十五页，编辑于星期日：十点 十二分。宇航和军用机器人宇航和军用机器人机器人士

18、兵勇气号火星机器人模型第二十六页，编辑于星期日：十点 十二分。中国研制的智能机器人中国研制的智能机器人第二十七页，编辑于星期日：十点 十二分。BHR-01BHR-01仿人形机器人（仿人形机器人（20022002年）年）自由度 33腿部6 x 2=12手臂6 x 2=12手2 x 2=4头 3 体重体重75 公斤公斤 身高：1.6 米米第二十八页，编辑于星期日：十点 十二分。美女机器人（美女机器人（2006年，中国科学院年，中国科学院北京自动化研究院）北京自动化研究院）l身高厘米l体重公斤l身着红色婚纱。“她”的面部由玻璃钢材料制成，嘴和眉毛是画上去的，眼睛可以转动还可以跟人配合跳交谊舞。如果被

19、人夸奖：“你真漂亮。”“她”会“微笑”第二十九页，编辑于星期日：十点 十二分。国外的仿真机器人第三十页，编辑于星期日：十点 十二分。家政机器人家政机器人l沈阳自动化所l具备2岁儿童智商 l它能陪您说话、能帮您检查室内空气质量、能诊病还能分析股票 日本松下按计划以后还将继续推出能够布置餐桌和洗碗的家政机器人 日本东京大学给客人倒饮料第三十一页，编辑于星期日：十点 十二分。机器人鱼第三十二页，编辑于星期日：十点 十二分。PAINT ROBOTS第三十三页，编辑于星期日：十点 十二分。涂胶机器人第三十四页，编辑于星期日：十点 十二分。助残机器人第三十五页，编辑于星期日：十点 十二分。并联机器人第三十

20、六页，编辑于星期日：十点 十二分。生物及微机器人第三十七页，编辑于星期日：十点 十二分。微纳米机器人l单细胞机器人l仿生微机器人第三十八页，编辑于星期日：十点 十二分。机器人系统硬件的构成第三十九页，编辑于星期日：十点 十二分。机器人机构学的主要研究内容l机器人结构组成学l机器人运动学l机器人动力学l机器人控制理论l传感器与信息传输和处理第四十页，编辑于星期日：十点 十二分。3.3.现代机械系统现代机械系统 3.1 基本构成基本构成第四十一页，编辑于星期日：十点 十二分。机构设计创新设计的过程第四十二页，编辑于星期日：十点 十二分。3.2 机械系统创新设计过程机械系统创新设计过程(1)(1)创

21、新设计过程的基本模式创新设计过程的基本模式任务空间任务空间解空间解空间解优选解优选(2)(2)创新设计的主要层次：创新设计的主要层次：拓扑创新设计拓扑创新设计参数创新设计参数创新设计控制创新设计控制创新设计第四十三页，编辑于星期日：十点 十二分。3.3 现代机械系统的主要特点现代机械系统的主要特点 传统机械系统向主动控制、信息化、智能化、网络传统机械系统向主动控制、信息化、智能化、网络化发展：化发展：(1)(1)机机构构创创新新是是机机械械产产品品创创新新的的核核心心，而而机机构构拓拓扑扑创创新新对对 产品创新起着决定作用；产品创新起着决定作用；(2)(2)由由子子系系统统之之间间的的相相互互

22、联联系系、制制约约与与协协调调，确确定定子子系系统统 之间的相应特性；之间的相应特性；第四十四页，编辑于星期日：十点 十二分。4.4.现代机构学现代机构学 4.1 现代机构系统的主要特点现代机构系统的主要特点现现 代代 机机 构构传传 统统 机机 构构1 机构活动度机构活动度22.运动输出包括：运动输出包括：1)运动输出类型；运动输出类型；2)位姿实现连续复杂变化；位姿实现连续复杂变化；3)在一定范围内的可调输出。在一定范围内的可调输出。3.可变主动输入可变主动输入4.可变拓扑结构可变拓扑结构5.可变尺度参数可变尺度参数6.可变惯性参数可变惯性参数7.可变阻尼参数可变阻尼参数 1.机构活动度机

23、构活动度=1 2.运动输出运动输出(函数、导向、轨迹函数、导向、轨迹)为单输出，调整困难；可实现为单输出，调整困难；可实现 若干精确点，但过程为近似实若干精确点，但过程为近似实 现现 3.主动输入基本不变主动输入基本不变 4.拓扑结构不变拓扑结构不变 5.尺度参数不变尺度参数不变 6.惯性参数不变惯性参数不变7.阻尼参数不变阻尼参数不变第四十五页，编辑于星期日：十点 十二分。4.2 现代机构学的任务现代机构学的任务 最最重重要要任任务务是是发发明明新新机机构构，应应为为发发明明机机构构提提供供系系统的理论与有效的实用方法。统的理论与有效的实用方法。4.3 现代机构学理论的基本问题现代机构学理论

24、的基本问题 结构类（非数值类）非线性问题结构类（非数值类）非线性问题 机构拓扑结构设计机构拓扑结构设计 参数类（数值类）非线性问题参数类（数值类）非线性问题 非线性代数方程非线性代数方程机构运动学设计机构运动学设计 非线性微分方程非线性微分方程机构动力学设计机构动力学设计第四十六页，编辑于星期日：十点 十二分。4.4 4.4 拓扑结构学基本理论拓扑结构学基本理论 拓扑结构设计的基本类型拓扑结构设计的基本类型(1)(1)机构集成创新：机构集成创新：通通过过对对已已知知基基本本机机构构（元元机机构构）及及其其功功能能（元元功功能能）进进行行重重组组，以以实实现现较较复复杂杂机机构构系系统统的的整整

25、体体功功能能与与原原理理创创新新。已已知元机构及其元功能是集成创新知识库的基础之一。知元机构及其元功能是集成创新知识库的基础之一。(2)(2)机构原始创新机构原始创新 发发明明具具有有特特定定功功能能的的新新基基本本机机构构，可可直直接接开开发发为为新新型型产品，或作为机构集成创新的新元机构。产品，或作为机构集成创新的新元机构。第四十七页，编辑于星期日：十点 十二分。4.5 现代机构学的主要特点现代机构学的主要特点(1)(1)研研究究对对象象为为现现代代机机构构现现代代机机械械系系统统的的子子系系统统（骨骨架架与与执执行行器器）。机机构构学学内内容容涉涉及及机机械械、驱驱动动、控控制制、信信息

26、息等等多学科的交叉与融合。多学科的交叉与融合。(2)(2)机机构构拓拓扑扑结结构构学学、运运动动学学与与动动力力学学统统一一建建模模，创创建建三三者者融融为为一一体体且且涉涉及及驱驱动动与与控控制制技技术术的的系系统统理理论论与与方方法法，为为创创新新设设计计方方法法提供理论基础。提供理论基础。(3)(3)与计算机技术很好结合，以提供创新设计的实用软件。与计算机技术很好结合，以提供创新设计的实用软件。(4)(4)与与其其它它学学科科协协调调发发展展，甚甚至至拓拓宽宽、发发展展相相关关的的数数学学、力力学学方方法法，沟沟通通与与其其它它学学科科（如如结结构构分分子子生生物物学学、分分子子工工程程

27、学学等）的内在联系等。等）的内在联系等。第四十八页，编辑于星期日：十点 十二分。展望展望(1)多多学学科科技技术术(机机构构、驱驱动动、控控制制、信信息息、MEMS、传传感感、计计算算机机等等)的的交交叉叉与与融合发展。融合发展。(2)多多学学科科理理论论(机机构构、数数学学、力力学学、微微电电子子学学、结结构构生生物物学学与与分分子子工工程程学学)的的协调发展，甚至在更高层次上协调发展，甚至在更高层次上(如拓扑结构层次如拓扑结构层次)的一致性。的一致性。总总之之，以以发发明明新新机机构构为为最最重重要要任任务务的的现现代代机机构构学学，通通过过一一两两代代我我国国学学者者群群体体的的努努力力

28、，能能形形成成属属于于我我国国原原创创的的现现代代机机构构学学的的新新学学派派，建建立立起起有有中中国国特特色色的的现现代代机机械械系系统统设设计计原原创创理理论论与与方方法法体体系系，在在我我国国经经济济建建设设、国国防防建建设设和和社社会会发发展展中中发发挥挥重重要要作用，并为世界机械学的发展作出应有的贡献。作用，并为世界机械学的发展作出应有的贡献。第四十九页，编辑于星期日：十点 十二分。本书的主要研究内容l本书的主要目的就是介绍一中的机构结构设计的系统理论和方法l因此在第一章中重要介绍了几个概念 机构的结构单元类型 机构及单元的拓扑结构及数学表示 机构及单元的基本功能及数学表示 机构与单

29、元的拓扑结构关系，建立机构与单元之间的内在联系 给出基于上述理论的机构类型综合方法。l第二章 串联机构的结构类型综合（结构的数学描述、输出的特征矩阵）l第三章 介绍单回路机构的结构类型综合（单回路机构的分类、数学描述l第四章 并联机构的结构特征（结构组成，输出特征矩阵）l第五章到十三章主要介绍并联机构的结构类型综合和分类第五十页，编辑于星期日：十点 十二分。本书的主要研究思路本书的主要研究思路(1)机构系统的结构组成机构系统的结构组成具有递进层次的结构单元具有递进层次的结构单元 1)杆副单元：杆副单元：2)基本运动链单元：基本运动链单元：3)回路单元：回路单元：4)单开链单元：单开链单元：SOCSOCHSOCHSOC第五十一页，编辑于星期日：十点 十二分。(2)运动输出特征方程：运动输出特征与拓扑结构运动输出特征方程：运动输出特征与拓扑结构 的定量描述的定量描述 1)运动输出特征矩阵运动输出特征矩阵M 2)运动输出特征方程运动输出特征方程 对串联尺度型机构对串联尺度型机构 对并联尺度型机构对并联尺度型机构 对混联尺度型机构对混联尺度型机构 交运算共有交运算共有6种基本类型种基本类型。第五十二页，编辑于星期日：十点 十二分。KCJdFBKC1BKC2SOC1SOC2SOC3第五十三页，编辑于星期日：十点 十二分。第五十四页，编辑于星期日：十点 十二分。