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。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。多操作器协调工作本田
公司机器人铆接机器人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。9.2开式链机构的结构分析本节以机器人操作器为例，介绍开式链机构的组成和结构．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。组成：机身、臂部、腕部和手部（末端执行器）
等。9.2.2操作器的自由度操作器的白由度：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。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。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１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。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
。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。仅用移动关节不可能建立通用的空间或平面机
器人。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9.2.3操作器的结构分类1.直
角坐标型（又称直移型）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2.圆柱坐标型（又称回转型）三个基本关节：移动关节2个，转动关节１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3.球坐标型（又称俯仰型）三个基本关节：移动关节１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4.关节型（又称屈伸型）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。9.3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9.
3.1研究的主要问题1）正向运动学问题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。可获得一组唯一确定的解。9.3.
1研究的主要问题2）反向运动学问题给出末端执行器的位置和姿态，求关节参数。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？9.3.1研究的主要问题3）工作空间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。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。姿态角：9.3.2平面两连杆关节型操作器1）正向
运动学问题已知关节参数，求解位置和姿态坐标。（1）位移分析雅可比矩阵：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2）反向运动学问题（2）速度分析可达到的工
作空间灵活的工作空间9.3.2平面两连杆关节型操作器3）工作空间：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
（1）位移分析9.3.3平面三连杆关节型操作器1）正向运动学问题（2）速度分析给定确定计算出和9.3.3平面三连杆
关节型操作器2）反向运动学问题（1）位移分析思路：将三连杆问题转化为两连杆问题求解！9.3.3平面三连杆关节型操作器2）反向运动
学问题解的选择原则：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。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．本章基本要求：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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