机器人机构学-绪论

自我介绍名字：褚金奎主要学术经历：2002.5-至今:大连理工大学机械工程学院教授、博士生导师2001.10-2002.4:日本国东北大学工学部机械智能工学科客座教授1998.7-2002.10：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1997.5-1998.6:西安理工大学、机械与精密仪器学院机械学专业教授1996.10-1997.4:日本国山形大学机械工学部机械系统工学科研究员1996.7-1996.10:日本国近畿大学理工学部机械工学科高级访问学者1989.4-1992.10：在北京航空航天大学机器人研究所攻读博士学位主要研究方向：机构学，机器人，实体造型与运动方针，MEMS主要学术成果科研成果及所受奖励:2004教育部新世纪优秀人才支持项目获得者2003入选辽宁省千百万人才工程1995年评为机械工业部部级优秀青年科技专家，1996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1997年评为机械工业部部级学术骨干1999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2000年项目《齿轮连杆机构结构及运动学的基本理论及新方法的研究》获得山东省科技进步奖三等奖发表论文共发表论文一百伍拾篇，其中主要的论文有：（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。（2）IdentificationofIsomorphismAmongKinematicChainsandInversionsUsingLink‘sAdjacent－Chain－Table,MechanismandMachineTheory,No.1,1994，被“SCI”收录（3）SystemicsofAssurGroupswithmultiplejoints,,MechanismandMachineTheory，No.8,1998，被SCI收录同时也被被EI收录。（4）StructuralanalysisofsynthesisofAssurGroupswithmultiplejoints,机械工程学报英文版,No.1,1992，（5）齿轮连杆机构类型综合的研究，机械工程学报,No.3，1996（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.5，1999（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，p1-9.（8）StudyofRelationshipbetweenCouplerCurvePropertiesof4-barLinkagesandItsDimensionalTypes,SCIENCEINCHINA（SeriesE）,2004,47(4)发表论文(9）Stephenson六杆机构可动性研究，机械工程学报，No.11,2004(10）电热驱动镍微夹钳的设计及制作，机械工程学报，No.5,2007(11)RapidNonlinearAnalysisforElectrothermalMicrogripperUsingReducedOrderModelBasedonKrylovSubspace，InternationalJournalofNonlinearSciencesandNumericalSimulation,Vol.9,No.4,2008,P333-338，期刊影响因子:5.099(12)FourierMethodtoFunctionSynthesisofRCCCMechanism，ProceedingsoftheInstitutionofMechanicalEngineers,PartC,JournalofMechanicalEngineeringScience，Vol.222，2008，DOI:10.1243/09544062JMES1091，期刊影响因子：0.329(13)Constructionandperformancetestofanovelpolarizationsensorfornavigation，Sensors&Actuators:A.Physical，DOIinformation:10.1016/j.sna.2008.07.016,2008，Vol.148，P75-82,2008，期刊影响因子：1.348。联系方式电话：84706108（o)Email:[e-mail]机械学院2号楼，微系统中心212-2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1.机构发展史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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。机构学的诞生起源于1875德国学者勒洛(F.Reuleau)给机构的定义电器时代,信息时代的到来对机构发明提出了新的课题1.1机构定义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。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机构功能的图表示:机构系统输入（运动力、能量）输出（运动力、能量）1.2机构的组成及分类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….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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目的就是为新机构(机器)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、运动学、动力学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）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、κξΔ、分支数、位置方程数、复杂度）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寸的影响）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运动学综合:已知输出输入要求机构尺寸位置综合（轨迹、函数、刚体导引）速度、加速度综合误差综合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）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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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2.机器人发展史科幻作品20年robot:捷克作家卡雷尔.查培克（KapelCapek)人造劳动者60年代实用化的机器人，区别、工业机器人（操作手）；70年代机器人的概念才被确认，出现了机器人学；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）；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；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：代替人进行工作：能像人一样使用工具和机械(机床和汽车不行）有通用性：根据工况进行作业变换（玩具不能)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2.2机器人的种类机器人的分类方法有许多，这里简单介绍三种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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2.2机器人的种类（续）根据机器人动作所基于的信息可分为：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：按预定的程序进行工作（上、下料机器人）2.3机器人的种类（续）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。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。2.3机器人的种类（续）智能机器人：不仅可以完成预定的工作，还可以根据工作的状况进行相应的动作。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）机器人产品安川机器人Scalar机器人国产机器人火星探索机器人玩具机器人图片玩具机器人图片玩具机器人智能机器人图片宇航和军用机器人机器人士兵勇气号火星机器人模型中国研制的智能机器人BHR-01仿人形机器人（2002年）•自由度33–腿部6x2=12–手臂6x2=12–手2x2=4–头3•体重75公斤•身高：1.6米美女机器人（2006年，中国科学院北京自动化研究院）身高１６８厘米体重６０公斤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。如果被人夸奖：“你真漂亮。”“她”会“微笑”国外的仿真机器人家政机器人沈阳自动化所具备2岁儿童智商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机器人鱼PAINTROBOTS涂胶机器人助残机器人并联机器人生物及微机器人微纳米机器人单细胞机器人仿生微机器人机器人系统硬件的构成机器人机构学的主要研究内容机器人结构组成学机器人运动学机器人动力学机器人控制理论传感器与信息传输和处理3.现代机械系统3.1基本构成机构设计创新设计的过程3.2机械系统创新设计过程(1)创新设计过程的基本模式任务空间解空间解优选(2)创新设计的主要层次：拓扑创新设计参数创新设计控制创新设计3.3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、网络化发展：(1)机构创新是机械产品创新的核心，而机构拓扑创新对产品创新起着决定作用；(2)由子系统之间的相互联系、制约与协调，确定子系统之间的相应特性；4.现代机构学4.1现代机构系统的主要特点现代机构传统机构1机构活动度≥22.运动输出包括：1)运动输出类型；2)位姿实现连续复杂变化；3)在一定范围内的可调输出。3.可变主动输入4.可变拓扑结构5