机械原理第02章

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课程名称 农业机器人 任课教师 李玉柱

第2章 机器人的基本结构原理 计划学时 3

教学目的和要求：

1. 弄清机器人的基本构成；

2. 了解机器人的主要技术参数；

3. 了解机器人的手部、腕部和臂部结构；

4. 了解机器人的机身结构；

5. 了解机器人的行走机构

重点：

1. 掌握机器人的基本构成

2. 弄清机器人都有哪些主要技术参数

3. 机器人的手部、腕部和臂部结构

难点：

机器人的手部、腕部和臂部结构

思考题：

1. 机器人由哪些部分组成？

2. 机器人的主要技术参数有哪些？

3. 机器人的行走机构共分几类，请想象未来的机器人能否有其它类型的行走机构？ 2 第2章 概 论

教学主要内容：

2.1 机器人的基本构成

2.2 机器人的主要技术参数

2.3 人的手臂作用机能初步分析

2.4 机器人的机械结构构成

2.5 机器人的手部

2.6 机器人的手臂

2.7 机器人的机身

2.8 机器人的行走机构

本章介绍了机器人的基本构成、主要技术参数，人手臂作用机能，在此基础上对机器人的手部、手腕、手部、。机身、行走机构等原理及相关的结构设计进行讨论，使学生对机器人的机构和原理有较为清楚的了解。

2.1机器人的基本构成

简单地说：机器人的原理就是模仿人的各种肢体动作、思维方式和控制决策能力。

不同类型的机器人其机械、电气和控制结构也不相同，通常情况下，一个机器人系统由三部分、六个子系统组成。这三部分是机械部分、传感部分、控制部分；六个子系统是驱动系统、机械系统、感知系统、人机交互系统、机器人-环境交互系统、控制系统等。如图2-1所示。 3

图2-1 机器人的基本构成

 机械．．系统．． 是由关节连在一起的许多机械连杆的集合体，形成开环运动学链系。连杆类似于人类的小臂、大臂等。关节通常分为转动关节和移动关节，移动关节允许连杆做直线移动，转动关节仅允许连杆之间发生旋转运动。由关节-连杆结构所构成的机械结构一般有3个主要部件，即手、腕、臂，它们可在规定的范围上运动。

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学习指南

第2章 机械设计中的机构结构学问题

一.基本要求

1）熟练掌握运动副、运动链、约束和自由度等基本概念；

2）熟练掌握机构运动简图绘制的方法，能够用运动简图表达自己的设计构思；

3）熟练掌握平面机构自由度的计算方法，能够准确判别机构中存在的复合铰链、局部自

由度和虚约束；

4）掌握机构的组成原理和结构分析的方法，了解高副低代的方法，会判断杆组和机构的

级别，以及Ⅱ级和Ⅲ级机构的分解方法；

二.重点、难点指导

本章的重点是：机构组成要素的基本概念、机构运动简图的绘制、机构自由度的计算

1. 机构组成要素的基本概念

1) 运动副与运动副元素

运动副是两构件直接接触形成的可动联接，两构件上直接参与接触而构成运动副

的部分——点、线或面称为运动副元素。

运动副的分类： 󰁺 根据运动副引入的约束数目将运动副分为Ⅰ级副至Ⅴ级副五种形式。

󰁺 根据构成运动副的两构件的接触情况，分为低副（面接触）和高副（点或线接触）。

󰁺 根据运动副两元素间相对运动的形式，两运动副元素间只能相互做平面平行运动

的称为平面运动副，否则称为空间运动副。

2) 构件与零件

构件是机器中独立的运动单元体，零件是机器中加工制造的单元体，一个构件可

以是一个零件，也可以是由若干个零件刚性联接在一起的一个独立运动的整体。 3) 运动链

运动链是两个构件或两个以上的构件通过运动副联接而成的相对可动的系统。运

动链可以是首末封闭的闭链，也可以是未封闭的开链。

4) 机构

机构是用来传递运动和动力的装置。从运动的观点来看，机构是具有确定相对运 动规律的构件组合体。从机构的组成来看，机构是具有一个固定构件的运动链。机构中的原

动件运动规律是给定的，从动件的运动规律取决于原动件的运动规律和机构的结构。

5) 运动链成为机构的条件

取运动链中一个构件作为机架，运动链相对机架的自由度必须大于零，且原动件

数目等于运动链的自由度数。

2.机构运动简图的绘制

机械原理课程设计一插床机构

说明书 2 / 21

机械原理课程设计

第二章插床主体机构尺寸综合设计

机构简图如下：

已知 OQ2 =150mm, BC/B02 =1，行程 H=100mm，行程比系数 K=2，

根据以上信息确定曲柄OiA, BC,B02长度，以及。2到YY轴的距离

1. OiA长度的确定 3 / 21

77貝上樣限 4 / 21

机械原理课程设计

图1极限位置

由 K =（180° R/（180° -二），得极为夹角:

— 60°,

首先做出曲柄的运动轨迹，以 01为圆心，O1A为半径做圆，随着曲柄的转动，有图知 道，当O?A转到O2A1，于圆相切于上面时，刀具处于下极限位置；当 O2A转到O2A2，与 圆相切于下面时，刀具处于上极限位置。于是可得到 O2A与O2A2得夹角即为极为夹角

V -60°。由几何关系知，• A1O1O2 =/A2OQ2，于是可得，.AO1O2 =/A2OIO2 =60°。由 几何关系可得：

O1A1 = cosr •O1O2

代入数据，O1O2 =150mm，v - 600，得

OiA = 75mm

即曲柄长度为75 mm

2.杆BC、BO2的长度的确定

机械原理课程设计 5 / 21

由图2知道，刀具处于上极限位置C2和下极限位置Ci时，CG长度即为最大行程

H=100 mm，即有 C1C2 =100mm。

在确定曲柄长度过程中，我们得到/ A1O1O2 ZA2O1O^600，那么可得到

.BQ2B2 =60°，那么可知道三角形：BiB2O2等边三角形。

又有几何关系知道四边形 B1B2C2C1是平行四边形，那么B2B^C2C1，又上面讨论知

.B1 B2O2为等边三角形，于是有BQ2二B2BJ，那么可得到B2O2 = 100mm，即BO^ 100mm

又

已

知

BC/BO2 =1

于

是

可

得

到

BC = BO2 =100mm

即

32 机械原理试题精选与答题技巧

2.3 试题精解和答题技巧

例2-1 如例2-1图所示，已知四杆机构各构件长度：a=240mm，b=600mm，c=400mm，d=500mm。试问：

1． 当取构件4为机架时，是否存在曲柄？如存在则哪一构件为曲柄？

2． 如选取别的构件为机架时，能否获得双曲柄或双摇杆机构？如果可以，应如何得到？

解题要点：

根据铰链四杆机构曲柄存在条件进行分析。在铰链四杆机构中，其杆长条件是机构有曲柄的根本条件。即最短杆与最长杆长度之和小于或等于其他两杆长度之和；这时如满足杆长条件，以最短或与最短杆相邻的杆为机架，机构则有曲柄；否则无曲柄；如不满足杆长条件，无论取那个构件为机架，机构均无曲柄，机构为双摇杆机构。

解： 1. 现在a+b=840mm

2. 当取最短杆a为机架时，得双曲柄机构；若选最短杆的对杆c为机架时，则得双摇杆机构。

例2-1图

例2-2图

例2-2 试根据铰链四杆机构的演化原理，由曲柄存在条件推导如例2-2图所示偏置导杆机构成为转动导杆机构的条件。

解题要点：

如例2-2图所示机构是由铰链四杆机构演化而来，本题关键在于铰链四杆机构曲柄存在条件的灵活运用。

解：因为导杆与滑块组成移动副，所以转动副中心D在无穷远处，即：

CDl ， ADl并且 ADl＞CDl

要使机构成为转动导杆机构，则各杆长度应满足下列条件：

ABl+ADlBCl+CDl

ABl+(ADl-CDl)BCl

bea

例2-3如例2-3图所示铰链四杆机构中，已知mmlBC500，mmlCD350，mmlAD300，AD为机架。

试问：1．若此机构为曲柄摇杆机构，且AB为曲柄，求ABl的最大值；