【文章內(nèi)容簡介】 級組外，還有 III 級、 IV級等高級的基本桿組，表 21 中給出了兩種 III級桿組和一種 IV 級桿組，它們都是由 4 個桿件和 6 個低副組成的 表 21 II 級及部分 III、 IV級基本桿組結(jié)構(gòu)型式 機構(gòu)運動分析 11 桿組中含有構(gòu)件及運動副數(shù) 桿 組 型 式 N=2 P=3 二桿三副 （ II 級桿組） (1)RRR (2)RRP (3)RPR (4)PRP (5)RPP N=4P=6 四桿六副 （部分級桿組） (1)III 級桿組 (2)IV 級桿組 機構(gòu)簡圖 1 DCL 對話框 對話框是操作者與計算機對話的工具，所以是必不可少的，我們的對話框是使用 DCL 語句所編寫的，在其上可以選擇所要的機構(gòu)，其界面如 圖 21。 機構(gòu)運動分析 12 圖 21 DCL 對話框 2 常見機構(gòu)及運動曲線圖 機構(gòu)記過演示能夠得到許多有用的信息，如主要構(gòu)件的位移，速度，加速度等。我們能從這些數(shù)據(jù)中得到機構(gòu)的運動形態(tài)和方式，下面為經(jīng)過演示所得的圖形，在這些圖形中我們可以看到機構(gòu)的形態(tài)，主要構(gòu)件的運動形態(tài)等。 主要有以下幾 種結(jié)構(gòu)形式： 圖 22 為四桿機構(gòu)及模擬運動曲線，用戶通在 AutoCAD 環(huán)境下，通過人機交互輸入方式畫好機構(gòu)并調(diào)用程序后，程序自動生成的機構(gòu)簡圖并按運動參數(shù)動態(tài)模擬機構(gòu)運動及是根據(jù)機構(gòu)運動繪制的搖桿位移 s，速度 v 和加速度 a 在轉(zhuǎn)動一個周期 ? ?2? 內(nèi)的化規(guī)律 。 圖 22 四桿機構(gòu)運動曲線圖 圖 23為 四桿滑塊 機構(gòu)及其模擬運動結(jié)果機構(gòu)的運動特性主要反映搖桿的位移 s，速度 v 和加速度 a 的變化，調(diào)整幾何參數(shù)，可獲得不同的運動特性。 機構(gòu)運動分析 13 圖 23 四桿滑塊機構(gòu)的運動曲線圖 圖 24 拉包機構(gòu)的運動曲線圖 基于 MatlabAutoCAD 下的機械臂仿真 14 第三章 基于 LispAuto CAD 下的機構(gòu)運動實例 平面機構(gòu)運動分析 1 運動分析的目的 機構(gòu)的運動分析，就是根據(jù)給定的原動件運動規(guī)律，求出機構(gòu)中其它構(gòu)件的運動，即求出各構(gòu)件的位置、速度、加速度，或角位置、角速度、角加速度等運動參數(shù)。其目的在于研究評價機構(gòu)的運動及動力性能，或求出某些構(gòu)件上特定點的軌跡，以確定機構(gòu)的行程或外形尺寸。 2 程序說明 本程序使用 AutoCAD 的內(nèi)部編程語言 AutoLISP 編程。它的優(yōu)點是 ： 具 有寬松的運行環(huán)境和廣泛的用戶群體；有豐富的應(yīng)用軟件供用戶參考或使用；應(yīng)用軟件可以直接在 AutoCAD 的圖形編輯狀態(tài)下運行。產(chǎn)生符合機械制圖規(guī)范的圖形或圖形文件。 ，各種指令既可以直接鍵入，又可以點菜單。 。當(dāng)需要輸入一個點時，既可直接鍵入點的坐標(biāo)，也可以用光標(biāo)給出位置，還可以利用 AutoCAD 對光標(biāo)的約束功能，捕捉已有實體上的特殊點；當(dāng)需要輸入一個值時，既可直接鍵入一個值，也可通過橡皮筋的長度給出。 3 模擬結(jié)果及分析 (a) (b) 曲柄搖桿機構(gòu)的運動模擬（圖 31） 基于 MatlabAutoCAD 下的機械臂仿真 15 圖 為用戶通在 AutoCAD 環(huán)境下，通過人機交互輸入方式輸入鉸鏈點 A，B， C， D 位置坐標(biāo)后，程序自動生成的機構(gòu)簡圖并按運動參數(shù)動態(tài)模擬機構(gòu)運動。圖 (b)是根據(jù)機構(gòu)運動繪制的搖桿 3 的擺角 ψ、角速度 3? 、角加速度 3? 以及傳動角 ? 隨曲柄 ? 轉(zhuǎn)動一個周期（ 2π）的變化規(guī)律。 從模擬結(jié)果可以得到以下結(jié)論 ： （ 1）： ψ 曲線最大 max? 值反映搖桿的擺動范圍；對應(yīng)的橫坐標(biāo)可以確定曲柄的極位夾角 ? 和機構(gòu)的行程速比系數(shù) k ≈。 （ 2）： 在 ????曲線中傳動角的變化幅度為 （ 128176?！?58176。） ，通過多方案優(yōu)化，可以改變搖桿工作行程的平均傳動角水平，有利于機構(gòu)的動力特性。 （ 3）： 機構(gòu)的運動特性主要反映搖桿的角速度 3? 、角加速度 3? 變化，通過調(diào)整幾何參數(shù)，可獲得不同的運動特性。 典型機構(gòu)運動仿真實例 1 曲柄搖桿機構(gòu)的運動仿真實例 機構(gòu)通過演示能夠得到許多有用的信息，如主要構(gòu)件的位移，速度，加速度曲線等。我們能從這些數(shù)據(jù)中得到機構(gòu)的運動形態(tài)和方式，下面為經(jīng)過演示所得的圖形，在這些圖形中我們可以看到機構(gòu)的形態(tài)，主要構(gòu)件的運動形態(tài)等。 圖 32 為用戶通在 AutoCAD 環(huán)境下，通過人機交互輸入方式畫好機構(gòu)并調(diào)用程序后，程序自動生成的機構(gòu)簡圖并按運動參數(shù)動態(tài)模擬機構(gòu)運動及是根據(jù)機 構(gòu)運動繪制的搖桿位移 s，速度 v 和加速度 a 在轉(zhuǎn)動一個周期 （ 2π） 內(nèi)的化規(guī)律。 圖 32 四桿機構(gòu)及模擬運動曲線 機構(gòu)的運動特性主要反映搖桿的位移 s，速度 v 和加速度 a 的變化，過調(diào)基于 MatlabAutoCAD 下的機械臂仿真 16 整幾何參數(shù)，可獲得不同的運動特性。 上例的四桿機構(gòu)具有較平穩(wěn)的運動特性，急回特性不明顯。 2 鉸鏈－滑塊機構(gòu)的運動仿真實例 圖 33 為鉸鏈－滑塊機構(gòu)及其模擬運動結(jié)果， 滑塊 C 為運動輸出構(gòu)件。機構(gòu)的運動特性主要反映搖桿的位移 s，速度 v 和加速度 a 的變化，過調(diào)整幾何參數(shù)，可獲得不同的運動特性。 圖 33 鉸鏈－滑塊機構(gòu)及其模擬 運動曲線 基于 MatlabAutoCAD 下的機械臂仿真 17 第四章 基于 MatlabAuto CAD 下的機械臂仿真 機器人介紹 機器人技術(shù)作為 20 世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一，自 60 年代初問世以來，經(jīng)歷 40 年的發(fā)展已取得長足的進(jìn)步。工業(yè)機器人在經(jīng)歷了誕生 —— 成長 —— 成熟期后，已成為制造業(yè)中不可少的核心裝備，世界上有約 75 萬臺工業(yè)機器人正與工人朋友并肩戰(zhàn)斗在各條戰(zhàn)線上。特種機器人作為機器人家族的后起之秀，由于其用途廣泛而大有后來居上之勢，仿人形機器人、農(nóng)業(yè)機器人、服務(wù)機器人、水下機器人、醫(yī)療機器人、軍用機器人、娛樂機器 人等各種用途的特種機器人紛紛面世，而且正以飛快的速度向?qū)嵱没~進(jìn)。 1 機器人的概念 當(dāng)人們一提起機器人時，便會想起電影里虛擬的智能化機器人的場景。那么，什么是“機器人”呢？他主要有以下四種特性： ； ； ，并有一定通用和靈活的特點； ，可以獨自完成一些操作。 機器人的應(yīng)用領(lǐng)域 機器人主要應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)的搬用，噴涂，焊接等方面，使我們從繁重的，重復(fù)的，單調(diào)的，有害健 康和危險的生產(chǎn)作業(yè)中解脫出來。如今機器人已逐步進(jìn)入或即將進(jìn)入人們生產(chǎn)和生活的各個領(lǐng)域。如建筑機器人可用來砌墻，抹水泥地面，安裝天花板，搬用玻璃，預(yù)訂件等特殊材料；農(nóng)，林，牧用機器人用于種耕，收割，采果，噴灑農(nóng)藥化肥，擠奶等；水下機器人可用于深海探測，沉船打撈和海洋礦產(chǎn)，漁業(yè)的開發(fā)，建立海上牧場；此外機器人還有大量軍事應(yīng)用，個發(fā)達(dá)國家開發(fā)了許多海，陸，空戰(zhàn)用機器人，以顯示軍事現(xiàn)代化的實力?？梢哉f，在當(dāng)今世界上，機器人的應(yīng)用已無處不在。 3 機器人的發(fā)展及趨勢 基于 MatlabAutoCAD 下的機械臂仿真 18 世界上第一臺機器人于 1954 年誕 生于美國，它體現(xiàn)了現(xiàn)代工業(yè)廣泛應(yīng)用機器人的重要特征。 20 世紀(jì)，人類取得了輝煌的成就，從量子理論、相對論的創(chuàng)立，原子能的應(yīng)用，脫氧核糖核酸雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，到信息技術(shù)的騰飛，人類基因組工作草圖的繪就，世界科技發(fā)生了深刻的變革。信息技術(shù)、生物技術(shù)、新材料技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)、海洋技術(shù)、航空航天技術(shù)等都取得了重大突破，極大地提高了社會生產(chǎn)力。 70 年代中期，有鑒于機器人技術(shù)發(fā)展，經(jīng)濟潛力和日本在工業(yè)機器人方面所取得的成就，美國才意識到問題的緊迫性并多方面采取措施。日本的機器人技術(shù)人員引進(jìn)美國 機器人技術(shù)，經(jīng)過技術(shù)并在日本迅速將其實用化。機器人進(jìn)入工業(yè)生產(chǎn)的實用化時代， 80 年代，工業(yè)機器人進(jìn)入普及時代，汽車，電子等行業(yè)開始大量使用機器人，推動了機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。機器人研究開發(fā)，無論就水平和規(guī)模而言都得到迅速發(fā)展，高性能機器人所占比例不斷增加。 近幾十年來，歐洲的德國，意大利，法國及英國的機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展比較快。目前，世界上機器人無論從技術(shù)水平上，還是從已裝備的數(shù)量上，優(yōu)勢集中在以日美味代表的少數(shù)幾個發(fā)達(dá)的工業(yè)化國家之中。 機器人的技術(shù)發(fā)展，一方面表現(xiàn)在機器人領(lǐng)域的擴大和機器人種類的增多；另已方面表現(xiàn) 在機器人的智能化。 21 世紀(jì)，各種智能化機器人將得到廣泛的應(yīng)用，具有像人的四肢，靈巧的雙手，雙目視覺，力覺感知功能的仿人型智能機器人將被研制成功。 機器人工作原理 一般的說，我們可以定義機器人是由程序控制的，具有人或生物的某些功能，可以代替人進(jìn)行工作的機器。 根據(jù)以上的定義，機器人至少應(yīng)該具備兩部分：控制部分和直接進(jìn)行工作的部分，比如應(yīng)用最廣泛的弧焊機器人，具有控制系統(tǒng)和帶動焊槍運動的機械臂部分，控制系統(tǒng)通過編程的方式，決定直接工作的機械臂部分的運動和任務(wù)，因此，機器是一種具有“柔性”的機器。機器 人具有人或者生物的某些功能，比如能如手臂一樣運動，能在地上行走或者在水中游，高級一點的機器人可以通過傳感器了解外部環(huán)境或者“身體內(nèi)存在的”狀態(tài)與變化，甚至可以做出自己的邏輯推理，判斷與決策，也就是所謂的機器人的智能行為。機器人發(fā)揮作用必須在一個作業(yè)基于 MatlabAutoCAD 下的機械臂仿真 19 系統(tǒng)之中，由于各種不同類型的機器人不斷涌現(xiàn)，他們發(fā)揮作用的形式和組成的系統(tǒng)也在不斷地變化。一個機器人系 統(tǒng)一般由機械手（執(zhí)行機構(gòu)），控制器，作業(yè)對象和環(huán)境四部分組成如 圖 41 所示： 圖 41 機械機構(gòu)一般 是 一臺機械手，有些文獻(xiàn)中稱為操作器活操作手，多說操作手是具有六個自由度的關(guān)節(jié)式機構(gòu)，其中三個自由度用來引導(dǎo)末端執(zhí)行器至所需位置，另外三個自由度用來確定末端執(zhí)行裝置的方向。機械臂上的末端執(zhí)行裝置根據(jù)操作需要也可以換成焊槍、吸盤、扳手等其他工具。環(huán)境是指機器人在執(zhí)行任務(wù)時所能達(dá)到的幾何空間，在它的工作環(huán)境中，機器人會得到為完成任務(wù)所需的支持，在運動空間中，機器人要設(shè)計好合理的運動路線控制器是機器人系統(tǒng)的指揮中樞，并且負(fù)責(zé)信息處理和人交互，它接受來自傳感器的信號，對其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并按照預(yù)存的信息；機器人的狀態(tài)及環(huán)境情況等，產(chǎn)生控制信號去驅(qū)動機器人執(zhí)行機構(gòu)的各個關(guān)節(jié) ，已完成特定的運動。為此控制器內(nèi)必須具有保證它實現(xiàn)其功能所必須的算法與信息。機器系統(tǒng)的復(fù)雜程序不同，能執(zhí)行的任務(wù)不同，控制器內(nèi)所存放的軟件也不同。 機械臂介紹及運動分析 基于 MatlabAutoCAD 下的機械臂仿真 20 機械臂介紹 機械臂定義 機械臂是一種應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)上的一種簡單的操作機構(gòu)；在工作中可以按人們的要求完成一些簡單的預(yù)定的任務(wù) 或 命令； 它 的方便和快捷 性 在建筑業(yè)、農(nóng)業(yè)、制造業(yè)等重要領(lǐng)域上發(fā)揮著重要作用。 機械臂的構(gòu)成 一般的機械臂主要由 固定桿件 、 連接桿件 和 位移 桿及路徑 構(gòu)成 。 具體構(gòu)成 如圖 42 所示： 構(gòu)件 1：固定桿 構(gòu)件 2 和 3：連接桿 構(gòu)件 4： 位移 桿 機械臂的用途 走進(jìn) 21 世紀(jì)，社會步入自動化時代，越來越多的人力勞動被機器 所代替，然而，機械臂的出現(xiàn)為社會的發(fā)展起了巨大的推動的作用。如今機械臂已逐步進(jìn)入或即將進(jìn)入人們生產(chǎn)和生活的各個領(lǐng)域。如建筑機械臂可用來砌墻，抹水泥地面，安裝天花板，搬用玻璃，預(yù)訂件等特殊材料；農(nóng)，林，牧用機器人用于種耕，收割，采果，噴灑農(nóng)藥化肥，擠奶等；水下機器人可用于深海探測，沉船打撈和海洋礦產(chǎn)，漁業(yè)的開發(fā)，建立海上牧場；此外機械臂還有大量軍事應(yīng)用，個發(fā)達(dá)國家開發(fā) 了許多海，陸，空戰(zhàn)用機器人，以顯示軍事現(xiàn)代化的實力?？梢哉f，在當(dāng)今世界上，機械臂的應(yīng)用已無處不在。 圖 42 機械臂的基本構(gòu)成 基于 MatlabAutoCAD 下的機械臂仿真 21 機械臂的基本原理 矩陣變換 對矩陣進(jìn)行一下 3 種變換，稱之為矩陣初等變換。 （ 1） 交換矩陣的兩行或兩列； （ 2） 以一個非零的數(shù) K 乘矩陣的某一行或某一列； （ 3） 把矩陣的某一行（列）的 l 倍加于另一行（列）上。 設(shè) ()m n ij m nAa??? （ 1）、對 A 進(jìn)行某種初等變換得到的矩陣，等于用相應(yīng)的 m 階初等矩陣左乘 A （ 2）、對 A 進(jìn)行某種初等變換得到的矩陣，等于用相