喻步賢，王程民

（淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 淮安 223003）

0 引言

機械手是在自動化生產(chǎn)過程中使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置，它是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置[1]。其發(fā)展已有近40年的歷史，已成為當(dāng)今主導(dǎo)技術(shù)之一[2]。發(fā)動機缸套生產(chǎn)是一種典型的傳統(tǒng)機加工。在缸套精車過程中，上下料等輔助工作時間占據(jù)很大的比例，研制一種能自動完成上下料工作的輔助裝置，大大提高動機缸套生產(chǎn)效率，提高國內(nèi)企業(yè)在國際市場上的競爭力。本文根據(jù)某缸套企業(yè)生產(chǎn)的需要，為組合機床生產(chǎn)線設(shè)計了一套自動裝卸工件的機械手，它采用圓柱坐標(biāo)型的運動形式，功能原理先進(jìn)，動作可靠，結(jié)構(gòu)合理，安全經(jīng)濟，滿足生產(chǎn)要求。

1 機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計[3]

設(shè)計目的是利用機械手完成缸套生產(chǎn)線上數(shù)控機床的自動上下料工作。上下料機械手臂是在圓柱坐標(biāo)型機器人的基礎(chǔ)上又添加了一個基座的移動副，以及機械手腕關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動副。因此，該機械手臂具有三個直線方向的運動，以及兩個旋轉(zhuǎn)運動，共五個自由度。圖1 為自動上下料機械手機構(gòu)簡圖，圖2 為上下料機械手三維模型圖。

圖1 自動上下料機械手機構(gòu)簡圖Fig.1 Diagram of automatic loading and unloading manipulator

圖2 自動上下料機械手三維模型Fig.2 Dimensional model of Automatic loading and unloading Manipulator

2 機械手運動學(xué)模型[4]

2.1 機械手各關(guān)節(jié)分析

如圖2 所示，將機械手臂的肘關(guān)節(jié)（旋轉(zhuǎn)基座）視為關(guān)節(jié)1，與基座相連且由基座帶動旋轉(zhuǎn)的大臂作為關(guān)節(jié)2，與大臂相連且在大臂上下滑動的移動部件為關(guān)節(jié)3，在移動部件上左右移動的小臂為關(guān)節(jié)4 以及連接在小臂上并繞其旋轉(zhuǎn)的腕關(guān)節(jié)為關(guān)節(jié)5。

圖3 機械手臂參考坐標(biāo)系Fig.3 Reference coordinate system of Manipulator

2.2 建立各關(guān)節(jié)DH 坐標(biāo)系

以機械手在滑道的初始位置為原點，建立基坐標(biāo)系{0}，并根據(jù)機械手的工作空間及運動特性，相應(yīng)的建立起各關(guān)節(jié)的工作坐標(biāo)系{1}～{5}。圖3即為該手臂的參考坐標(biāo)系。其中，坐標(biāo)系{i}設(shè)置于i+1 號關(guān)節(jié)上，并固結(jié)在i 連桿上，坐標(biāo)系{i}與連桿i 無相對運動。而在本機械手工作坐標(biāo)系中，為簡化末端夾持器的位姿表示，特將兩夾持器的夾持中心間的中點作為原點，建立坐標(biāo)系{5}。

2.3 各連桿的連桿參數(shù)

表1 中，各旋轉(zhuǎn)角度以逆時針為正，d2，a5分別為旋轉(zhuǎn)基座高度及腕關(guān)節(jié)到夾持中心的軸向距離，為結(jié)構(gòu)參數(shù)。a1，θ2，d3，a4，α5，a5皆為運動變量。θ，β，α 分別為繞z，y，x 軸的旋轉(zhuǎn)角；d，l，a 分別為在z，y，x 軸方向偏移距離。

表1 各連桿參數(shù)表Tab.1 Parameter table of each link)

3 自動上下料機械手臂的運動方程求解[5]

（1）由上述所建的坐標(biāo)系和連桿參數(shù)，列出各關(guān)節(jié)間的D-H 矩陣：

（2）得出最終D-H 矩陣，即機械手與基坐標(biāo)系{0}的位姿。根據(jù)機器人運動學(xué)求解方法，可得出夾持器最終位姿：

其中：2T5=2T33T5；3T5=3T44T5；1T3=1T22T3；1T5=1T33T5

上式中，0T5表示機械臂的變換矩陣，描述了末端連桿坐標(biāo)系{5}對基坐標(biāo){0}的位姿，是機械手運動分析和綜合的基礎(chǔ)。為校核所得0T5的正確性，計 算θ2=90°，α5=-90°時，手臂的變換矩陣0T5的值。計算結(jié)果為：

與圖4 所示情況完全一致。

4 自動上下料機械手臂雅可比矩陣及各關(guān)節(jié)速度

（1）機械手雅可比矩陣的求解。本機械手有5 個關(guān)節(jié)，其中1、3、4 關(guān)節(jié)為移動關(guān)節(jié)，2、5 關(guān)節(jié)為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。對應(yīng)的變換矩陣為1T5，對于移動關(guān)節(jié)1 有：

由所列出的各連桿變換矩陣1T1，1T2，…4T5，可以計算出各中間項，然后求出的各列，即從而求得機械手雅可比矩陣即：

（2）機械手的速度計算。以距離坐標(biāo)系{5}原點dp為機械手臂左夾持器中心，即被夾持缸套質(zhì)心P 點為例，求P 點的速度

即得出機械手末端執(zhí)行機構(gòu)相對于基坐標(biāo)系{0}的速度方程。

5 總結(jié)

本文根據(jù)某缸套企業(yè)生產(chǎn)的需要，為組合機床生產(chǎn)線設(shè)計了一套自動裝卸工件的機械手，它采用圓柱坐標(biāo)型的運動形式，功能原理先進(jìn)，動作可靠，結(jié)構(gòu)合理，安全經(jīng)濟，滿足生產(chǎn)要求。在建立上下料機械手各桿件的D—H 坐標(biāo)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了五自由度機械手的運動學(xué)模型，實現(xiàn)了笛卡爾坐標(biāo)空間到關(guān)節(jié)空間的運動變換，通過運動學(xué)方程求解得到了正向運動學(xué)解，確定了機械手雅克比矩陣和關(guān)節(jié)速度。

[1] 蔡自興.機器人學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2000.

[2] 胡旭蘭. 生產(chǎn)線組合機床自動上下料機械手[J]. 機械制造，2005，7.

[3] 李曉旭，王玉林.自動供料機械手的設(shè)計及其運動分析[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2010,1.

[4] 王愛東，喬蘭柱.關(guān)于工業(yè)機器人運動學(xué)中建立坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣的討論[J].河北工業(yè)科技，2002，4.

[5] 尤波，張永軍，畢克新.PUMA560 型機器人逆運動學(xué)問題的解析解[D].哈爾濱科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報，1994.