王偉 岳陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系

5自由度機(jī)械手建模和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

王偉 岳陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系

本文介紹了一種基于Pro/E建模的5自由度搬運(yùn)機(jī)械手，并采用D-H法對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行分析，驗(yàn)證了這種機(jī)械手設(shè)計(jì)的可行性。

機(jī)械手 建模 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

1 引言

現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，在以降低產(chǎn)品成本、提高加工精度和減輕人工勞動(dòng)強(qiáng)度為目標(biāo)的境況下，機(jī)械手廣泛應(yīng)用現(xiàn)代工業(yè)、生產(chǎn)、醫(yī)療業(yè)以及輸送等領(lǐng)域，開(kāi)始成為現(xiàn)代生產(chǎn)與科技應(yīng)用相結(jié)合形成的一個(gè)重要產(chǎn)物而備受人們青睞。但截至2015年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)機(jī)械手運(yùn)用增長(zhǎng)率還沒(méi)有達(dá)到亞洲國(guó)家的8%，遠(yuǎn)低于其他工業(yè)大國(guó)，反映出中國(guó)制造業(yè)和自動(dòng)化水平還有很大提升空間。對(duì)于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大、成本低廉的5自由度機(jī)械手有著巨大發(fā)展?jié)摿Α?/p>

基于5自由度機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精確度高、適用行強(qiáng)等特點(diǎn)而運(yùn)用于工業(yè)中的各大領(lǐng)域，對(duì)企業(yè)改善了工人勞動(dòng)條件，也提高了勞動(dòng)效率。但在實(shí)際工程應(yīng)用中，機(jī)械手的構(gòu)型設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)控制是極其重要的。針對(duì)工作環(huán)境、對(duì)象、過(guò)程的不同，算法也就不同。所以研究一種基礎(chǔ)型的5自由度機(jī)械手很有必要。本文基于Pro/E設(shè)計(jì)了一種5自由度的搬運(yùn)機(jī)械手，利用氣缸為動(dòng)力，控制機(jī)械爪的開(kāi)閉，依據(jù)程序執(zhí)行人手的抓握功能，完成物件的抓取和搬運(yùn)。

2 機(jī)械手的三維建模設(shè)計(jì)

2.1 Pro/E軟件簡(jiǎn)介

Pro/E是美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司（PTC)旗下的一款集CAD、CAM和CAE為一體的三維設(shè)計(jì)軟件。軟件以參數(shù)化著稱，能夠進(jìn)行零件設(shè)計(jì)、模具開(kāi)發(fā)、產(chǎn)品裝配、加工制造、鑄造件設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)仿真、逆向工程、機(jī)構(gòu)分析、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等。在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位，特別是在國(guó)內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域中。本文將以Pro/E 5.0為設(shè)計(jì)平臺(tái)，通過(guò)零件設(shè)計(jì)、裝配模型、運(yùn)動(dòng)分析等進(jìn)行機(jī)械手的設(shè)計(jì)。

2.2 建模與裝配

機(jī)械手是由基座、底板、腰關(guān)節(jié)、肩部、大臂、小臂、手腕套筒等零部件組成，通過(guò)腰部關(guān)節(jié)、大臂俯仰關(guān)節(jié)、小臂俯仰關(guān)節(jié)、手腕旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)等實(shí)現(xiàn)5自由度。整個(gè)建模過(guò)程包括所有零部件的三維建模以及虛擬樣機(jī)的裝配。機(jī)械手建模采用自底向上的方式，首先根據(jù)相關(guān)零部件的結(jié)構(gòu)和尺寸建立起三維模型，再利用Pro/E平臺(tái)按照各零部件之間的裝配以及約束關(guān)系組建裝配模型，最后建立虛擬樣機(jī)。我們簡(jiǎn)要說(shuō)明實(shí)體建模的方法：

（1）啟動(dòng)Pro/E軟件平臺(tái)，進(jìn)入零件設(shè)計(jì)模式，設(shè)置工作目錄，建立新零件并命名；

（2）分析和確定零件特征并創(chuàng)建順序，點(diǎn)擊菜單，選擇積木式特征命令，創(chuàng)建基體特征；

（3）在創(chuàng)建的基體上進(jìn)行特征完善和修改；

（4）設(shè)計(jì)按要求完成后退出，否則繼續(xù)進(jìn)行修改和添加特征；

所有零部件設(shè)計(jì)完成后，依據(jù)整體機(jī)構(gòu)要求及約束關(guān)系進(jìn)行裝配，消除裝配干涉，干涉檢查無(wú)干涉后完成整體模型。

3 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

3.1 連桿坐標(biāo)系的建立

對(duì)于五自由度機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)分析，我們采用A矩陣及D-H法來(lái)建立坐標(biāo)系。首先假設(shè)由5個(gè)連桿和5個(gè)關(guān)節(jié)形成機(jī)械手的5個(gè)自由度，依據(jù)兩端關(guān)節(jié)軸線固定的幾何關(guān)系來(lái)建立好各個(gè)關(guān)節(jié)的坐標(biāo)系。絕對(duì)坐標(biāo)系O0X0Y0Z0固定在基座O0上，將其原點(diǎn)平移至O1。

3.2 參數(shù)和矩陣分析

建立好各個(gè)關(guān)節(jié)的坐標(biāo)系后，就可以確定連桿的參數(shù)，連桿的4個(gè)參數(shù)中僅θ為關(guān)節(jié)變量，其他3個(gè)不變，確定連桿參數(shù)，就可以推導(dǎo)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，連桿參數(shù)表如表1所示。

利用齊次變換求解，得到A1矩陣：

A2-A5依次可進(jìn)行求解。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)Pro/E平臺(tái)進(jìn)行了機(jī)械手的零件設(shè)計(jì)和產(chǎn)品裝配，并建立了本機(jī)械手模型。對(duì)于建模后的機(jī)械手進(jìn)行控制，我們采用D-H法進(jìn)行簡(jiǎn)要的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，包括連桿坐標(biāo)系的建立、連桿參數(shù)的分析和矩陣相關(guān)計(jì)算，整個(gè)分析結(jié)果和預(yù)期設(shè)計(jì)效果相符，驗(yàn)證了該機(jī)械手的設(shè)計(jì)的可行性，這種簡(jiǎn)易的5自由度搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)有著較好的發(fā)展前景。

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