廖益豐，唐小鳳，林偉龍，梁忠文

（柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州545616）

0 前言

制造業(yè)一直是國(guó)家發(fā)展程度的標(biāo)志之一，世界上任何一個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家都是制造強(qiáng)國(guó)，中國(guó)為了實(shí)現(xiàn)自己的中國(guó)夢(mèng)，也必須向制造強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)，如今，世界已經(jīng)開(kāi)啟了邁向工業(yè)4.0的步伐，然而要達(dá)到工業(yè)4.0就必須實(shí)現(xiàn)智能制造，這當(dāng)然離不開(kāi)機(jī)械手的研究，洪琳[1]等人設(shè)計(jì)了一種多工位送料機(jī)械手機(jī)構(gòu)并對(duì)其進(jìn)行了電機(jī)同步控制研究；徐佳偉[2]對(duì)一種龍門(mén)架吸盤(pán)機(jī)械手進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析；趙維超[3]等對(duì)一種人體頸肩按摩機(jī)械手進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究；廖益豐[4]等人設(shè)計(jì)了一種可重構(gòu)可展機(jī)械手機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)具有多種運(yùn)動(dòng)性能并能靈活轉(zhuǎn)換，具有良好的應(yīng)用前景。

運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題是機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，本文對(duì)文獻(xiàn)[4]的機(jī)械手機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，分析其各構(gòu)態(tài)的自由度、位置和速度曲線，為其日后應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

1 機(jī)械手機(jī)構(gòu)各構(gòu)態(tài)的自由度計(jì)算

文獻(xiàn)[4]所設(shè)計(jì)的機(jī)械手機(jī)構(gòu)具有五個(gè)構(gòu)態(tài)，其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 構(gòu)態(tài)簡(jiǎn)圖

圖中L1為文獻(xiàn)[4]中主連桿和第五連接桿構(gòu)成了伸縮桿的長(zhǎng)度；L2為第六連接桿的長(zhǎng)度；L3為主連桿和第二連接桿構(gòu)成了伸縮桿的長(zhǎng)度；L4為第四連桿的長(zhǎng)度；L5為第三連桿的長(zhǎng)度；L1′為主連桿長(zhǎng)滑槽端的長(zhǎng)度；L1″為第五連桿長(zhǎng)度；L3′為主連桿短滑槽端的長(zhǎng)度；L3″為第二連桿的長(zhǎng)度；L6為圖1（d）圖中虛線的長(zhǎng)度。

根據(jù)自由度計(jì)算公式CGK公式形式如下：

其中：d為機(jī)構(gòu)階數(shù)；n為構(gòu)件數(shù)；g為運(yùn)動(dòng)副數(shù)；fi為第i個(gè)運(yùn)動(dòng)副自由度數(shù)；ν為冗余約束數(shù)；ζ為局部自由度數(shù)。

根據(jù)公式（1）計(jì)算得到：

第一構(gòu)態(tài)自由度為：

2 位置與速度分析

取第一構(gòu)態(tài)與第四構(gòu)態(tài)為例，對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行位置與速度分析。

當(dāng)該機(jī)械手機(jī)構(gòu)處于第一構(gòu)態(tài)時(shí)，其最適合的工作點(diǎn)如圖1中（a）圖中的A1點(diǎn)，其位置坐標(biāo)為：

其中：Lmin為主連桿和第五連接桿構(gòu)成了伸縮桿的最小長(zhǎng)度；h為主連桿和第五連接桿構(gòu)成了伸縮桿的伸長(zhǎng)量；θ1為主連桿與底座之間的轉(zhuǎn)角；θ2為第五連桿與第六連桿之間的轉(zhuǎn)角。

第一構(gòu)態(tài)的速度方程為：

當(dāng)該機(jī)械手機(jī)構(gòu)處于第四構(gòu)態(tài)時(shí)，其最適合的工作點(diǎn)如圖1中（d）圖中的A2點(diǎn)，其位置坐標(biāo)為：

其中：θ3為主連桿與L6之間的轉(zhuǎn)角；θ4為第四連桿與L6之間的轉(zhuǎn)角。

第四構(gòu)態(tài)的速度方程為：

3 數(shù)值仿真

取Lmin=140 mm，h的變化范圍為0～60 mm，L3′=80 mm，L6=10 mm，L4=60 mm，θ1轉(zhuǎn)角變化范圍為轉(zhuǎn)角變化范圍為和 θ4轉(zhuǎn)角變化范圍均為，在matlab中進(jìn)行仿真，得到A1點(diǎn)和A2點(diǎn)的位置與速度曲線如圖2所示。

圖2 位置與速度仿真曲線

從曲線中可以看出，第一構(gòu)態(tài)工作端的工作空間比第四構(gòu)態(tài)的大，但速度變化幅度大；第四構(gòu)態(tài)工作空間小，但速度平穩(wěn)。

該機(jī)構(gòu)每個(gè)構(gòu)態(tài)的運(yùn)動(dòng)性能各有特點(diǎn)，具有良好的適應(yīng)性和靈活性。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）為解決可重構(gòu)機(jī)械手機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)這個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，首先采用CGK公式對(duì)其所有構(gòu)態(tài)進(jìn)行了自由度計(jì)算。

（2）其次寫(xiě)出其部分關(guān)鍵構(gòu)態(tài)工作點(diǎn)的位置與速度曲線方程。

（3）對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程進(jìn)行數(shù)值仿真分析。