缸套類產品自動生產線的上下料機械手運動學設計

喻步賢，王程民

（淮安信息職業技術學院，江蘇 淮安 223003）

0 引言

機械手是在自動化生產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、自動化生產過程中發展起來的一種新型裝置[1]。其發展已有近40年的歷史，已成為當今主導技術之一[2]。發動機缸套生產是一種典型的傳統機加工。在缸套精車過程中，上下料等輔助工作時間占據很大的比例，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效率，提高國內企業在國際市場上的競爭力。本文根據某缸套企業生產的需要，為組合機床生產線設計了一套自動裝卸工件的機械手，它采用圓柱坐標型的運動形式，功能原理先進，動作可靠，結構合理，安全經濟，滿足生產要求。

1 機械手結構設計[3]

設計目的是利用機械手完成缸套生產線上數控機床的自動上下料工作。上下料機械手臂是在圓柱坐標型機器人的基礎上又添加了一個基座的移動副，以及機械手腕關節的轉動副。因此，該機械手臂具有三個直線方向的運動，以及兩個旋轉運動，共五個自由度。圖1 為自動上下料機械手機構簡圖，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 機械手運動學模型[4]

2.1 機械手各關節分析

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

圖3 機械手臂參考坐標系Fig.3 Reference coordinate system of Manipulator

2.2 建立各關節DH 坐標系

以機械手在滑道的初始位置為原點，建立基坐標系{0}，并根據機械手的工作空間及運動特性，相應的建立起各關節的工作坐標系{1}～{5}。圖3即為該手臂的參考坐標系。其中，坐標系{i}設置于i+1 號關節上，并固結在i 連桿上，坐標系{i}與連桿i 無相對運動。而在本機械手工作坐標系中，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，建立坐標系{5}。

2.3 各連桿的連桿參數

表1 中，各旋轉角度以逆時針為正，d2，a5分別為旋轉基座高度及腕關節到夾持中心的軸向距離，為結構參數。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）由上述所建的坐標系和連桿參數，列出各關節間的D-H 矩陣：

（2）得出最終D-H 矩陣，即機械手與基坐標系{0}的位姿。根據機器人運動學求解方法，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系{5}對基坐標{0}的位姿，是機械手運動分析和綜合的基礎。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節速度

（1）機械手雅可比矩陣的求解。本機械手有5 個關節，其中1、3、4 關節為移動關節，2、5 關節為轉動關節。對應的變換矩陣為1T5，對于移動關節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。以距離坐標系{5}原點dp為機械手臂左夾持器中心，即被夾持缸套質心P 點為例，求P 點的速度

即得出機械手末端執行機構相對于基坐標系{0}的速度方程。

5 總結

本文根據某缸套企業生產的需要，為組合機床生產線設計了一套自動裝卸工件的機械手，它采用圓柱坐標型的運動形式，功能原理先進，動作可靠，結構合理，安全經濟，滿足生產要求。在建立上下料機械手各桿件的D—H 坐標的基礎上，構建了五自由度機械手的運動學模型，實現了笛卡爾坐標空間到關節空間的運動變換，通過運動學方程求解得到了正向運動學解，確定了機械手雅克比矩陣和關節速度。

[1] 蔡自興.機器人學[M].北京：清華大學出版社，2000.

[2] 胡旭蘭. 生產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計及其運動分析[J].機電產品開發與創新，2010,1.

[4] 王愛東，喬蘭柱.關于工業機器人運動學中建立坐標轉換矩陣的討論[J].河北工業科技，2002，4.

[5] 尤波，張永軍，畢克新.PUMA560 型機器人逆運動學問題的解析解[D].哈爾濱科學技術大學學報，1994.