5R關節型機械手運動學性能分析及其仿真的研究

田 方，牟昌進

(沈陽工業大學機械工程學院，遼寧 沈陽110178)

5R關節型機械手運動學性能分析及其仿真的研究

田 方，牟昌進

(沈陽工業大學機械工程學院，遼寧 沈陽110178)

根據生產線的實際要求，對5R機械手運動學性能進行探究，并通過solidworks建立模型并用adams進行仿真，在不同軌跡下得出機械手的運動學特性，然后對比分析數據，為關節機械手以后的運動學分析提供理論依據。

5R機械手；運動學分析；仿真

0 前言

機械手在很多生產實際中有廣泛的應用，既可代替人的繁重勞動以實現生產的機械化和自動化，也能在有害環境下操作以保護人身安全[1]。本文根據實際的生產情況、數控車床、機械手、加工工件的布局，確定機械手末端手爪的運動軌跡。根據軌跡運用D-H法對機械手系統進行運動學分析[2]。

1 5R機械手布局圖及其坐標系建立

根據圖1所示機械手、工件、數控車床的布局，得出機械手末端軌跡[3]。在機械手各個活動關節建立坐標系，該機械手有5個活動關節，建立6個坐標系。有一個基本坐標系。如圖2所示。

圖1 機械手、工件、數控機床布局圖

圖2 5R機械手關節坐標系

圖2中l1、l2、l3分別為連桿1、連桿2和連桿3的長度，θi為zi繞旋轉時xi到xi-1測量的角度見表1[4]。

表1 5R機械手參數

2 5R機械手運動學模型建立及求解

2.1 機械手坐標矩陣變換

連桿1相對于基座的矩陣為

連桿2相對于連桿1的矩陣為

連桿3相對于連桿2的矩陣為

連桿4相對于連桿3的矩陣為

連桿5相對于連桿4的矩陣為

末端操作器相對于基座的矩陣變換為[6]

其中，Ci=cosθi,Si=sinθi,i=1～5，θ1～θ5和L1～L3是8個未知變量。

2.2 機械手的運動學逆解

其運動學方程為[8]

(1)

即左邊第一列=右邊第一列

左邊第二列=右邊第二列

左邊第三列=右邊第三列

左邊第四列=右邊第四列

-dxs1+dyc1=0

由上面的展開式可知

(1)求θ1。

(2)

(3)

將方程組(3)做平方和得

(4)

由此可以解出

(5)

將(5)代入(4)得

(6)

(2)求θ3。

(7)

由代數轉換可以求出。

(3)求θ2。

θ2=arc

(8)

由此可以得出

(5)求θ5。

(10)

3 5R機械手運動學仿真

本文先通過Solidworks建模[9]，然后導入到ADAMS環境中，對模型添加約束。假設l1=2 000 mm，l1=2 600 mm，l1=2 500 mm。通過對5R關節機械手的運動學仿真分析研究得出關節型機械手運動性能[10]。

3.1 不同條件下運動學特性的探究

設定一個相同的目標下機械手兩種不同軌跡A、B。A軌跡中機械手各轉角按二次函數變化，B軌跡按三次函數變化。A、B兩種軌跡下末端機械手的角速度、角加速度的變化曲線如圖3、圖4所示。

圖3 A軌跡角速度、角加速度變化曲線

圖3 圖4 B軌跡下角速度角加速度變化曲線

對比圖3、圖4得出，相同目標下軌跡不同機械手的運動學特性差別很大。

(1)Z軸加速度基本為0，說明Z軸的速度加速度變化不大。

(2)A軌跡下機械手加速度、速度變化速度比B快。

4 結論

(1)通過對A、B兩種軌跡運動特性圖像的分析，可以得出B軌跡運動平穩，相同的目標下，B更能接近目標。

(2)本機構的運動學分析與研究為其他關節機械手的運動學研究提供了參考借鑒。參考文獻：

[1] 劉興. 5R關節型機械手動力性能分析及其仿真的研究[J].機電工程技術，2014(11): 24-28.

[2] Ke Tao, Yuanyuan Zhang.The Mechanism Analysis and Trajectory of 5R Joint Manipulator [J]. Applied Mechanics and Materials, 2012, 220(10):1744-1747.

[3] 張媛媛．5R關節型機械手機構分析與控制仿真的研究[D]．沈陽：沈陽工業大學，2012．

[4] 李慶齡，趙永生．六自由度工業機器人動力學分析與仿真[J]．上海電機學院學報，2008，11(7)：275-278.

[5] 郭洪紅．工業機器人技術[M]．西安：西安電子科技大學出版社，2006.

[6] 陳婷婷．4R多關節輪轂加工上下料機械手的運動分析與研究[D]．沈陽：沈陽工業大學，2012.

[7] 倪雪微．7R機械手運動分析的遞推算法[D]．長春：長春理工大學，2010.

[8] 段齊駿，黃德耕，李士丹．機器人工作空間與包絡空間的圖解法[J]．南京理工大學學報，1996，20(4)：318-322.

[9] 孫亮，馬江．六自由度機械臂軌跡規劃與仿真研究[J]．控制工程，2010，17(3)：288-292.

[10]王濤．基于蟻群算法的機器人路徑規劃及其仿真系統研究[D]．西安：西安科技大學，2009.

Kinematic analysis and simulation of 5r multi-joint manipulator

TIAN Fang ，MU Chang-jin

(School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology， Shenyang 110178，China)

According to the actual needs of production line，the kinematics performance of 5R multi-joint manipulator structure parameter is explored. The 5R manipulator model is built by Solidworks and is simulated by Adams，kinematic characteristics of the manipulator are obtained under the different trajectories. Finally, the paper provides the theoretical basis for kinematic analysis of the joint manipulator by analyzing the curves.

5R manipulator；kinematics analysis；simulation

2016-11-15；

2016-12-09

田 方(1962-),女,沈陽工業大學，教授，主要從事機械設計及理論方向的研究。

TH17

A

1001-196X(2017)02-0080-04