5自由度機械手建模和運動學分析

王偉 岳陽職業(yè)技術學院機電工程系

5自由度機械手建模和運動學分析

王偉 岳陽職業(yè)技術學院機電工程系

本文介紹了一種基于Pro/E建模的5自由度搬運機械手，并采用D-H法對運動學進行分析，驗證了這種機械手設計的可行性。

機械手 建模 運動學分析

1 引言

現(xiàn)代工業(yè)技術的飛速發(fā)展，在以降低產(chǎn)品成本、提高加工精度和減輕人工勞動強度為目標的境況下，機械手廣泛應用現(xiàn)代工業(yè)、生產(chǎn)、醫(yī)療業(yè)以及輸送等領域，開始成為現(xiàn)代生產(chǎn)與科技應用相結(jié)合形成的一個重要產(chǎn)物而備受人們青睞。但截至2015年數(shù)據(jù)統(tǒng)計，中國機械手運用增長率還沒有達到亞洲國家的8%，遠低于其他工業(yè)大國，反映出中國制造業(yè)和自動化水平還有很大提升空間。對于結(jié)構(gòu)簡單、功能強大、成本低廉的5自由度機械手有著巨大發(fā)展?jié)摿Α?/p>

基于5自由度機械手結(jié)構(gòu)簡單、精確度高、適用行強等特點而運用于工業(yè)中的各大領域，對企業(yè)改善了工人勞動條件，也提高了勞動效率。但在實際工程應用中，機械手的構(gòu)型設計和運動控制是極其重要的。針對工作環(huán)境、對象、過程的不同，算法也就不同。所以研究一種基礎型的5自由度機械手很有必要。本文基于Pro/E設計了一種5自由度的搬運機械手，利用氣缸為動力，控制機械爪的開閉，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。

2 機械手的三維建模設計

2.1 Pro/E軟件簡介

Pro/E是美國參數(shù)技術公司（PTC)旗下的一款集CAD、CAM和CAE為一體的三維設計軟件。軟件以參數(shù)化著稱，能夠進行零件設計、模具開發(fā)、產(chǎn)品裝配、加工制造、鑄造件設計、運動仿真、逆向工程、機構(gòu)分析、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等。在目前的三維造型軟件領域中占有著重要地位，特別是在國內(nèi)產(chǎn)品設計領域中。本文將以Pro/E 5.0為設計平臺，通過零件設計、裝配模型、運動分析等進行機械手的設計。

2.2 建模與裝配

機械手是由基座、底板、腰關節(jié)、肩部、大臂、小臂、手腕套筒等零部件組成，通過腰部關節(jié)、大臂俯仰關節(jié)、小臂俯仰關節(jié)、手腕旋轉(zhuǎn)關節(jié)等實現(xiàn)5自由度。整個建模過程包括所有零部件的三維建模以及虛擬樣機的裝配。機械手建模采用自底向上的方式，首先根據(jù)相關零部件的結(jié)構(gòu)和尺寸建立起三維模型，再利用Pro/E平臺按照各零部件之間的裝配以及約束關系組建裝配模型，最后建立虛擬樣機。我們簡要說明實體建模的方法：

（1）啟動Pro/E軟件平臺，進入零件設計模式，設置工作目錄，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)建的基體上進行特征完善和修改；

（4）設計按要求完成后退出，否則繼續(xù)進行修改和添加特征；

所有零部件設計完成后，依據(jù)整體機構(gòu)要求及約束關系進行裝配，消除裝配干涉，干涉檢查無干涉后完成整體模型。

3 機械手的運動學分析

3.1 連桿坐標系的建立

對于五自由度機械手的運動分析，我們采用A矩陣及D-H法來建立坐標系。首先假設由5個連桿和5個關節(jié)形成機械手的5個自由度，依據(jù)兩端關節(jié)軸線固定的幾何關系來建立好各個關節(jié)的坐標系。絕對坐標系O0X0Y0Z0固定在基座O0上，將其原點平移至O1。

3.2 參數(shù)和矩陣分析

建立好各個關節(jié)的坐標系后，就可以確定連桿的參數(shù)，連桿的4個參數(shù)中僅θ為關節(jié)變量，其他3個不變，確定連桿參數(shù)，就可以推導運動學方程，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依次可進行求解。

4 結(jié)語

本文通過Pro/E平臺進行了機械手的零件設計和產(chǎn)品裝配，并建立了本機械手模型。對于建模后的機械手進行控制，我們采用D-H法進行簡要的運動學分析，包括連桿坐標系的建立、連桿參數(shù)的分析和矩陣相關計算，整個分析結(jié)果和預期設計效果相符，驗證了該機械手的設計的可行性，這種簡易的5自由度搬運機械手設計有著較好的發(fā)展前景。

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