5自由度機(jī)械手實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

肖國(guó)紅

摘要：針對(duì)開發(fā)出的一種基于PLC控制的5自由度機(jī)械手實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，可以得到各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)與機(jī)械手末端的手爪位姿之間的數(shù)學(xué)模型，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的準(zhǔn)確抓取。對(duì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，不僅可以在實(shí)驗(yàn)中演示各種狀態(tài)下的抓取動(dòng)作，而且使學(xué)生掌握機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)的分析方法。

Abstract： The kinematics analysis of a 5-DOF manipulator experimental platform based on PLC control is carried out. Through the kinematics analysis， the mathematical model between the motion parameters of each joint and the position & posture of the end of the manipulator can be obtained， so as to grasp the workpiece accurately. Upon the kinematics analysis of manipulator， it can not only demonstrate the grasping action in various states in the experiment， but also make students master the analysis method of manipulator kinematics.

關(guān)鍵詞：5自由度機(jī)械手;實(shí)驗(yàn)平臺(tái);運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

Key words： 5-DOF manipulator;experimental platform;kinematics analysis

中圖分類號(hào)：TP241? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）22-0223-02

0? 引言

由于多自由度機(jī)械手在物料搬運(yùn)過(guò)程中能取代人工操作，并且具有重復(fù)精度高、能顯著提高自動(dòng)化水平和生產(chǎn)效率的特點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用[1]。實(shí)際生產(chǎn)中，在設(shè)計(jì)好機(jī)械手后必須建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型[2]。通過(guò)正逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，可以計(jì)算出各關(guān)節(jié)在一定運(yùn)動(dòng)參數(shù)下機(jī)械手末端的位姿，也可以根據(jù)機(jī)械手末端位姿確定關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)可控地準(zhǔn)確抓取物料[3]。

本項(xiàng)目開發(fā)的基于PLC控制的5自由度機(jī)械手實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，目的是在完成機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與設(shè)計(jì)、機(jī)器人學(xué)、電氣控制與PLC等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)基礎(chǔ)上，通過(guò)該平臺(tái)使學(xué)生掌握機(jī)械手運(yùn)動(dòng)分析的方法，為以后從事相關(guān)的設(shè)計(jì)工作打下基礎(chǔ)。

1? 機(jī)械手系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

本項(xiàng)目開發(fā)的5自由度機(jī)械手，可以實(shí)現(xiàn)底座旋轉(zhuǎn)、豎直移動(dòng)、水平移動(dòng)、手爪旋轉(zhuǎn)、手爪移動(dòng)抓取等動(dòng)作，達(dá)到在指定位置取放工件的目的。圖1分別是機(jī)械手樣機(jī)的模型圖和實(shí)物圖。

在該機(jī)械手系統(tǒng)中，底座通過(guò)螺栓固定在一定高度的工作臺(tái)上，底座內(nèi)裝有旋轉(zhuǎn)電機(jī)（1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，轉(zhuǎn)角范圍0～180°）;在旋轉(zhuǎn)底座上，豎直方向安裝有1根絲杠，通過(guò)絲杠上方電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在垂直方向的上下移動(dòng)（1個(gè)垂直方向移動(dòng)自由度），與絲杠平行安裝的2根立桿起支撐作用;同樣，在水平方向也安裝有旋轉(zhuǎn)電機(jī)、絲杠以及支撐桿，實(shí)現(xiàn)水平方向的左右移動(dòng)（1個(gè)水平方向移動(dòng)自由度）;在末端，旋轉(zhuǎn)電機(jī)在-45～45°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)（1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度），可根據(jù)工件取放時(shí)的位置調(diào)整旋轉(zhuǎn)角度改變姿態(tài);最末端是移動(dòng)手爪，在氣缸的驅(qū)動(dòng)下移動(dòng)并實(shí)現(xiàn)手爪張合（1個(gè)移動(dòng)自由度），完成取放動(dòng)作。為便于觀察和分析，給出模型側(cè)視圖（圖2）和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖（圖3）。

2? 運(yùn)動(dòng)模型的建立

2.1 正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

應(yīng)用D-H方法建立機(jī)械手的坐標(biāo)系如圖3所示[4]，其中0表示底座固定坐標(biāo)系X0Z0的原點(diǎn)（按照D-H方法規(guī)則，Y0按右手規(guī)則確定，可不必表示出來(lái)，下同）;1是實(shí)現(xiàn)垂直上下移動(dòng)的滑座，坐標(biāo)系為X1Z1，坐標(biāo)原點(diǎn)在滑座底平面與垂直絲杠中心線相交的位置;2是水平移動(dòng)絲杠的墊板，坐標(biāo)系為X2Z2，坐標(biāo)原點(diǎn)在墊板底平面與水平絲杠中心線相交的位置;3是旋轉(zhuǎn)電機(jī)，坐標(biāo)系為X3Z3，坐標(biāo)原點(diǎn)在電機(jī)的幾何中心;H是末端的手爪，坐標(biāo)系為XnZH。為了設(shè)計(jì)制造和運(yùn)動(dòng)模型計(jì)算的方便性，2、3和H同軸心，因此3個(gè)坐標(biāo)系共用Z軸，用Z2，3，H表示。按照D-H方法建立機(jī)械手的參數(shù)表如表1所示。

2.2 逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的作用是當(dāng)手爪位姿確定后，計(jì)算各關(guān)節(jié)的參數(shù)值。假設(shè)已知手爪相對(duì)于坐標(biāo)系0的位姿為[5]：

3? 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)開發(fā)出的一種基于PLC控制的教學(xué)用5自由度機(jī)械手，研究了該機(jī)械手的正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析方法。利用實(shí)際的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備學(xué)習(xí)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)，不僅增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果，同時(shí)也為學(xué)生以后從事相關(guān)工作打下牢固基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝亞青.基于PLC的5自由度模塊化氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手研制[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009（01）：180-181.

[2]高蕾娜.4自由度示教機(jī)械手構(gòu)型設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)分析[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2016，35（07）：44-46.

[3]吳曉雷.三自由度機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究[J].山東工業(yè)技術(shù)，2013（11）：171-173.

[4]Saeed B Niku.機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[5]韓建海.工業(yè)機(jī)器人[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2014.