5自由度機械手建模和運動學分析

王偉 岳陽職業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

現代工業技術的飛速發展，在以降低產品成本、提高加工精度和減輕人工勞動強度為目標的境況下，機械手廣泛應用現代工業、生產、醫療業以及輸送等領域，開始成為現代生產與科技應用相結合形成的一個重要產物而備受人們青睞。但截至2015年數據統計，中國機械手運用增長率還沒有達到亞洲國家的8%，遠低于其他工業大國，反映出中國制造業和自動化水平還有很大提升空間。對于結構簡單、功能強大、成本低廉的5自由度機械手有著巨大發展潛力。

基于5自由度機械手結構簡單、精確度高、適用行強等特點而運用于工業中的各大領域，對企業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，機械手的構型設計和運動控制是極其重要的。針對工作環境、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，依據程序執行人手的抓握功能，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。軟件以參數化著稱，能夠進行零件設計、模具開發、產品裝配、加工制造、鑄造件設計、運動仿真、逆向工程、機構分析、產品數據管理等。在目前的三維造型軟件領域中占有著重要地位，特別是在國內產品設計領域中。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、肩部、大臂、小臂、手腕套筒等零部件組成，通過腰部關節、大臂俯仰關節、小臂俯仰關節、手腕旋轉關節等實現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，首先根據相關零部件的結構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建順序，點擊菜單，選擇積木式特征命令，創建基體特征；

（3）在創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，否則繼續進行修改和添加特征；

所有零部件設計完成后，依據整體機構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個關節形成機械手的5個自由度，依據兩端關節軸線固定的幾何關系來建立好各個關節的坐標系。絕對坐標系O0X0Y0Z0固定在基座O0上，將其原點平移至O1。

3.2 參數和矩陣分析

建立好各個關節的坐標系后，就可以確定連桿的參數，連桿的4個參數中僅θ為關節變量，其他3個不變，確定連桿參數，就可以推導運動學方程，連桿參數表如表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 結語

本文通過Pro/E平臺進行了機械手的零件設計和產品裝配，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、連桿參數的分析和矩陣相關計算，整個分析結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展前景。

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