新型可重構可展機械手機構的運動學分析

廖益豐，唐小鳳，林偉龍，梁忠文

（柳州鐵道職業技術學院，廣西 柳州545616）

0 前言

制造業一直是國家發展程度的標志之一，世界上任何一個發達國家都是制造強國，中國為了實現自己的中國夢，也必須向制造強國邁進，如今，世界已經開啟了邁向工業4.0的步伐，然而要達到工業4.0就必須實現智能制造，這當然離不開機械手的研究，洪琳[1]等人設計了一種多工位送料機械手機構并對其進行了電機同步控制研究；徐佳偉[2]對一種龍門架吸盤機械手進行了設計與分析；趙維超[3]等對一種人體頸肩按摩機械手進行了設計研究；廖益豐[4]等人設計了一種可重構可展機械手機構，該機構具有多種運動性能并能靈活轉換，具有良好的應用前景。

運動學問題是機構的關鍵技術問題，本文對文獻[4]的機械手機構進行運動學分析，分析其各構態的自由度、位置和速度曲線，為其日后應用打下基礎。

1 機械手機構各構態的自由度計算

文獻[4]所設計的機械手機構具有五個構態，其機構簡圖如圖1所示。

圖1 構態簡圖

圖中L1為文獻[4]中主連桿和第五連接桿構成了伸縮桿的長度；L2為第六連接桿的長度；L3為主連桿和第二連接桿構成了伸縮桿的長度；L4為第四連桿的長度；L5為第三連桿的長度；L1′為主連桿長滑槽端的長度；L1″為第五連桿長度；L3′為主連桿短滑槽端的長度；L3″為第二連桿的長度；L6為圖1（d）圖中虛線的長度。

根據自由度計算公式CGK公式形式如下：

其中：d為機構階數；n為構件數；g為運動副數；fi為第i個運動副自由度數；ν為冗余約束數；ζ為局部自由度數。

根據公式（1）計算得到：

第一構態自由度為：

2 位置與速度分析

取第一構態與第四構態為例，對該機構進行位置與速度分析。

當該機械手機構處于第一構態時，其最適合的工作點如圖1中（a）圖中的A1點，其位置坐標為：

其中：Lmin為主連桿和第五連接桿構成了伸縮桿的最小長度；h為主連桿和第五連接桿構成了伸縮桿的伸長量；θ1為主連桿與底座之間的轉角；θ2為第五連桿與第六連桿之間的轉角。

第一構態的速度方程為：

當該機械手機構處于第四構態時，其最適合的工作點如圖1中（d）圖中的A2點，其位置坐標為：

其中：θ3為主連桿與L6之間的轉角；θ4為第四連桿與L6之間的轉角。

第四構態的速度方程為：

3 數值仿真

取Lmin=140 mm，h的變化范圍為0～60 mm，L3′=80 mm，L6=10 mm，L4=60 mm，θ1轉角變化范圍為轉角變化范圍為和 θ4轉角變化范圍均為，在matlab中進行仿真，得到A1點和A2點的位置與速度曲線如圖2所示。

圖2 位置與速度仿真曲線

從曲線中可以看出，第一構態工作端的工作空間比第四構態的大，但速度變化幅度大；第四構態工作空間小，但速度平穩。

該機構每個構態的運動性能各有特點，具有良好的適應性和靈活性。

4 結束語

（1）為解決可重構機械手機構的運動學這個關鍵問題，首先采用CGK公式對其所有構態進行了自由度計算。

（2）其次寫出其部分關鍵構態工作點的位置與速度曲線方程。

（3）對運動學方程進行數值仿真分析。