田 方，牟昌進(jìn)

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng)110178)

5R關(guān)節(jié)型機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)性能分析及其仿真的研究

田 方，牟昌進(jìn)

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng)110178)

根據(jù)生產(chǎn)線的實(shí)際要求，對(duì)5R機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)性能進(jìn)行探究，并通過solidworks建立模型并用adams進(jìn)行仿真，在不同軌跡下得出機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，然后對(duì)比分析數(shù)據(jù)，為關(guān)節(jié)機(jī)械手以后的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析提供理論依據(jù)。

5R機(jī)械手；運(yùn)動(dòng)學(xué)分析；仿真

0 前言

機(jī)械手在很多生產(chǎn)實(shí)際中有廣泛的應(yīng)用，既可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，也能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全[1]。本文根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)情況、數(shù)控車床、機(jī)械手、加工工件的布局，確定機(jī)械手末端手爪的運(yùn)動(dòng)軌跡。根據(jù)軌跡運(yùn)用D-H法對(duì)機(jī)械手系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[2]。

1 5R機(jī)械手布局圖及其坐標(biāo)系建立

根據(jù)圖1所示機(jī)械手、工件、數(shù)控車床的布局，得出機(jī)械手末端軌跡[3]。在機(jī)械手各個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)建立坐標(biāo)系，該機(jī)械手有5個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)，建立6個(gè)坐標(biāo)系。有一個(gè)基本坐標(biāo)系。如圖2所示。

圖1 機(jī)械手、工件、數(shù)控機(jī)床布局圖

圖2 5R機(jī)械手關(guān)節(jié)坐標(biāo)系

圖2中l(wèi)1、l2、l3分別為連桿1、連桿2和連桿3的長(zhǎng)度，θi為zi繞旋轉(zhuǎn)時(shí)xi到xi-1測(cè)量的角度見表1[4]。

表1 5R機(jī)械手參數(shù)

2 5R機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)模型建立及求解

2.1 機(jī)械手坐標(biāo)矩陣變換

連桿1相對(duì)于基座的矩陣為

連桿2相對(duì)于連桿1的矩陣為

連桿3相對(duì)于連桿2的矩陣為

連桿4相對(duì)于連桿3的矩陣為

連桿5相對(duì)于連桿4的矩陣為

末端操作器相對(duì)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(gè)未知變量。

2.2 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解

其運(yùn)動(dòng)學(xué)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(shù)轉(zhuǎn)換可以求出。

(3)求θ2。

θ2=arc

(8)

由此可以得出

(5)求θ5。

(10)

3 5R機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

本文先通過Solidworks建模[9]，然后導(dǎo)入到ADAMS環(huán)境中，對(duì)模型添加約束。假設(shè)l1=2 000 mm，l1=2 600 mm，l1=2 500 mm。通過對(duì)5R關(guān)節(jié)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析研究得出關(guān)節(jié)型機(jī)械手運(yùn)動(dòng)性能[10]。

3.1 不同條件下運(yùn)動(dòng)學(xué)特性的探究

設(shè)定一個(gè)相同的目標(biāo)下機(jī)械手兩種不同軌跡A、B。A軌跡中機(jī)械手各轉(zhuǎn)角按二次函數(shù)變化，B軌跡按三次函數(shù)變化。A、B兩種軌跡下末端機(jī)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(duì)比圖3、圖4得出，相同目標(biāo)下軌跡不同機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)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(jī)械手加速度、速度變化速度比B快。

4 結(jié)論

(1)通過對(duì)A、B兩種軌跡運(yùn)動(dòng)特性圖像的分析，可以得出B軌跡運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，相同的目標(biāo)下，B更能接近目標(biāo)。

(2)本機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與研究為其他關(guān)節(jié)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)研究提供了參考借鑒。參考文獻(xiàn)：

[1] 劉興. 5R關(guān)節(jié)型機(jī)械手動(dòng)力性能分析及其仿真的研究[J].機(jī)電工程技術(shù)，2014(11): 24-28.

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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(yáng)工業(yè)大學(xué)，教授，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及理論方向的研究。

TH17

A

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