工业机械手运动学仿真

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1、EquipmentManufactringTechnologyNo．1，2009工业机械手运动学仿真吴志敏，熊锐(广东工业大学，广东广州510006)摘要：使用Pro／Engineer建立了工业水平多关节机械手3D模型，并使用Adams作为仿真工具，实际分析了机械手的运动学和动h学特征；介绍了机械手设计的过程与方法，取得了优化的3D设计参数，为3D建模与优化提供了一种实际方法。关键词：水平多关节机械手；运动学；动力学；仿真；优化中图分类号：TP241文献标识码：A文章编号：1672—545X(2009

2、)01—0020—02机械手是近年来发展起来的综合学科。它集中了机械工程、电了工程、计算机工程、自动控制工程以及人工智能等多种学科的最新科研成果，代表了机电一体化的最高成就，是目前科技发展最活跃的领域之一。工业机械手的性能，要求不断提高工作精度和作业速度，增加机构的自由度，提高通用性和灵活性，同时还要求降低成本，控制简单，安全可靠。因此，工业机械手的研究处于机械手研究的前沿。多自由度机械手已经得到了广泛的研究，但自由度较少的工业机械手，以其造价低廉、结构紧凑、刚度高、定位精度图1三转动一平移机械手构型

3、图高、响应速度快、实用性强等优势，有极高的性价比，在实际工业现场得到了广泛的应用。水平多关节工业机械手由于精度图1中，0处为机座定位点，A处为转动副，B处为转动高、运动速度快，串联四自由度导致其靠后的驱动电机和传动副，C处为圆柱副，包含一个转动副和平移副。A处立轴为固系统都位于运动着的臂上，导致系统惯性增加，系统动力性能定平台，AB段绕A回转运动，BC段绕曰点回转运动，DP段绕恶化；又由于串联机构求正解较容易，而求逆解则较困难，因C点轴线回转运动，D沿c副进行直线运动。其中，P点为工作此运动学与动力学

4、计算困难，导致在设计中必须放宽各种设点(如抓取工件用吸头，装配用电批等)，DP段为安装工具的计参数；还因为机器较重，并进一步导致驱动部分变大，系统夹具【5]。3D建模机械手如图2所示：响应速度降低，大型驱动部分难以取得较高的精度。本文所介绍的方法是使用Pro／Engineer进行3D建模，并使用ADAMS进行运动学和动力学仿真。在机械手的设计过程中，使用计算机模拟计算实际机械手的运动与受力特征，指导3D设计过程的方法，可以降低机械手的开发周期，降低了机械手的开发成本；机械手的运动学仿真，还具有进行样机

5、试验无法比拟的其他优势，包含可以准确预测机械手的下一步的运动过程，通过更改机械手的控制算法，可以降低机械手的能耗、反应时间，而且还具有及时改进设计参数、再次进行仿真、避免重图23D建模工业机械手复的实物建造等一系列降低费用、缩短开发周期的优点。3D建模中，未画出机械手抓取之工件与工件的装夹夹具。1三转动一平移四自由度机械手2运动学分析当前应用较多的工业机械手，为三转动一平移共四自由建立如图1所示的坐标系，0点为机座定位点，以0点为度的机械手。其机型如图1所示：原点建立坐标系。，此坐标系OX。Y。Zo即

6、为世界坐标收稿El期：2008—10—05作者简介：吴志敏(1979一)，女，武汉人，硕士研究生，研究方向为先进加工及检测技术；熊锐(1962一)，男，博士研究生导师，研究方向为汽车节能与排放控制、发动机燃烧过程与燃烧系统。20《装备制造技术}2009年第1期系；在点建立机械手坐标系A，指向AB杆，Z轴指向DP方向；在D点建立坐标系DXoY。，其中指向DP方向与z0一致，按右手笛卡尔坐标系确定y轴方向；在B点方向。P点工作点在DXDYDZD中的坐标为(如，0，O)。建立坐标系BXeYZe；在C点建立坐

7、标系CXcYc，其中c从工件坐标系向世界坐标系的变换如下：一X0PcosO1sin0，00COS一sin0，0llCOS03一sin00l，101f。XDP-l，o尸sin0lcos0，00sin0oCOS00sin0COS03O0O100YDP×××z。P001一lo0010OO10001一￡ZDP1000l000100O1O0011其中f1为AB段的长度；如为BC段长度；f3为DP段长在创建3D模型之前，最好定义各种材料的零件的模板。度；f为CD之间的距离，为变量。在建模过程中，严格按照零件材料选

8、用模板，可以减少输入密以表示[XoPYZo,1]，以0表示变量[0。0：0，z]，度的工作。对于各种电机、传感器等多种材料的部件，需要计则可以用如下式(2)表达式(1)：算处密度并输入相应的模型中同。X=f((2)在装配过程中，对有运动关系的零件之间，在Pro／Engineer由此可以解出末端坐标系相对于世界坐标系的位姿。运中使用关节装配方式，可以省去部分在ADAMS中工作[41。动反解主要是求解位姿运动方程(1)的反问题，是由机械手的在添加约束的过程中