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1、第25卷第5期兵工学报Vol.25No.52004年9月ACTAARMAMENTARIISep.2004液压排雷机械手作业系统的运动学分析谢庆华 张琦 扬小川(解放军理工大学工程兵工程学院)摘要 通过对机械手作业系统的运动学分析,按照D2H坐标系的建立原则,确定系统的广义坐标,选取机构中的旋转副和移动副作为关节变量,推导出各关节的广义变换矩阵,得到了机械手指端的运动学方程,求出机械手运动学的正解。经计算机模拟得到机械手作业系统的工作几何参数和主要技术指标,结果表明其能够达到完成作业任务规划的要求。该研究为机械手应用
2、时的优化结构参数提供了理论基础,从而也论证了机械手运用于液压挖掘机平台上的可行性。关键词 机械学;机械手;作业系统;运动学分析;模拟中图分类号 TP24113 液压排雷机械手作业系统由液压挖掘机和机械手两大子系统构成,前者主要完成大范围作业所需的运动,后者主要用来满足小范围精细化作业要求。本文通过对液压机械手作业系统运动学的分析,来寻求排雷机械手作业范围,论证机械手运用于液压挖掘机平台上的可行性,为未来战场实现机器人排雷提供理论基础。图1.1 液压机械手作业系统1 系统结构Fig1.1Operatingsyste
3、mofhydraulicmanipulator[1]液压排雷机构手作业系统由六个主要关节2 系统的运动学方程组成,如图111所示。第一关节为大臂关节CF,第二关节为动臂关节FQ,第三关节为工作装置驱动关本文研究对象是一个多自由度液压驱动系统,节QV(以下简称工驱),上述三关节的功能是在旋由1个旋转液压泵、5个液压缸和1个旋转液压马达转平台转至某角度时,在相对于该角度的平面上往组成。设定液压挖掘机的旋转平台转动某固定角度,复旋转,大范围地带动工作装置,使机械手粗略地接以垂直于该角度旋转轴的平面作为XY面,建立大近工作
4、对象。第四关节为伸缩关节VV1,其功能是臂在旋转平台上的铰点C为原点的XY坐标系。带动手爪接近或离开作业物体。第五关节为旋转关根据连杆变换矩阵知识,建立液压机械手作业[2]节V1,其功能是旋转手爪,调整手爪抓取物体的位系统的D2H矩阵,其相应坐标系如图211所示。置姿态,以方便抓取物体。第六关节为手爪关节建立系统的D2H矩阵后,参照如下广义连杆的知识[3]UR1,其功能是完成抓取和释放动作。上述关节(除确定连杆参数(表211)为(1)关节变量θi是绕第五关节由液压旋转马达驱动外)均由液压缸驱zi-1轴测得的从xi-
5、1到xi轴的角度,因为xi-1和xi动,与之对应的油缸分别为大臂油缸AB、动臂油缸都垂直于zi-1,所以可采用右手法则确定这个角。若DE、工驱油缸GH、伸缩油缸VV1和手爪油缸xi-1和xi的叉积确定zi-1轴,则旋转方向是正的。V2U.(2)连杆之间的距离di是沿着zi-1轴从xi到xi+1轴2003年8月收稿,2004年8月定稿。©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.第5期液压排雷机械手作业系统的运动学分析573测量的距离。
6、若关节是旋转的,di是一个不一定等表2.1 液压机械手作业系统的连杆参数于零的恒量。(3)公共法线距离ai是zi-1和zi轴之Tab.2.1Connectiverodparametersofthe间的最短距离。ai是按沿xi方向从zi-1和xi的交点hydraulicmanipulatoroperatingsystem到第i坐标系原点的距离。关节轴相交时,ai为零。关节θiαiaidi1(F)θ10a10(4)偏移角αi是绕xi轴从zi-1和zi轴测量的,这里2(Q)θ20a20仍采用右手法则。大多数通用机械手的偏
7、移角αi是3(V)θ390°a3090°的倍数。4(V1)000d45(U)000d56(U1)0-90°007(R)θ70a708(W)θ80a80 确定系统的连杆参数后,由A矩阵定义cosθi-cosαisinθisinαisinθiaicosθisinθicosαicosθi-sinαicosθiaisinθi图2.1 机械手作业系统的D2H坐标系Ai=0sinαicosαidiFig2.1D2Hcoordinatesystemof0001manipulatoroperatingsystem设定机械手旋转关
8、节不动,可得c12378-s123780a1c1+a2c12+a3c123+(d4+d5)s123+a7c1237+a8c12378s12378c123780a1s1+a2s12+a3s123-(d4+d5)c123+a7s1237+a8s12378A1A2A3A4A5A6A7A8=00100001(2.1)此时,机械手手端的位置和姿态可由T8=A1A2A3
