缸套类产品自动生产线的上下料机械手运动学设计

喻步贤，王程民

（淮安信息职业技术学院，江苏 淮安 223003）

0 引言

机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置[1]。其发展已有近40年的历史，已成为当今主导技术之一[2]。发动机缸套生产是一种典型的传统机加工。在缸套精车过程中，上下料等辅助工作时间占据很大的比例，研制一种能自动完成上下料工作的辅助装置，大大提高动机缸套生产效率，提高国内企业在国际市场上的竞争力。本文根据某缸套企业生产的需要，为组合机床生产线设计了一套自动装卸工件的机械手，它采用圆柱坐标型的运动形式，功能原理先进，动作可靠，结构合理，安全经济，满足生产要求。

1 机械手结构设计[3]

设计目的是利用机械手完成缸套生产线上数控机床的自动上下料工作。上下料机械手臂是在圆柱坐标型机器人的基础上又添加了一个基座的移动副，以及机械手腕关节的转动副。因此，该机械手臂具有三个直线方向的运动，以及两个旋转运动，共五个自由度。图1 为自动上下料机械手机构简图，图2 为上下料机械手三维模型图。

图1 自动上下料机械手机构简图Fig.1 Diagram of automatic loading and unloading manipulator

图2 自动上下料机械手三维模型Fig.2 Dimensional model of Automatic loading and unloading Manipulator

2 机械手运动学模型[4]

2.1 机械手各关节分析

如图2 所示，将机械手臂的肘关节（旋转基座）视为关节1，与基座相连且由基座带动旋转的大臂作为关节2，与大臂相连且在大臂上下滑动的移动部件为关节3，在移动部件上左右移动的小臂为关节4 以及连接在小臂上并绕其旋转的腕关节为关节5。

图3 机械手臂参考坐标系Fig.3 Reference coordinate system of Manipulator

2.2 建立各关节DH 坐标系

以机械手在滑道的初始位置为原点，建立基坐标系{0}，并根据机械手的工作空间及运动特性，相应的建立起各关节的工作坐标系{1}～{5}。图3即为该手臂的参考坐标系。其中，坐标系{i}设置于i+1 号关节上，并固结在i 连杆上，坐标系{i}与连杆i 无相对运动。而在本机械手工作坐标系中，为简化末端夹持器的位姿表示，特将两夹持器的夹持中心间的中点作为原点，建立坐标系{5}。

2.3 各连杆的连杆参数

表1 中，各旋转角度以逆时针为正，d2，a5分别为旋转基座高度及腕关节到夹持中心的轴向距离，为结构参数。a1，θ2，d3，a4，α5，a5皆为运动变量。θ，β，α 分别为绕z，y，x 轴的旋转角；d，l，a 分别为在z，y，x 轴方向偏移距离。

表1 各连杆参数表Tab.1 Parameter table of each link)

3 自动上下料机械手臂的运动方程求解[5]

（1）由上述所建的坐标系和连杆参数，列出各关节间的D-H 矩阵：

（2）得出最终D-H 矩阵，即机械手与基坐标系{0}的位姿。根据机器人运动学求解方法，可得出夹持器最终位姿：

其中：2T5=2T33T5；3T5=3T44T5；1T3=1T22T3；1T5=1T33T5

上式中，0T5表示机械臂的变换矩阵，描述了末端连杆坐标系{5}对基坐标{0}的位姿，是机械手运动分析和综合的基础。为校核所得0T5的正确性，计 算θ2=90°，α5=-90°时，手臂的变换矩阵0T5的值。计算结果为：

与图4 所示情况完全一致。

4 自动上下料机械手臂雅可比矩阵及各关节速度

（1）机械手雅可比矩阵的求解。本机械手有5 个关节，其中1、3、4 关节为移动关节，2、5 关节为转动关节。对应的变换矩阵为1T5，对于移动关节1 有：

由所列出的各连杆变换矩阵1T1，1T2，…4T5，可以计算出各中间项，然后求出的各列，即从而求得机械手雅可比矩阵即：

（2）机械手的速度计算。以距离坐标系{5}原点dp为机械手臂左夹持器中心，即被夹持缸套质心P 点为例，求P 点的速度

即得出机械手末端执行机构相对于基坐标系{0}的速度方程。

5 总结

本文根据某缸套企业生产的需要，为组合机床生产线设计了一套自动装卸工件的机械手，它采用圆柱坐标型的运动形式，功能原理先进，动作可靠，结构合理，安全经济，满足生产要求。在建立上下料机械手各杆件的D—H 坐标的基础上，构建了五自由度机械手的运动学模型，实现了笛卡尔坐标空间到关节空间的运动变换，通过运动学方程求解得到了正向运动学解，确定了机械手雅克比矩阵和关节速度。

[1] 蔡自兴.机器人学[M].北京：清华大学出版社，2000.

[2] 胡旭兰. 生产线组合机床自动上下料机械手[J]. 机械制造，2005，7.

[3] 李晓旭，王玉林.自动供料机械手的设计及其运动分析[J].机电产品开发与创新，2010,1.

[4] 王爱东，乔兰柱.关于工业机器人运动学中建立坐标转换矩阵的讨论[J].河北工业科技，2002，4.

[5] 尤波，张永军，毕克新.PUMA560 型机器人逆运动学问题的解析解[D].哈尔滨科学技术大学学报，1994.