5R关节型机械手运动学性能分析及其仿真的研究

田 方，牟昌进

(沈阳工业大学机械工程学院，辽宁 沈阳110178)

5R关节型机械手运动学性能分析及其仿真的研究

田 方，牟昌进

(沈阳工业大学机械工程学院，辽宁 沈阳110178)

根据生产线的实际要求，对5R机械手运动学性能进行探究，并通过solidworks建立模型并用adams进行仿真，在不同轨迹下得出机械手的运动学特性，然后对比分析数据，为关节机械手以后的运动学分析提供理论依据。

5R机械手；运动学分析；仿真

0 前言

机械手在很多生产实际中有广泛的应用，既可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，也能在有害环境下操作以保护人身安全[1]。本文根据实际的生产情况、数控车床、机械手、加工工件的布局，确定机械手末端手爪的运动轨迹。根据轨迹运用D-H法对机械手系统进行运动学分析[2]。

1 5R机械手布局图及其坐标系建立

根据图1所示机械手、工件、数控车床的布局，得出机械手末端轨迹[3]。在机械手各个活动关节建立坐标系，该机械手有5个活动关节，建立6个坐标系。有一个基本坐标系。如图2所示。

图1 机械手、工件、数控机床布局图

图2 5R机械手关节坐标系

图2中l1、l2、l3分别为连杆1、连杆2和连杆3的长度，θi为zi绕旋转时xi到xi-1测量的角度见表1[4]。

表1 5R机械手参数

2 5R机械手运动学模型建立及求解

2.1 机械手坐标矩阵变换

连杆1相对于基座的矩阵为

连杆2相对于连杆1的矩阵为

连杆3相对于连杆2的矩阵为

连杆4相对于连杆3的矩阵为

连杆5相对于连杆4的矩阵为

末端操作器相对于基座的矩阵变换为[6]

其中，Ci=cosθi,Si=sinθi,i=1～5，θ1～θ5和L1～L3是8个未知变量。

2.2 机械手的运动学逆解

其运动学方程为[8]

(1)

即左边第一列=右边第一列

左边第二列=右边第二列

左边第三列=右边第三列

左边第四列=右边第四列

-dxs1+dyc1=0

由上面的展开式可知

(1)求θ1。

(2)

(3)

将方程组(3)做平方和得

(4)

由此可以解出

(5)

将(5)代入(4)得

(6)

(2)求θ3。

(7)

由代数转换可以求出。

(3)求θ2。

θ2=arc

(8)

由此可以得出

(5)求θ5。

(10)

3 5R机械手运动学仿真

本文先通过Solidworks建模[9]，然后导入到ADAMS环境中，对模型添加约束。假设l1=2 000 mm，l1=2 600 mm，l1=2 500 mm。通过对5R关节机械手的运动学仿真分析研究得出关节型机械手运动性能[10]。

3.1 不同条件下运动学特性的探究

设定一个相同的目标下机械手两种不同轨迹A、B。A轨迹中机械手各转角按二次函数变化，B轨迹按三次函数变化。A、B两种轨迹下末端机械手的角速度、角加速度的变化曲线如图3、图4所示。

图3 A轨迹角速度、角加速度变化曲线

图3 图4 B轨迹下角速度角加速度变化曲线

对比图3、图4得出，相同目标下轨迹不同机械手的运动学特性差别很大。

(1)Z轴加速度基本为0，说明Z轴的速度加速度变化不大。

(2)A轨迹下机械手加速度、速度变化速度比B快。

4 结论

(1)通过对A、B两种轨迹运动特性图像的分析，可以得出B轨迹运动平稳，相同的目标下，B更能接近目标。

(2)本机构的运动学分析与研究为其他关节机械手的运动学研究提供了参考借鉴。参考文献：

[1] 刘兴. 5R关节型机械手动力性能分析及其仿真的研究[J].机电工程技术，2014(11): 24-28.

[2] Ke Tao, Yuanyuan Zhang.The Mechanism Analysis and Trajectory of 5R Joint Manipulator [J]. Applied Mechanics and Materials, 2012, 220(10):1744-1747.

[3] 张媛媛．5R关节型机械手机构分析与控制仿真的研究[D]．沈阳：沈阳工业大学，2012．

[4] 李庆龄，赵永生．六自由度工业机器人动力学分析与仿真[J]．上海电机学院学报，2008，11(7)：275-278.

[5] 郭洪红．工业机器人技术[M]．西安：西安电子科技大学出版社，2006.

[6] 陈婷婷．4R多关节轮毂加工上下料机械手的运动分析与研究[D]．沈阳：沈阳工业大学，2012.

[7] 倪雪微．7R机械手运动分析的递推算法[D]．长春：长春理工大学，2010.

[8] 段齐骏，黄德耕，李士丹．机器人工作空间与包络空间的图解法[J]．南京理工大学学报，1996，20(4)：318-322.

[9] 孙亮，马江．六自由度机械臂轨迹规划与仿真研究[J]．控制工程，2010，17(3)：288-292.

[10]王涛．基于蚁群算法的机器人路径规划及其仿真系统研究[D]．西安：西安科技大学，2009.

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,沈阳工业大学，教授，主要从事机械设计及理论方向的研究。

TH17

A

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