王伟 岳阳职业技术学院机电工程系

5自由度机械手建模和运动学分析

王伟 岳阳职业技术学院机电工程系

本文介绍了一种基于Pro/E建模的5自由度搬运机械手，并采用D-H法对运动学进行分析，验证了这种机械手设计的可行性。

机械手 建模 运动学分析

1 引言

现代工业技术的飞速发展，在以降低产品成本、提高加工精度和减轻人工劳动强度为目标的境况下，机械手广泛应用现代工业、生产、医疗业以及输送等领域，开始成为现代生产与科技应用相结合形成的一个重要产物而备受人们青睐。但截至2015年数据统计，中国机械手运用增长率还没有达到亚洲国家的8%，远低于其他工业大国，反映出中国制造业和自动化水平还有很大提升空间。对于结构简单、功能强大、成本低廉的5自由度机械手有着巨大发展潜力。

基于5自由度机械手结构简单、精确度高、适用行强等特点而运用于工业中的各大领域，对企业改善了工人劳动条件，也提高了劳动效率。但在实际工程应用中，机械手的构型设计和运动控制是极其重要的。针对工作环境、对象、过程的不同，算法也就不同。所以研究一种基础型的5自由度机械手很有必要。本文基于Pro/E设计了一种5自由度的搬运机械手，利用气缸为动力，控制机械爪的开闭，依据程序执行人手的抓握功能，完成物件的抓取和搬运。

2 机械手的三维建模设计

2.1 Pro/E软件简介

Pro/E是美国参数技术公司（PTC)旗下的一款集CAD、CAM和CAE为一体的三维设计软件。软件以参数化著称，能够进行零件设计、模具开发、产品装配、加工制造、铸造件设计、运动仿真、逆向工程、机构分析、产品数据管理等。在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，特别是在国内产品设计领域中。本文将以Pro/E 5.0为设计平台，通过零件设计、装配模型、运动分析等进行机械手的设计。

2.2 建模与装配

机械手是由基座、底板、腰关节、肩部、大臂、小臂、手腕套筒等零部件组成，通过腰部关节、大臂俯仰关节、小臂俯仰关节、手腕旋转关节等实现5自由度。整个建模过程包括所有零部件的三维建模以及虚拟样机的装配。机械手建模采用自底向上的方式，首先根据相关零部件的结构和尺寸建立起三维模型，再利用Pro/E平台按照各零部件之间的装配以及约束关系组建装配模型，最后建立虚拟样机。我们简要说明实体建模的方法：

（1）启动Pro/E软件平台，进入零件设计模式，设置工作目录，建立新零件并命名；

（2）分析和确定零件特征并创建顺序，点击菜单，选择积木式特征命令，创建基体特征；

（3）在创建的基体上进行特征完善和修改；

（4）设计按要求完成后退出，否则继续进行修改和添加特征；

所有零部件设计完成后，依据整体机构要求及约束关系进行装配，消除装配干涉，干涉检查无干涉后完成整体模型。

3 机械手的运动学分析

3.1 连杆坐标系的建立

对于五自由度机械手的运动分析，我们采用A矩阵及D-H法来建立坐标系。首先假设由5个连杆和5个关节形成机械手的5个自由度，依据两端关节轴线固定的几何关系来建立好各个关节的坐标系。绝对坐标系O0X0Y0Z0固定在基座O0上，将其原点平移至O1。

3.2 参数和矩阵分析

建立好各个关节的坐标系后，就可以确定连杆的参数，连杆的4个参数中仅θ为关节变量，其他3个不变，确定连杆参数，就可以推导运动学方程，连杆参数表如表1所示。

利用齐次变换求解，得到A1矩阵：

A2-A5依次可进行求解。

4 结语

本文通过Pro/E平台进行了机械手的零件设计和产品装配，并建立了本机械手模型。对于建模后的机械手进行控制，我们采用D-H法进行简要的运动学分析，包括连杆坐标系的建立、连杆参数的分析和矩阵相关计算，整个分析结果和预期设计效果相符，验证了该机械手的设计的可行性，这种简易的5自由度搬运机械手设计有着较好的发展前景。

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