自动上下料机械手运动学分析及仿真
缸套类产品自动生产线的上下料机械手运动学设计
机 电产 品 开笈 与 钏 新
Ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍｅ ｎ ｔ ＆ Ｉ ｎ ｎ ｏ ｖ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｍａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｒ ｙ＆ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｉ ｒ ｃ ａ ｌ Ｐ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｔ ｓ
Ｋｉ ｎ ｅ ｍａ ｉ ｔ ｃ ｓ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ Ｌｏ ａ ｄ ｉ ｎ ｇ ａ ｎ ｄ Ｕｎ ｌ ｏ ａ ｄ ｉ ｎ ｇ Ｍａ ｎ ｉ ｐ ｕ ｌ ａ ｔ ｏ ｒ ｆ ｏ ｒ Ｌｉ ｎ ｅ ｒ Ｐｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｔ ｓ Ａｕ ｔ ｏ ｍａ ｉ ｔ ｃ Ｐｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｉ ｔ ｏ ｎ Ｌ ｉ ｎ ｅ
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ：ｌ ｉ ｎｅ ｒ ｐ ｒ ｏ ｄ ｕｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｌ ｉ ｎ ｅ； Ｍ ａ ｎ ｉ ｐｕ ｌ ａ ｔ ｏ ｒ ；ｋ ｉ ｎ ｅ ｍａ ｔ ｉ ｃ ｓ
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
１ 机 械 手 结构 设 计圈
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 ｌ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
自动上下料机械手运动学分析及仿真
Ｋ ｅ ｒ ｓ： ｙ ｗｏ ｄ Ａｕｔ － ａ ｅ ｉ ｌ ｅ ｄｉ ｇ ｍ ａ ｉ ｕｌ ｔ ； ｎ ｍ ａ ｉ ａ ｙｓｓ Ｓ ｍ ｕ ａｔｏ ｏ ｍ ｔ ｒｅ ｅ ｎ ｎ ｐ ａ ｏｒ Ｋｉ ｅ ｆ ｔｃａｎ ｌ ｉ ； ｉ ｌ ｉ ｎ
ｓ ｕｔｒ ｏ ｈｓｅｄｎ ａｉｕａｏ ａ ｚｄｉ ｅ ｉｗ ｉ ｉ ｍ ｔ ｓ ｑａｉｎｉｅｔ ｌｈｄｗｔ — ｔ ｃｕｅ ｆｔｉｆｅ ｉ ｍ ｎｐ ｌ ｒｓ ｌ ｅ ｄｔ ｌ ｈｃ ｋｎ ａｉ ｕｔ ｓ ｂｉ ｅ ｉ Ｄ ｒ ｇ ｔ ｉａ ｙ ｎ ｎ ａ ， ｈ ｅ ｃｅ ｏ ｓ ａｓ ｈ Ｈ ｍ ｔｏｓ ｈ ａ ｅｔ ｅ， ｅ ｏ ａｄａｄｉｖｒｅｋｎｍ ｔｓｏ ｈｓｍ ｎｐ ｌ ｏ ｒ ｎｌ ｅ ， ｄｔｅ ｅｈｄ． ｔｅｓｍ ｉ ｔ ｆｒ ｒ ｅｓ ｉｅ ａｉ ｉ ａｉｕａ ｒａｅａａ ｚｄａ Ａｔ ｍ ｈ ｗ ｎ ｎ ｃ ｆｔ ｔ ｙ ｎ ｈ
ｌ ｏ ｅｉｅ ｅｒ ． ｔ ａｅ ｎｔｅｍ ｎ ｕａｏ’ ３ ｏ ｅ ｓ ｂｉ ｅ ｉ ｌ Ｗｏｋ 一 ｔ ｓ ａ ｒｉ ｖｒ ｄｔ ｂ ‘ Ａｔａ ， ｓｄｏ ａ ｉ ｌ ｒＳ Ｄ ｍ ｄ Ｚ ｔ ｌｈ ｄｗｔ Ｓ ｉ ｒｓ ｉ ｆ ｏ ｌ ｂ ｓ ｈ ｐ ｔ ｅａ ｓ ｈｏ ｄ ｓ
到上下料轨迹曲线。仿真结果符合工作过程的实际情况， 说明该机械手运动学方程是有效的。
关 键词 ： 自动上下 料机械手 ； 运动学分 析 ； 仿真
【 ｂｔ ｃ】 ａｅ ｎｔｅＣ Ｃ ｍ ｃ ｉ ｏｌ－ｏｏ ｍ ｎ ａｔ ｉ ｓ ｍ ｌ ｏｔ ｎ ｎｔｎｔ Ａ ｓ ａｔ Ｂｓｄｏ Ｎ ａｈｎ ｔ ｓ ｒ ｔ ａ ｕ ｕ ｎ ｓ ｔ ｙｕ ａｄ ｕｃ ｏ ， ｅ ｒ ｈ ｅ ｏ ｂ ｆ ｒｇ ｙ ｅ ａ ｆ ｉ ｈ ｃ
物料抓取机械手的设计与仿真
2.3运动仿真的实现方法
2.3运动仿真的实现方法
运动仿真主要通过计算机辅助设计软件来实现。这些软件通常具有强大的建 模和分析功能，可以建立详细的机械系统模型，并进行动态性能分析和优化。此 外，一些软件还提供了与控制系统仿真工具的集成，以实现整个系统的联合仿真。
三、总结
三、总结
物料抓取机械手的设计及运动仿真在自动化生产中具有极其重要的意义。通 过对机械手结构的合理设计、动力学模型的精确建立以及驱动系统的优化，可以 有效地提高机械手的性能和质量。通过运动仿真可以有效地预测和解决潜在的问 题，提高设计成功率，降低制造成本。随着技术的不断发展，我们有理由相信， 更加高效和智能的物料抓取机械手将会在未来的自动化生产中发挥更加重要的作 用。
二、运动仿真
2.1运动仿真简介
2.1运动仿真简介
运动仿真是在设计阶段对机械系统进行模拟分析和验证的方法。通过运动仿 真，可以在实际制造之前发现和解决潜在的问题，提高机械系统的性能和质量。
Hale Waihona Puke 2.2运动仿真的应用2.2运动仿真的应用
在物料抓取机械手的设计中，运动仿真可用于验证结构设计、优化动力学模 型以及评估抓取策略的可行性。通过运动仿真，可以模拟机械手的实际运动过程， 并精确计算出抓取时间、抓取位置、抓取力度等关键参数，为实际制造提供重要 参考。
物料抓取机械手的设计与仿真
01 引言
03 模拟仿真 05 总结
目录
02 阐述设计 04 实验制作 06 参考内容
引言
引言
随着工业自动化的不断发展，机器人技术已经成为现代生产过程中不可缺少 的一部分。其中，物料抓取机械手作为一种重要的机器人技术，被广泛应用于自 动化生产线上。本次演示将介绍物料抓取机械手的设计与仿真，首先阐述机械手 的设计思路和结构原理，然后介绍模拟仿真的方法，最后讨论实验制作的过程、 难点及解决方法。
连续冲压自动上下料机器人的结构设计与仿真研究
连续冲压自动上下料机器人的结构设计与仿真研究连续冲压自动上下料机器人的结构设计与仿真研究近年来，随着制造业的发展，机器人技术在生产线上扮演着越来越重要的角色。
特别是对于连续冲压工艺而言，自动上下料机器人成为不可或缺的设备。
本文将对连续冲压自动上下料机器人的结构设计与仿真研究进行探讨。
首先，我们需要了解连续冲压工艺的基本原理。
连续冲压是一种高效率的冲压工艺，可连续加工金属材料，极大提高了生产效率和产品质量。
然而，由于其高速和高频率的操作，传统的人工上下料已不能满足要求，因此需要引入自动化设备。
在结构设计方面，连续冲压自动上下料机器人需要满足以下要求：1. 稳定性和刚度性。
由于冲压过程中存在冲压力、震动等外部力和因素的影响，机器人需要具备良好的稳定性和刚度性，以确保上下料的准确性和稳定性。
2. 灵活性和适应性。
由于不同产品的连续冲压需求会有所不同，机器人需要具备一定的灵活性和适应性，以满足不同尺寸和形状产品的自动上下料需求。
3. 操作简便性。
机器人的操作需要简单易学，可以通过人机交互界面进行操作，提高操作人员的工作效率。
基于以上要求，我们设计了一种基于六自由度机械臂的连续冲压自动上下料机器人。
该机器人结构主要由机械臂、控制系统和上下料工具组成。
机械臂采用六自由度设计，可以进行多样化的动作，满足不同产品的上下料需求。
控制系统通过各个关节的电机控制，实现机械臂的精准运动控制。
上下料工具可以根据不同产品进行更换，以满足不同尺寸和形状产品的上下料需求。
接下来，我们进行了连续冲压自动上下料机器人的仿真研究。
通过使用Solidworks等CAD软件对机器人进行三维建模，模拟机械臂的运动轨迹和工作空间。
同时，通过使用MATLAB等仿真软件，对机器人的控制系统进行仿真，验证控制算法的可行性和准确性。
仿真结果显示，机器人在进行连续冲压自动上下料过程中，具备较好的上下料精确性和稳定性，满足了工艺要求。
综上所述，连续冲压自动上下料机器人的结构设计与仿真研究对于提高生产效率和产品质量具有重要意义。
机械手的运动学参数辨识与分析
机械手的运动学参数辨识与分析机械手是一种能够模拟人类手臂动作的装置，广泛应用于工业、医疗和军事等领域。
在机械手设计和控制中，运动学参数是非常重要的。
正确辨识和分析机械手的运动学参数可以帮助我们更好地理解和控制机械手的运动特性。
运动学参数是机械手描述其位置和姿态的重要指标。
通过准确测量和定量分析机械手的运动学参数，可以了解机械手在空间中的位置和旋转状态，从而更好地进行运动规划和动作控制。
运动学参数包括关节角度、关节长度、关节速度和关节加速度等信息。
首先，我们需要了解机械手系统的结构和组成。
机械手通常由若干个关节组成，每个关节都可以在特定范围内进行旋转或伸缩。
每个关节的旋转或伸缩运动都有自己的角度范围和速度限制。
了解机械手系统的结构和关节限制是准确辨识运动学参数的基础。
运动学参数辨识是指通过实际观测和测试数据，利用数学模型和算法，计算出机械手的运动学参数。
具体来说，可以通过以下几种方法进行运动学参数辨识。
第一种方法是基于传感器数据的辨识。
在机械手上安装合适的传感器，例如编码器、惯性测量单元等，可以实时获取机械手的运动数据。
通过分析传感器数据，可以计算出机械手的关节角度、速度和加速度等运动学参数。
第二种方法是基于运动规划的辨识。
通过事先规划一系列已知轨迹和动作，然后观察机械手在执行这些动作时的运动行为，可以得到机械手的关节角度和位置信息。
通过对比已知规划与实际运动的差异，可以对机械手的运动学参数进行辨识。
第三种方法是基于动力学模型的辨识。
机械手的运动学参数与其动力学特性有密切关系。
通过建立机械手的动力学模型，并利用系统辨识的方法，可以从实际运动数据中反推出机械手的运动学参数。
无论采用哪种方法进行运动学参数辨识，都需要进行精确的数据处理和算法分析。
在实际应用中，常常需要根据实际情况对辨识结果进行优化和修正，以提高运动学参数的准确性和可靠性。
在完成运动学参数辨识之后，我们可以进行进一步的参数分析。
通过对运动学参数的分析，可以评估机械手的运动特性和性能，发现潜在问题并进行改进。
机械手臂运动学分析与动态模拟仿真研究
机械手臂运动学分析与动态模拟仿真研究机械手臂作为一种重要的工业自动化设备，广泛应用于生产线自动化、危险环境操作等场景。
而机械手臂的运动学分析和动态模拟仿真则成为提高其操作精度和准确性的关键环节。
本文将介绍机械手臂的运动学分析和动态模拟仿真，并探讨其在工业领域的应用。
首先，机械手臂的运动学分析是研究机械手臂在空间中的位置、速度和加速度等运动学参数的科学。
通过运动学分析可以获得机械手臂的关节变量与末端执行器姿态之间的关系，从而掌握机械手臂的运动规律。
在运动学分析中，通常采用基于Denavit-Hartenberg（D-H）坐标系的方法，通过建立坐标系和连接关节的转动矩阵，计算机械手臂各关节的位姿和运动学参数。
运动学分析的结果可以为后续的轨迹规划、动力学分析提供基础。
其次，机械手臂的动态模拟仿真是通过数学建模和仿真技术，模拟机械手臂在工作过程中的运动状态和力学行为。
动态模拟仿真可以帮助优化机械手臂的设计和控制策略，预测机械手臂在不同工作负荷下的性能，并评估其工作空间、作业速度等参数。
在动态模拟仿真中，需要考虑机械手臂的惯性、摩擦、关节驱动力矩等因素，通过建立动力学方程和数值模型，求解机械手臂的运动状态和关节力矩。
动态模拟仿真可以准确反映机械手臂的动态性能，为实际操作提供指导和参考。
机械手臂的运动学分析和动态模拟仿真在工业领域具有广泛的应用价值。
首先，运动学分析可以为机械手臂的轨迹规划和路径规划提供基础，根据末端执行器所需的姿态和位置，计算关节角度，使机械手臂能够按照要求进行准确的操作。
其次，动态模拟仿真可以辅助机械手臂的设计和改进。
通过模拟机械手臂在不同负荷下的工作状态，评估机械结构的稳定性和承载能力，为机械手臂的优化设计提供参考。
此外，动态模拟仿真还可以对机械手臂的控制策略进行验证和优化，提高机械手臂的运动精度和响应速度。
总之，机械手臂的运动学分析和动态模拟仿真是研究机械手臂运动规律和性能的重要手段。
上下料机械手的运动学及动力学分析与仿真的开题报告
上下料机械手的运动学及动力学分析与仿真的开题报告一、选题背景及意义上下料机械手是自动化生产中常用的智能机械装置，其能够将原材料或成品从一个位置自动地移动到另一个位置。
随着现代工业自动化技术的不断发展，上下料机械手的应用越来越广泛。
本项目将研究上下料机械手的运动学及动力学分析与仿真，具有重要的理论意义和实际应用价值。
二、研究内容和技术路线本项目将重点研究上下料机械手的运动学和动力学分析。
其中，运动学分析是通过研究机械手的运动轨迹和姿态变化、末端执行器的定位精度和控制等问题，建立机械手的运动学模型。
动力学分析则是研究机械手在运动过程中所受到的各种力和力矩的大小、方向和作用点等问题，进而建立机械手的动力学模型。
通过对机械手的运动学和动力学进行建模，可以实现对机械手的仿真分析，验证机械手的运动是否符合预期和要求。
具体的技术路线如下：1. 对上下料机械手进行建模，包括机械手的结构、末端执行器的类型、传动机构和控制系统等方面的参数。
2. 进行运动学分析，根据机械手的运动学模型，分析机械手在空间中的运动轨迹、姿态变化和执行器的控制算法等问题。
3. 进行动力学分析，建立机械手的动力学模型，分析机械手在运动过程中所受到的力和力矩等问题。
4. 实现上下料机械手的仿真系统，通过对机械手的仿真分析，验证机械手的运动是否符合预期和要求。
5. 进行仿真结果分析，对机械手的性能进行评估和优化。
三、预期成果本项目拟实现上下料机械手的运动学和动力学分析，建立机械手的运动学和动力学模型，实现机械手的仿真系统，并进行仿真结果分析，对机械手的性能进行评估和优化。
预期成果包括：1. 机械手的运动学和动力学模型；2. 机械手的仿真系统；3. 仿真结果分析报告。
四、研究团队及时间计划本项目的研究团队由一名指导老师和三名本科生组成。
时间计划如下：第一阶段：文献调研和基础理论学习（1个月）第二阶段：机械手建模和运动学分析（2个月）第三阶段：机械手动力学分析和仿真系统实现（2个月）第四阶段：仿真结果分析和报告编写（1个月）五、经费预算本项目所需的经费预算主要用于购置计算机、软件和实验用材料等方面。
物料抓取机械手设计及运动仿真
物料抓取机械手设计及运动仿真随着工业自动化的不断发展，越来越多的制造和加工过程采用机器人和自动化设备来完成。
其中，物料抓取机械手的设计和运动仿真对于实现自动化生产流程的高效运行具有至关重要的作用。
本文将介绍物料抓取机械手的设计要点及运动仿真的重要性，并探讨相关的问题及解决方案。
物料抓取机械手的设计首先需要确定其结构形式和基本参数。
一般而言，机械手主要由手部机构、腕部机构和臂部机构组成。
手部机构负责抓取物料，腕部机构则负责手腕的姿态调整，臂部机构支持机械手的移动。
根据实际生产需要，可在设计中针对不同的物料特性和抓取要求进行结构优化。
物料抓取机械手的运动过程中涉及到复杂的动力学关系。
因此，在设计中需要建立相应的动力学模型，以实现精确的运动控制和抓取策略。
动力学模型需要考虑重力、摩擦力、空气阻力等各种外部力的影响，同时还需要机械内部的动态特性。
物料抓取机械手的驱动系统是实现抓取动作的关键部分。
根据不同的应用场景和性能需求，可选择不同的驱动方式，如液压驱动、气压驱动、电动驱动等。
在设计中，需要根据实际情况选择合适的驱动方式和驱动元件，并综合考虑驱动系统的布局和重量等因素。
运动仿真是在设计阶段对机械系统进行模拟分析和验证的方法。
通过运动仿真，可以在实际制造之前发现和解决潜在的问题，提高机械系统的性能和质量。
在物料抓取机械手的设计中，运动仿真可用于验证结构设计、优化动力学模型以及评估抓取策略的可行性。
通过运动仿真，可以模拟机械手的实际运动过程，并精确计算出抓取时间、抓取位置、抓取力度等关键参数，为实际制造提供重要参考。
运动仿真主要通过计算机辅助设计软件来实现。
这些软件通常具有强大的建模和分析功能，可以建立详细的机械系统模型，并进行动态性能分析和优化。
一些软件还提供了与控制系统仿真工具的集成，以实现整个系统的联合仿真。
物料抓取机械手的设计及运动仿真在自动化生产中具有极其重要的意义。
通过对机械手结构的合理设计、动力学模型的精确建立以及驱动系统的优化，可以有效地提高机械手的性能和质量。
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求、知道机械手爪的位姿以及各杆的结构参数的情况下，求解对
6
θ6
-90°
0
0 （-180～180）°
3.2 运动学正解分析
机械手的正向运动学是根据机械手的各关节变量，求机械
手末端操作装置的位姿。根据建立的机械手 D-H 参数坐标系与
运动学参数，由坐标变换关系可知连杆的 D-H 坐标变换矩阵。为
了便于运动模型的表示，将关节变量 θi 的正弦函数和余弦函数值 简化如式（1），确定了连杆坐标系，且得到了相应的连杆参数后，
中图分类号：TH16，TP242.3 文献标识码：A
1 引言
数控机床的应用为企业提高产品的加工精度、生产效率和 保证产品质量稳定发挥了重要的作用[1]。近年来，客户对产品质量 要求的提高、交货期的缩短和劳动力成本的提高，使得企业必须 向更加自动化的方向发展。将现有数控加工技术与工业机器人技 术相结合，组成数控机床-机械手加工系统是解决问题的方法之 一。数控机床-机械手加工系统布局与工作过程示意图，如图 1 所 示。在控制系统的控制下，数控机床完成零件的加工，机械手完成 工件的上下料任务，这样既能提高生产率、保证产品质量，又能大 大地降低人工成本，从而降低生产成本。针对该加工系统中的六
可依据式（1）完成坐标系 i 和 i-1 之间的变换，用 Ai 表示。
cθ 0
0 0
i
0
cθ 0
0 0 i-1
sθi
Ai i-1
sθi
0
0
0 00
0
-sθi cαi-1 cθi sαi-1 cθi
0
0 -sαi-1 cαi-1
0
αi-1
0 0 0
0
-di sαi-1
0 0 0
0
0
di cαi-1
cθ3 0
00 10
0 0 0 0 0 0 0
0
0 0
0
A4
=
0
0 0 0
-sθ4
0 -cθ4
0
1
d4
0 0
0
0
0
0 0
0
0
0
0
0
00
0
0
01
0 0
0 00
0
0
01
00 0
cθ 0
0 0
5
-sθ5
0
00 0 0
cθ 0
0 0
6
-sθ6
0
0
0 0 0
0
0
0
0
A5
=
00
0
0
sθ 0
0 0
5
0 cθ5
-1 0
A
中各元素的值。
使（4）式两端对应元素相等，一次类推，得：
在末端执行器两指抓取轴线的中点处建立 Marker 点 ： MARKER19，以此点来观察机械手末端的运动情况。根据理论运 动轨迹，STEP 函数设置各个关节的位移驱动。如表 2 所示。
表 2 ADAMS 关节驱动
关节 驱动名称
位移驱动函数
腰关节 Motion3 STEP（time，2，0，4，120d）+ STEP（time，6，0，6.5，-5d）
0
0
a2 s3
0 0
0
00 0 0
0
0
0
0
0
0
00
0
0
01
0 0
00
0
0
0
1
0 0
00
0
0
0
10 0
c0
0 0
4
0
-s4
0
0 0 0
c 0 s 0 0
0 0
5
0
5
0 0
0
-1
A4 =
00-s4
0
00
0
0 1
0
-c4 0 0 -d4
0
0
0 0 0 0 0 0
-1
A5 =
00-s5
0
00
0 0
0 c5 -1 0
图 1 自动上下料机械手布局简图
2 上下料机械手结构组成
为了能够对工件进行有效定位，抓取被加工工件并最终放 置到数控车床的三抓卡盘上进行加工处理，需要机械手具有 6 个
肩关节
肘关节
腕关节
关节，从而能够实现机械手抓取、平移、旋转一系列动作。建立模 型如右图 2 所示。该机械手由 6 个转动关节组成，分别是：腰关节 （底座）、肩关节、肘关节、腕关节 1、腕关节 2、腕关节 3 组成，最后
3 个关节的轴线交于 1 点，构成球腕。根据数控机床-机械手加工 系统的布局，将该机械手的底座固定于地面，根据抓取对象的不
同，手腕的末端安装不同的执行机构。
2 CCD 相机
工件1 4
计算机 机器人
3
5 车床
CNC
自由度机械手进行了详细的运动学分析，并用 solidworks 建立机 械手的三维模型，导入到 ADAMS 中进行运动学仿真。
0 0
0 0 0 0 0 0
A6
=
0 0
0 0
000-sθ6
0 -cθ6
10 00
0 0 0 0 0 0
0
0
0
0
00
0
0
0
10 0
0 0
0
0
0
1
0 0
图 3 机械手的简化图
机械手末端坐标系｛6｝相对于基坐标系｛0｝的位姿可以通过
Z2 X2 O1 a2
X3 Z3
d2 θ1
Z0，Z1
O2 d4
X0
O
y0，X1
0 0
0
0
1
00 0
（1）
应的各关节转角（θ1，θ2，θ3，θ4，θ5，θ6）。要解出各关节变量，首先将 已知量和未知量分离，分别置于等式左右两端，然后用未知矩阵
的逆变换逐次左乘上述矩阵方程，以便把某个关节变量分离出
来，并解出这个关节变量。
第一步，对 A1、A2、A3、A4、A5 矩阵分别求逆得：
c s 0 0 0
机械设计与制造
244
Machinery Design ＆ Manufacture
文章编号：1001-3997（2012）05-0244-03
自动上下料机械手运动学分析及仿真 *
第5期 2012 年 5 月
王战中 1 张 俊 1 季红艳 2 赵 赛 1 臧丽超 1 （1 石家庄铁道大学，石家庄 050043）
X6
X5
X4 Z5
O3
Z4
Z6
图 4 机械手连杆坐标系简化图 表 1 连杆（D- H）参数表
连杆 i 1 2 3 4 5
变量 θi θ1 θ2 θ3 θ4 θ5
αi-1 0° -90° 0° -90° 90°
ai-1
di
变量范围
0
0 （-180～180）°
0
0 （-30～60）°
a2
0 （-45～60）°
0 0
0 0 0 0 0 0 0
0
0
0
0
000
0
0
0
1 00 0
00
0
0
0
10 0
（2）
No.5
246
机械设计与制造
May.2012
-1
第二步，分离已知量和未知量，用逆变换 A1 左乘矩阵方程，
-1
得：A1 T=A2 A3 A4 A5 A6
（3）
将（2）时代入（3）式得：
c s 0 0 n o a p 0
θ5=θ6=0°时，手臂变换矩阵 T 的值。计算结果为：
00
0
1
0
0
0 0
0
0
00
0
T=
0 0
0
1
a2 +d4
0 0 0 0
10
0
0
0
0
0 0
0
0
0
0
00
0
0
0
1
0 0
该计算结果与机械手连杆简化图 4 表现一致，说明通过运
动学正解所求得的机械手末端位姿表达式 T 是正确的。
3.3 运动学逆解分析
运动学逆解是在给定了已知条件，即能够满足某种工作要
腰关节 图 2 机械手的结构模型
＊来稿日期：2011-07-26 ＊基金项目：河北省自然基金（F2008000448），河北省教育厅项目号（2009335），河北省科技支撑项目（12212113D）
第5期
王战中等：自动上下料机械手运动学分析及仿真
245
3 运动学分析
3.1 坐标系建立
采用 D-H（Denavit-Hartenberg）参数法建立该机械手的运动 学模型。该机械手的简化图，如图 3 所示。分别在各连杆的下关节 处建立连杆坐标系，如图 4 所示。图中：ai—两个关节的关节轴线 Ji 与 Ji+1 的公垂线距离；ai—轴线 Zi 到 Zi+1 绕 Xi 旋转的角度；di— 轴线 Xi-1 到 Xi 沿 Zi-1 的距离；θi—轴线 Xi-1 到 Xi 沿 Zi 旋转的角度。 相应的关节和连杆参数表[2-5]，如表 1 所示。
0
0 0
1
1
0 0
c0
0 0
2
0 -s2 0
0 0 0
c0
0 0
3
s3
0
-a2 c3
0 0 0
0
0
0
0
0
0
-1
A1 =
00-s1
0
00
0
c1 0