高速精密重载机械手作为工业装备制造领域中的重要装备，因其具有承重大、速度快，显著提高生产效率，降低企业工人劳动强度等优点，被广泛应用汽车制造、航天、航空以及钢铁冶炼等领域[1～3]。但在重载情况下，机械手的定位精度、速度以及机械结构的承受力等都会下降，从而影响了机械手的工作质量、性能以及工作效率。因此需要提高机械手的整体性能，就需要找到影响“精密”、“重载”、“高速”三者的因素，寻找到一个平衡点进行设计[4～6]。而影响因素往往是多方面的，主要有机械手驱动系统、机械手装配精度、控制系统、传动系统等。这些影响因素并不是简单叠加，而是相互作用、相互影响的合成体。

为了设计一款高速精密重载的机械手，本文对机械手总体以及结构进行探讨，并对机械手运行学进行分析，提出一种高速精密重载机械手装配方法，最后对机械手进行动力学仿真，得到了构件的位移、速度、加速度等曲线，通过数据分析以实现机械手结构的修改设计，得到更合理的机构设计方法。

1 机械手设计要求及运动学模型

1.1 机械手设计要求

本文设计的高速精密重载机械手拥有6个自由度，要完成6自由度机械手的仿真研究，需要建立机械手的虚拟样机模型，在模型的基础上进行动力学仿真。6自由度机械手主要包括动力驱动装置、基座以及各大手臂组成，手臂包括下臂、上臂以及末端夹手。对机械手采用液压以及伺服驱动的方式，通过伺服驱动使机械手完成6个自由度的运行，机械手结合智能电气自动控制系统，能够完成重大物品的抓取，实现操作的重载化。本文机械手在运动过程中能够配合传感器以及运动控制模块完成物品的精确定位，从而通过机械手实现智能化机械装配以及其他的相关作业任务。本机械手需要具备高效率稳定运转，能够实现高精度定位、轻量化的高强度等特点。

臂部结构是机械手的主要夹持部件，主要是支撑并带动腕部和抓手一起在空间进行运动。为了实现臂部的伸缩、回转运动，需要满足几点要求：臂部应承载较大重量，刚度强；臂部运动速度快、运动惯性小；臂部能够实现多维度运动；定位精度高。根据设计要求，本臂部采用2个液压缸实现其机身的上升和下降以及手臂的伸缩，机身的旋转和手臂的运动都通过伺服电机进行驱动。机械手腕部和手部的基本要求是：抓取力量均匀、重量轻。手部采用一个回旋液压缸进行驱动，其拥有一个旋转自由度。

青蛙跳着来到一堆臭烘烘的牛屎旁，看见屎壳郎就问：“屎壳郎先生，打扰您了，请问这里离隔壁的大森林有多远呢？”

将式（3）、式（4）以及式（5）代入到式（2）得到机械手末端抓手相对于底座的坐标变换

1.2 运动学模型

前面介绍了机械手的总体设计要求和运动方程，而机械手上三维模型的建立较为复杂，三维模型的建立是采用软件进行机械手动力学仿真的基础保证，所建立模型的好坏对于动力学仿真数据的采集至关重要[7～8]。

为了减小仿真出错率，在建机械手装配体模型时，将机械手中对仿真影响较小的零件去掉，例如螺钉、螺栓、传送带等。在Pro.E中建立的机械手装配体模型主要包括以下几个部分：底座、肩部、臂部、腕部、小臂、抓手等部分。如图2所示。

女朋友跟我说要去色达的时候我们刚刚离校，争执了半天旅行的目的地，最后她摇着手机上“再见色达”这一条新闻，固执地订了双人票。于是我们数着边际草原上以百计量的牦牛，进了藏族聚居区。坐着大巴，看路人衣着眨眼间就变成深色的长袍，连着片就像满地红霜。

本文的研究材料包括新鲜未加工、新鲜带壳水煮和晒干后带壳水煮处理的花生，通过凯式定氮法比较花生总蛋白含量，利用质谱法检测各主要过敏原蛋白的含量和花生过敏原肽段在热加工前后的变化，以期为研究热加工对花生蛋白结构和致敏性的影响提供理论依据。

式中，si=sinθi，ci=cosθi，i=1,2,3。

机械手是通过多个不同零件装配而成，本文采用Pro.E实现机械手的装配。通过自下而上进行装配，如图1所示，首先建立好装配所需要的零件，然后由下而上，由小到大完成装配。在自底部往上建模时，先生成各种底层件的三维实体模型，再对零件进行定位和装配。

2 机械手装配建模

对机械手各个连杆建立D-H坐标系，矩阵为相邻连杆的坐标变换，表示为：

此外，换新的奶粉宝宝可能也会不适应而引起腹泻等胃肠道症状，旧奶粉换成新奶粉要慢慢换，兑奶的时候逐渐减1勺旧奶粉加1勺新的，整个更换过程至少应有3天，要注意观察有没有不适应。

图1 自下而上装配方法

式中，qn为连杆n的长度；αn为连杆n的扭角；θn为连杆n-1和连杆n之间的夹角；dn为连杆n-1两端关节轴线的公法线和连杆n两关节轴线公法线之间的相对位置。将连杆的坐标变换相乘便可得到基座坐标变换矩阵：

由式（1）可知，如果得到，便可得到末端执行器相对于机械手底座的相对位置姿态的变换矩阵：

图2 机械手三维实体装配模型

3 机械手动力学仿真

对机械手的动力学进行仿真，假设机械手拖动一个焊枪沿着直线焊接一条20 cm的直线焊缝，首先利用RecurDyn的PTCV约束，建立好直线焊缝如图3所示。

图3 机械手直线焊缝轨迹

通过PTCV添加驱动约束后，再进行相应参数设置，经过仿真可以得到轴1～轴6的角速度、角加速度以及角度变化曲线，如图4所示。

图4中的曲线直观地反映了在进行直线焊缝焊接时，机械手各个关节在运转过程中各参数的变化，从中可以分析出机械手运动过程中的性能特征以及后续改进方法。由各关节的角度、角速度曲线可以看出，机械手在运动过程中角度能够平稳光滑的过渡，但机械手角速度波动较大。这种波动是由各连杆之间的转角约束不适合导致，在后续控制过程中需要调节各关节角度的变化范围。

在本视频中，来自中国出生缺陷监测中心、全国妇幼卫生监测办公室的朱军教授强调，如果不加大防控力度，出生缺陷总量势必增加，并给出了数据来支持这一说法。

4 结语

为了提高多功能高速精密机械手的运动特性，解决机械手重载、定位精度以及速度之间平衡关系，对机械手进行了设计仿真。机械手是通过多个不同零件装配而成，采用Pro.E实现机械手的装配，通过自下而上的装配方法，建立了机械手的三维空间模型。通过仿真得到了6自由度机械手的角度、角速度以及角加速度曲线，通过该曲线可以为机械手后续运动控制、轨迹规划等提供重要参数依据以及进一步改进意见。

图4 各关节角速度、角加速度以及角度仿真曲线

参考文献:

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