基于虚拟样机技术的六自由度机械手建模与仿真

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六自由度机械手广泛的应用于工业、农业等领域，六自由度机械手的运动和仿真分析得到研究 。根据具体用途的不同，六自由度机械手会有不同的表征形式if，-81。

采用 Pro/E三维建模软件建立了-种六 自由度机械手的机械模型，随后应用 MSC.ADAMS动力学分析软件，对机械手进行动力学仿真和分析。

2六自由度机械手机械系统建模2.1机械手自由度的选择机械手运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。自由度是机械手设计的关键参数，自由度越多，机械手的灵活性越大、通用性越广，但其结构也越复杂。在考虑机械手用途 、成本及技术难度等问题后，选择机械手的自由度为六个，末端执行器可以自由开合，能够完成物体的抓、移、放等动作，六自由度机械手的原理框图，如图 1所示。

图 1六自由度机械手的机械原理框图Fig.1 Mechanical Principle Block Diagram ofthe Six Degree of Freedom Manipulator2.2机械手系统设计要求机械手系统由机械本体结构、伺服驱动系统、计算机控制系统、传感系统和通信接口等部分组成。六自由度机械手的关节，由不同型号伺服电机和步进电机驱动，构成转动关节和移动关节。Z(i-0，1，2，3，4)表示旋转副旋转设计，D.、D：为移动副移动设计。

Motion1、2、3、4、5、6关节均由伺服电机驱动，关节的转角分别为范 围为：0。≤陇1<360。，45。≤ 2≤180。，0。≤ 3<360。，45。≤来稿日期：2012-09-14基金项目：山东省自然科学基金(zR201 rEID38，ZR2012CQo26)；01东省高等学衅技计划项目(Jl1LDl6，J12LB63)作者简介：孙 群，(1979-)，男，LU东淄博人，博士，副教授，硕士生导师，主要研究方向：机械仿生学与机器人技术研究第 7期 孙 群等：基于虚拟样机技术的六自由度机械手建模与仿真 179≤135。；移动副的移动范围分别为：0mm≤D.<220mm，0BinD2<150mm。

现假设有-静止的物体，其空间三维坐标已固定。本机械手实现对其的抓韧夹持。夹持时底座驱动电机 Motion1通过传动齿轮减速机构驱动旋转臂转动，确定抓取物与机械手角度差 。，伸缩臂驱动电机 Motion2则驱动伸缩臂部分上下移动 ，确定抓取物与机械手竖直方向差值 D。，伺服电机 Motion3通过减速机构带动旋转臂在 z方向旋转确定角度 ，Motion4则带动旋转臂外侧移动以增加水平移动距离 D：，Motion5安装在旋转臂顶部带动-锥齿轮选装以确定旋转角度 ，Motion6带动末端执行器本体运动以确定旋转角度 。对于执行器则根据电磁力驱动来完成夹持物体的工作。

2.3机械手机械系统的组成六自由度机械手的机械系统由底座、主旋转电机、减速机构、中心直齿轮、z轴方向伸缩结构、 和y轴方向的伸缩结构、节点电机和末端执行器等组成，利用 Pro/E软件对机械手进行建模，机械手的整体结构组成，如图 2所示。

1.底座 2.中心小直齿轮 3.谐波减速机构 4.主旋转驱动电机5.中心大直齿轮 6.轴升降主体(外)7.升降电机8.旋转节点驱动电机 9.臂部伸缩结构 1O.腕部的旋转结构1 1腕部摆动机构 12.末端执行器图 2六自由度机械手的机械系统组成Fig.2 The Composition of Mechanical System with Six Degrees ofFreedom Manipulator2.4机械手伺服驱动系统设计机械手的关节驱动共需要 6个电机，选择电机的-个重要参数就是驱动功率。例如计算主旋电机的功率步骤如下：采用公式为(1)和(2)简化机械手的模型。

： (1)a 。Q 2 m (2)l假设机械手臂的质量 为 m手5.0kg，重物的质量为 m 5.0kg，机械系统其它转动件的质量为m35.0kg，则总质量可以表示为 mm物m手m315.0kg，手臂简化长度为 L200mm0.2m，近似得到转动惯量为 15x0.22-0.6kgmz。设电机经减速后作用在机械手臂上的转速为n20r/min，即是to2.094rad/s，则电机自身的角速度为：w6.28rad/s，其驱动功率为：P-J 0.5x0.6x2.09421.315W。据此，选择驱动电机。

2.5机械传动机构机械传动机构是机械手的重要组成部分，其作用是将动力机产生的运动和动力传递给执行机构或执行构件，使驱动电动机与负载的转矩和转速相互匹配，以实现预定功能的中间装置。机械手的底座部分采用齿轮传动。在左侧竖直部分的升降采用出轮齿条的传动方式，同时起升降作用的电机采用交流伺服电机，减速器采用谐波齿轮传动。减速机构和电机在-起随着臂体机构上下升降。

机械手手臂部分的伸缩传动系统，把电机的旋转运动转化为直线运动，最常用的方法是丝杠螺母传动方式，电机轴与丝杠之间采用锥环无键联接或高精度十字联轴器联接，从而使进给传动系统具有较高的传动精度和传动刚度，并简化了机械结构。

3机械手虚拟样机仿真3.1虚拟样机技术概述虚拟样机技术是-种基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方法，这些数字模型即虚拟样机。虚拟样机是建立在计算机上的原型系统或子系统模型，它在-定程度上具有与物理样机相当的功能真实度，采用虚拟样机技术可以提高机械产品的研制效率，虚拟样机的代表性软件是MSC.ADAMS软件 。

3.2模型导入 MSC.ADAMS软件的方法将三维模型导入 MSC.ADAMS软件中常用的方法有两种[ 01：(1)将 Pro/ENGINEERING中创建的模型另存为 MSC.ADAMS可以识别的文件格式(如 IGES、STEP、 xJ )，然后打开 ADAMS软件，选择菜单 File下的子菜单 Import，打开的对话框下选择File Type为 Parasolid(.Xmttxt”，.Xt”)，并在 File To Read对话框中，