基于UG的窨井清掏机械手的运动学仿真

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机械手自上世纪5O年代末问世以来，经过多年的发展，现在已经成为制造业生产过程中不可替代的自动化设备 l。在 日常生活中，机械手的使用也越来越频繁，机械手在现代化城市建设过程中发挥了重要的作用，广泛应用到许多较为枯燥而繁重的工作中。

随着城市化进程加快，城市人口的数量快速增加，生活垃圾随之增多。特别在城市建设过程中，经常发生井盖损害，路缘石、石块、砖头、水泥块、路面沥青块掉进窨井的现象，城市窨井经常出现不易清理，甚至发生污水管道堵塞现象，给人们的生活带来了许多不便，影响了城市的环境卫生。

通过分析城市窨井清掏作业的现状，以及作业现场的客观实际。设计-种新型具有抓取不同形状重物能力的清掏机械手。

1 清掏机械手的特点及工作过程1.1清掏机械手的特点现在大多数城市清掏窨井内的重物主要依靠大铁勺，铁叉，夹具等原始工具进行人工清掏口，这种清理方法存在很 多问题：工作安全性差；劳动强度大；清掏效率低下；清理效果和可靠性差。

该清掏机械手与原始的窨井清掏工具相比有以下优点：1)工作效率高，节省大量劳动力；2)结构简单，动作灵活；3)布置紧凑，占用空间小；4)操作简单，安全可靠。

1.2清掏机械手的工作过程清掏机械手可实现两种功能 ：-种功能是抓瓤井内的重物；另-种功能是自动卸载重物。

121抓取路缘石的工作过程机械手车体运行至窨井处，使机械手伸缩臂处于窨井口正上方，并旧能地对准路缘石所在位置。通过升降液压缸动作，伸缩逐渐伸长，直至机械手达到路缘石上方约0.1m处，伸缩臂停止伸长。在液压驱动下打开机械手，同时调整旋转臂和机械手角度，使得机械手张开角度范围能够适合路缘石的外轮廓，机械手处于打开状态。伸缩臂继续伸长，直至机械手夹持住路缘石∝制机械手张合的液压缸动作，机械手合拢，夹持路收稿日期：2012-12-04作者简介：王俊跃 (1982-)，男，硕士研究生，研究方向为机电-体化。

12.2卸载路缘石的工作过程夹持着路缘石的机械手臂在液压的驱动下，回缩伸缩臂，直至夹持路缘石机械手离开窨井井口，调整伸缩臂位置和角度，机械手打开，路缘石脱落，使得机械手移动至重物回收车，路缘石卸载过程完成。

2 清掏机械手传动及驱动方案选择为了满足设计要求，在清掏机械手设计时应分析和确定设计方案，影响方案选择主要有两方面因素：1)机械手的传动方式；2)机械手的驱动方式。

机械手的传动方式主要有齿轮传动、连杆传动、软索传动等。其中，齿轮传动传动平稳，传动比精确 ，工作可靠、效率高 ，但 占用空间较大、传动冲击大、并且啮合传动会产生噪声：软索传动具有全行程 漂副、操作灵活、速度更快等功能，但软索式机械手不利于控制抓取位置；连杆传动可实现大力矩传动，加工制造相对简单，便于控制；机械手的驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式。液压式具有传动功率大，低速、平稳、过载保护能力和传动布置灵活等特点 ；气动式利用气体的抗挤压力来实现力的传递，但传动效率较液压式要低；电动式利用电能转化为机械能从而对执行部分做功，方便、省力，但是在水下作业需要很高的密封性：机械式适用于大功率的诚，传动比准确，但要求较高的制造精度和安装精度。

为了满足抓取重物的清掏机械手总体结构要有良好的适应性，根据设计要求并结合以上各种方式的特点，选用连杆传动方式和液压驱动方式，该设计方案较实用、可靠和经济。

3 机械手手爪运动学建模分析3.1手爪正运动学分析机械手机构是由两相对的手爪组成，运动轨迹完全相同，可以看成是曲柄滑块机构 。运动学分析只需要分析-只手爪的运动即可，手爪部分连杆坐标系如图IN示，在图中，构件R4是液压缸机构，运动副为滑动副，连杆R 与机构R 、连杆Rz与R 、连杆R。与机构R4相互运动，均为转动副，连杆Rz与R，夹角假设为 0。，连杆R。与R 夹角假设为 0 。连杆R。与R 垂直固连，R 往复运动，同时54 第35卷 第3期 2013-04(下)绕R-转动，带动R，摆动，使 0，大小改变，从而使手爪张开闭合。

YR1 XR2 /图1 各连杆坐标 系由图可列闭环矢量方程，得到式 (1)。

R2R3RIR4 (11将 各矢 量分解 到X和Y坐标 轴上 ，得到式(2) 。

rrr4COS04r3sin (2)l r2-r3cos03r4sin04由式 (1)解 出机 构 末端 转 角 ，得 到 式(3)。

03sin-1 pl 04SiIr· 2 2 2 2- (3二 r4式中协 ，1390。 。

3.2手爪逆运动学分析手爪机构的逆运动学为已知末端 (即手爪的曲柄)的位姿 ，求驱动件 (即手爪机构的主动件滑块机构)的运动。

r rl r3sin03十r4COS6/4L r，r4sin04r3cos01 叶将式 (4)两边分别对时间求导数，得到手爪机构速度逆解，用矩阵表达式的形式表示手爪机构速度逆解为式 (5)。

l[r4r4cos04 r3 sin 03 ]F040 sin04 r3 cos03 (5) J r4 儿5 J l 訇 出4 清掏机械手的运动仿真分析4.1 UG NX 7.5简介UG是Unigraphics的简称，起源于美国麦道航空公司，UG NX是在UG软件基础上发展起来的。

UG NX目前属于德国西门子公司，UG NX7.5是Siemens PLM Software公司开发的最新PLM (产品生命周期管理)软件，是当今世界比较先进、应用广泛的高端集成管理软件之-。UG是当前三维图形设计软件中使用最为广泛的应用软件之-，广泛应用于通用机械、模具、家电、汽车及航天等领域 J。

4-2建立机械手的三维实体装配模型为实现对窖井内重物的清掏，机械手主要由两个手爪、活塞缸、活塞、连杆及销轴等构成。

针对清掏机械手的设计方案，运用UG NX 7.5模型装配与运动仿真拈功能，能够方便快速地对该机械手进行虚拟建模、仿真、比较、修改与优化，设计过程直观、精确。图2为清掏机械手运动仿真流程图。

图2 清掏机械手运动仿真流程4.2.1机械手三维实体建模利用uG NX强大的实体建模功能，在UG Nx7.5软件中进行如下的操作，设计机械手的各零件三维实体 J。

1)新建文件。启动UG NX 7.5软件，点击新建，在弹出的对话框中指定文件的存储位置、部件名及单位，规划并设置图层，定制工具条；2)创建草图。在选定的基准平面、实体平面或以坐标系设定的平面上创建草图，创建草图时，先绘制出-个大致的轮廓，然后通过约束条件来精确定义图形，在草图工作平面上建立草图对象 (即草图中的曲线和点)，草图约束限制草图的形状和大小，包括几何约束和尺寸约束；3)草图操作。草图环境中提供了多种草图曲线的编辑功能与操作工具，绘制各零部件草图时用到了编辑曲线、编辑定义线串、偏置曲线、镜像曲线等功能；4)实体建模 。草图绘制完成后，退出草图界面，进入实体建模，利用实体拈所提供的功能，将二维轮廓图延伸成为三维的实体模型，然后在此基础上，添加设计模型需要的特性，如用到的拉伸、回转、凸台、钻孔、镜像体、实例特征、倒圆角、修剪体、求和等功能，将各部分实体求和缝合成-个实体；5)保存文件 。为了避免由于操作失误或死机等原因造成文件丢失或损坏，在三维建模过程中，每隔-段时间就应该保存当前文件。

422机械手装配UG NX 7.5的装配拈能够将关系零部件按照设计需求的配合关系组合成装配部件。

1)创建装配部件。启动UG NX 7.5，单击新建”按钮，在新建对话框中选择 装配”，输入文件名，指定文件的保存路径，进入uG装配环境。选择菜单栏中 装配”- 组件”- 添加组件”等操作。

2)装配约束。装配约束是把部件之 间点、边、面以及基准轴、基准面等几何对象之间的配对关系，用以确定部件在装配中的相对位置。

在UG NX 7.5中，通过绘制草图、实体建模、模型装配等功能，生成机械手三维装配实体模型如图3所示。

图3 机械手装配实体模型根据实际作业环境的需要，设计机械手手爪圆弧直径为720mm，两手爪全部张开时直径为460mm。其中大手爪为五指，宽度为340mm，小手爪为四指宽度为250mm，手爪最大张开度第35卷 第3期 2013-04(下) [55 l 匐 似在掘进机器人监控界面中，可以实时的观测到两块激光接收屏的坐标信息，也可能很容易的观测到当前机体横滚角、偏航角和俯仰角的值。

通过右边的轨迹跟踪显示区，可以观察到截割头的运行轨迹。掘进机器人监控界面如图lO所示。

图10 监控界面3 结束语建立自动化掘进机的导航定位系统，它是由激光发射器和-对平行的激光接收显示屏组成。

利用倾角传感器测得的数据，结合导航定位系统得到的机体俯仰偏角以及横滚角的信息，采用坐标变换的原理，确定自动化掘进机机体的位姿以及其在巷道中的位置关系，最终实现机器人按照预定轨迹自动行进的目的。