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[摘要]：本论文介绍用PROE和MATLAB对上下料机械手执行机构进行建模与仿真的过程，针对机械手机构、动力耦合模型。首先分析执行机构的动力学模型，然后对工作机构进行三维基础建模，并在此模型基础上用MATLAB 软件对正运动学进行分析仿真模拟。仿真结果改进和完善了该款上下料机械手执行机构的整体设计方案，同时也降低了研发成本，提高了机械手设计开发的效率和可靠性。
[关键词]：执行机构 动力耦合模型 虚拟仿真模型
引言
自动上下料装置作为机械手应用的一个重要方面，国外的高端机床很广泛的应用该装置，这种装置作为机床的附属装置，配合机床的动作，自动的完成工件的上下料动作，不仅动作快速，而且重复定位精度高。虚拟仿真设计是机器人发展的趋势，它能通过建立虚拟样机代替传统的物理样机再进行动力学分析，为设计提高了效率并为企业降低研发成本，也使得装置具有更加灵活的安装系统，扩大了机械手的运用范围。
本论文介绍对上下料机械手执行机构进行建模与仿真的过程，针对工作装置的机构的机械和动力耦合模型，首先分析执行机构的动力学模型，然后对工作机构进行三维建模，然后并在此模型基础上用MATLAB 软件对正运动学分析进行仿真模拟。
1.工作装置机构及典型工况动力学分析
机械臂工作装置的结构型式分为有铲斗托架和无铲斗托架两种，上下料机械手工作装置作业时的动作与一个取物机器人很相似，它是由动臂相对回转装置的旋转关节、回转机构的回转关节、斗杆绕动臂末端的旋转关节以及铲斗绕斗杆末端的旋转关节构成的1R-3P系统。此工作装置具有四个自由度。本论文用的是D-H齐次变换矩阵方法描述相邻两杆件的平移、转动关系。D-H方法通过在各关节建立局部坐标系，然后根据各关节的结构参数，依据一定准则来确定局部坐标系到全局坐标系的对应关系。其核心是各个坐标系的映射关系即其基本变换矩阵。
根据D-H坐标系的建立手段，首先是要给每个连杆机构确定好局部的坐标系，各坐标系所建立的坐标轴是根据下列原则确定：Z轴沿着关节的运动轴；X轴正垂直于Z轴的位置；Y轴按右手坐标系定则要求进行设建。D-H坐标系描述相邻连杆机构坐标系的建立如下图1所示：
已知关节角，是通过齐次变换的方法来介绍各坐标系之间的关系与姿态。通常把介绍一组杆件坐标系与下一组杆件坐标系之间的相对平移和旋转变换称为T矩阵，也称为D-H变换矩阵。针对该机械手，用T1表示底座转台相对于基系的位置和姿态，T2表示动臂相对于转台坐标系的方位和姿态， T3表示杆与动臂坐标系的方位和姿态，T4表示爪基坐标系相对于杆坐标系的方位和姿态。那么爪的相对基准坐标系的方位和姿态可由下列矩阵的乘积给出。
2.机械手三维建模过程
本文涉及的拉锯床上下料机械手零部件主要有：手臂支架、底座、万向轮、舵机、支盘、舵机支架
第一步：本文采用以底座为基座的装配顺序。
第二步：这一步装配的是拉锯床上下料机械臂的旋转关节，机械臂可以进行正反向旋转，以满足拉锯床上下料机械臂在拉锯床上工作时的上下料操作。
第三步：这一步装配的是拉锯床上下料机械臂的动力臂，动力臂是承载拉锯床加工工件主要重量的部分，对舵机和支架的强度要求较高，是整个设计的关键部分之一。
第四步：这一步装配的是拉锯床上下料机械臂的平衡臂，平衡臂主要在拉锯床上安装调试过程中调节工作的空间时使用。
3.机械臂动力学仿真分析
运动学仿真得到的各关节的位置速度、加速度、角加速度等数据见下列几张图
图2 第1关节速度、加速度曲线和第3关节位置和角加速度曲线
4.结束语
在分析了上下料机械手执行机构的动力学的数学模型的基础上，根据实际执行机构的结构， 在PROE用户界面上进行三维模型的建立并成功搭建了用于分析执行机构各项性能指标的仿真模型。仿真的结果表明，模型符合实际机械手操作的路径、受力等要求，在模型中能够获得在时域范围内的机械手任一点的速度和加速度曲线。同时通过修改模型的参数和系统的组合结构， 可以立即得到每个关节处的新的各项曲线和特性，利用虚拟仿真设计技术对机械手的执行机构进行分析和仿真，对整个机构的集成仿真研究具有很大的意义。
参考文献：
[1] Rasim Aiizade.Structural synthesis of Euclidean platform robot martiptrlators with variable general comtraints [J].Mechanism and machine theory， 2008 （43）：10-12.
[2] 张秩，谢存禧.机器人学 [M].广州：华南理工，2000，17（22）：33-35.
[3] 雷春丽.码垛机械手运动学分析 [J] .现代制造工程，2009（11）：119-121.
[4] Lasalle.J and lefschetz. S .Stability by Liapunov Direct Method with Applications.Academic Press [J].New York，1961，16（6）：56-58.
[5] 刘小勇，冯江.七自由度番茄收获机械手运动学求解 [J].农机化研究，2006 （11）： 88-89.
[关键词]：执行机构 动力耦合模型 虚拟仿真模型
引言
自动上下料装置作为机械手应用的一个重要方面，国外的高端机床很广泛的应用该装置，这种装置作为机床的附属装置，配合机床的动作，自动的完成工件的上下料动作，不仅动作快速，而且重复定位精度高。虚拟仿真设计是机器人发展的趋势，它能通过建立虚拟样机代替传统的物理样机再进行动力学分析，为设计提高了效率并为企业降低研发成本，也使得装置具有更加灵活的安装系统，扩大了机械手的运用范围。
本论文介绍对上下料机械手执行机构进行建模与仿真的过程，针对工作装置的机构的机械和动力耦合模型，首先分析执行机构的动力学模型，然后对工作机构进行三维建模，然后并在此模型基础上用MATLAB 软件对正运动学分析进行仿真模拟。
1.工作装置机构及典型工况动力学分析
机械臂工作装置的结构型式分为有铲斗托架和无铲斗托架两种，上下料机械手工作装置作业时的动作与一个取物机器人很相似，它是由动臂相对回转装置的旋转关节、回转机构的回转关节、斗杆绕动臂末端的旋转关节以及铲斗绕斗杆末端的旋转关节构成的1R-3P系统。此工作装置具有四个自由度。本论文用的是D-H齐次变换矩阵方法描述相邻两杆件的平移、转动关系。D-H方法通过在各关节建立局部坐标系，然后根据各关节的结构参数，依据一定准则来确定局部坐标系到全局坐标系的对应关系。其核心是各个坐标系的映射关系即其基本变换矩阵。
根据D-H坐标系的建立手段，首先是要给每个连杆机构确定好局部的坐标系，各坐标系所建立的坐标轴是根据下列原则确定：Z轴沿着关节的运动轴；X轴正垂直于Z轴的位置；Y轴按右手坐标系定则要求进行设建。D-H坐标系描述相邻连杆机构坐标系的建立如下图1所示：
已知关节角，是通过齐次变换的方法来介绍各坐标系之间的关系与姿态。通常把介绍一组杆件坐标系与下一组杆件坐标系之间的相对平移和旋转变换称为T矩阵，也称为D-H变换矩阵。针对该机械手，用T1表示底座转台相对于基系的位置和姿态，T2表示动臂相对于转台坐标系的方位和姿态， T3表示杆与动臂坐标系的方位和姿态，T4表示爪基坐标系相对于杆坐标系的方位和姿态。那么爪的相对基准坐标系的方位和姿态可由下列矩阵的乘积给出。
2.机械手三维建模过程
本文涉及的拉锯床上下料机械手零部件主要有：手臂支架、底座、万向轮、舵机、支盘、舵机支架
第一步：本文采用以底座为基座的装配顺序。
第二步：这一步装配的是拉锯床上下料机械臂的旋转关节，机械臂可以进行正反向旋转，以满足拉锯床上下料机械臂在拉锯床上工作时的上下料操作。
第三步：这一步装配的是拉锯床上下料机械臂的动力臂，动力臂是承载拉锯床加工工件主要重量的部分，对舵机和支架的强度要求较高，是整个设计的关键部分之一。
第四步：这一步装配的是拉锯床上下料机械臂的平衡臂，平衡臂主要在拉锯床上安装调试过程中调节工作的空间时使用。
3.机械臂动力学仿真分析
运动学仿真得到的各关节的位置速度、加速度、角加速度等数据见下列几张图
图2 第1关节速度、加速度曲线和第3关节位置和角加速度曲线
4.结束语
在分析了上下料机械手执行机构的动力学的数学模型的基础上，根据实际执行机构的结构， 在PROE用户界面上进行三维模型的建立并成功搭建了用于分析执行机构各项性能指标的仿真模型。仿真的结果表明，模型符合实际机械手操作的路径、受力等要求，在模型中能够获得在时域范围内的机械手任一点的速度和加速度曲线。同时通过修改模型的参数和系统的组合结构， 可以立即得到每个关节处的新的各项曲线和特性，利用虚拟仿真设计技术对机械手的执行机构进行分析和仿真，对整个机构的集成仿真研究具有很大的意义。
参考文献：
[1] Rasim Aiizade.Structural synthesis of Euclidean platform robot martiptrlators with variable general comtraints [J].Mechanism and machine theory， 2008 （43）：10-12.
[2] 张秩，谢存禧.机器人学 [M].广州：华南理工，2000，17（22）：33-35.
[3] 雷春丽.码垛机械手运动学分析 [J] .现代制造工程，2009（11）：119-121.
[4] Lasalle.J and lefschetz. S .Stability by Liapunov Direct Method with Applications.Academic Press [J].New York，1961，16（6）：56-58.
[5] 刘小勇，冯江.七自由度番茄收获机械手运动学求解 [J].农机化研究，2006 （11）： 88-89.