5自由度机械手动力学分析与仿真

科技通报　第２８卷第８期　Ｖｏ１．２８　Ｎｏ．８　２０１２年８月　ＢＵＬＬＥＴＩＮ　０Ｆ　ＳＣＩＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　Ａｕｇ．２０１２　５自由度机械手动力学分析与仿真　程　远　ｆ无锡职业技术学院机电技术学院，江苏无锡２１４１２１）　摘要：针对５自由度机械手，基于Ｌａｇｒａｎｇｅ方程建￣Ｔ５自由度机械手的动力学模型，通过Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ　建立实体仿真模型，并且通过ＣｏｓＭｏｔｉｏｎ进行了动力学仿真，得出了各关节力矩和时间的关系曲线，分　析了机械手各关节在不同角速度下对各关节力矩的影响，这对改善机械手的设计提供了帮助，并为机　械手的驱动控制打下了基础。　关键词：机械手；动力学分析；仿真　中图分类号：ＴＰ２４１　文献识别码：Ａ　文章编号：１００１—７１１９（２０１２）０８－０１２３－０３　Ｄｙｎａｍｉｃ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　５一Ｄ　Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ　ＣＨＥＮＣ　Ｙｕａｎ　（Ｗｕｘｉ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｘｉ　２１４１２１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：ｆｏｒ　５　ｄｅｇｒｅｅｓ　ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ，ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｌａｇｒａｎｇｅ　ｅｑｕａｔｉｏｎ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｈａｓ　５　ｄｅｇｒｅｅｓ　ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ　ｏｆ　ｄｙｎａｍｉｃｓ　ｍｏｄｅｌ，ｔｈｒｏｕｇｈ　Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｅｎｔｉｔｙ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ，ａｎｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ＣｏｓＭｏｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｈａｓ　ｄｙｎａｍｉｃｓ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｃｏｎ－　ｅｌｕｄｅｄ　ｔｈａｔ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ｊｏｉｎｔｓ　ｔｏｒｑｕｅ　ａｎｄ　ｔｉｍｅ　ｏｆ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｃｕｒｖｅ，ａｎａｌｙｓｉｓ　ｈａｓ　ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ　ｔｈｅ　ｊｏｉｎｔｓ　ｉｎ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｃｏｒｎｅｒ　ｓｐｅｅｄ　Ｘｉａ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｊｏｉｎｔｓ　ｔｏｒｑｕｅ　ｏｆ　ｅｆｆｅｃｔｓ，ｔｈｉｓ　ｏｎ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ　ｏｆ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ｈａｓ　ｈｅｌｐ，ａｎｄ　ｆｏｒ　ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ　ｏｆ　ｄｒｉｖｅｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｌａｙ　ｈａｓ　ｂａｓｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ；ｄｙｎａｍｉｃ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　本文针对本校研究所为配合学校教学工作而开发　５个自由度依次为腰部回转、下臂俯仰、上臂俯仰、手腕　的５自由度多关节机械手进行动力学研究分析与仿真，　回转、手腕俯仰。机构原理图如图２所示。　为参数优化及运动控制提供依据。　该机械手手臂的主要结构参数见表１。　机械手手臂的动力学建模有多种方法，最为常见　该机械手的设计目标是完成对目标物的夹持、移　的有基于Ｌａｇｒａｎｇｅ方程的方法、Ｋａｎｅ方法、旋转代数　动和翻转等动作（例如用机械手完成抓取易拉罐后向　法和Ｎｅｗｔｏｎ—Ｅｕｌｅｒ方法等。仿真软件也多种多样，如　茶杯中倒水）。　ＡＤＡＭＳ、ＤＡＤＳ、ＤＩＳＣＯＯＳ等［　。本文采用基于Ｌａ—　ｇｒａｎｇｅ方程的方法对其进行了动力学分析，并利用　２机械手动力学分析　Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ的ＣＯＳＭｏｔｉｏｎ仿真软件进行了动态仿真。　结果显示，通过对一些相应参数的修改，可以改善设　２．１机械手系统运动学方程　计，提高控制性能。　在进行动力学研究时首先建立基本的运动学方　程。这里采用Ｄ—Ｈ方法建立机械手手臂的齐次坐标变　１机械手机械结构描述　换矩阵矩阵如下：　图ｌ为５自由度机械手模型。该机械手同定在实验　ｎＡ　（１）　＝】　台上，由腰部、下臂、上臂、手腕、手部和驱动装置组成。　式中，　为坐标变换矩阵，为第ｉ个自由度的齐次　收稿日期：２０１２—０３—１６　作者简介：程远（１９７３一），男，江苏无锡人，讲师，硕士，研究方向：机械手及自动化设备。　３１　Ｌｏｏｐ　３２　Ｌｏｏｐ　３３　Ｌｏｏｐ　４结语　本文提出了一种改进的Ｋ—Ｍｅａｎｓ聚类算法一ＩＫ—　ＭＱＴ。排队论方法与Ｋ—Ｍｅａｎｓ算法结合，通过排队论思　想导出Ｋ—Ｍｅａｎｓ算法的初值　，同时考虑到节点的位置　经过算法分析ＩＫＭＱＴ￣计算复杂度为Ｏ　ｒｆ　Ｋ　＋ｍ：　ｆｍ　＋ｌ　。ｍ　为算法中聚类拆分的次数。传统Ｋ—　Ｍｅａｎｓ算法的计算复杂度为Ｏ（（ｍ　Ｋ。＋　（ｍ　＋１）／２）　ｎ『）１其中，为迭代次数，ｍ　为人为设定　的次数。与传　统的Ｋ－Ｍｅａｎｓ算法相比，ＩＫＭＱＴ降低了计算复杂度。　信息和资源消耗，通过　在节点空间中计算聚类。经过　算法的计算复杂度分析，ＩＫＭＱＴ算法较之Ｋ—Ｍｅａｎｓ算　法降低了算法的复杂度。通过在医院预约分诊排队系　统当中的应用数据分析，从应用领域对ＩＫＭＱＴ￣法的　可行性和优越性进行了一次验证。　３　ＩＫＭＱＴ￣法在医院预约分诊排队　中的应用　本文在设计齐齐哈尔第三人民医院预约分诊排队　统一服务系统的时候，应用ＴＩＫＭＱＴ￣法。优化了排队　队列，提高了医院诊疗效率。其排队模型图如图２所示，　是一个典型的Ｍ／Ｍ／Ｓ系统的排队模型。　该医院某科中最多可设置２０个分诊台，每天就医　人数平均在５３０人左右，本文选择连续的３０天进行试　验，统计结果如表１所示。　通过表１的统计结果可以发现。在时间效率和全　局队列效率两个方面，Ｋ—Ｍｅａｎｓ算法优于自然排队，　而ＩＫＭＱＴ算法又优于Ｋ—Ｍｅａｎｓ算法，从而达到Ｑｏｓ的　优化［４１。　参考文献：　［１］　ＡＬＩＫ　Ｋ　Ｒ．Ａｎ　ｅｆｉｃｉｆｅｎｔ　Ｋ－ｍｅａｎｓ　ｃｌｕｓｔｅｒｉｎｇ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ［Ｊ］．　Ｐａｔｔｅｒｎ　Ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，２００８，２９（９）：１　３８５－１　３９　１．　［２］　Ｋａｂｏｕｄａｎ　Ｍ　Ａ．Ａ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｓｅｒｖｅｒ　ｑｕｅｕｉｎｇ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ［Ｊ］．　Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ　Ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ．１９９８，２５（６）：４３　１—４３９．　［３】　ＭＵＡＴＡ　Ｋ，ＢＲＹＳＯＯ．Ｔｏｗａｒｄｓ　ｓｕｐｐｏａｉｎｇ　ｅｘｐｅｒｔ　ｅｖａｌｕａ—　ｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｌｕｓｔｅｒｉｎｇ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｕｓｉｎｇ　ａ　ｄａｔａ　ｍｉｎｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｒｏｏｄ—　ｅｌ［Ｊ］．Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ．２０１０，１８０ｆ　３）：４１４—４３１．　『４１　姜文超，金海，王述振，等．一种基于多优先级队列和Ｑｏｓ　的服务调度策略『Ｊ］小型微型计算机系统，２００８，２９（３）：　４５１—４５３．　（上接第１２５页）　通过研究可以看出，空间多自由度机构的动力学　［２】　熊有伦．机器人技术基础【Ｍ】．武汉：华中理工大学出版　社，１９９６．　问题是相当很复杂的，而拉格朗日动力学方程结合相　应计算机仿真方法可以较好地解决这类问题。　［３】　石炜，郄安民，张玉宝．基于凯恩方法的机器人动力学建　模与仿真『Ｊ１＿微计算机信息，２００８，１０（２）：２２２—２２６．　参考文献：　…　蔡自兴．机械手学【Ｍ】．北京：清华大学出版社，２０００　【４］　俞水强，吴洪涛．串联工业机器人的通用动力学仿真平　台『Ｊ】．机械设计与制造，２００８（８）：１７９—１８０．