制造业信息化
仿真/建模/CAD /CAM /CAE /CAPP
MA NUFACTURING INFORMATIZATION
基于Pro/E机械手爪设计与运动分析
殷铭，黄华栋
（苏州工业职业技术学院，江苏苏州215404）
介绍了Pro/E软件在多关机机械手设计调试过程中的运用，详细说明了手爪部分的装配，运动分析和轨迹规划摘要：
的过程和结果。通过虚拟样机技术的运用，在实物设计安装调试的同时，为后续的动作调试轨迹规划等工作提供了数字化仿真支持，提高了效率。
关键词：机械手；运动分析；轨迹规划；数字样机；仿真
中图分类号：TP241文献标识码：A
YIN Ming,
文章编号：1002－2333（2009）04－0059－02
HUANG Hua-dong
Design and Analysis of Manipulator by Pro/E
（Suzhou Institute of Industrial Technology ，Suzhou 215404，China ）
Abstract ：Research Pro/Esoftware in multi-robot off the design process of commissioning the use of hand some of the details of assembly ，movement analysis and planning process and track the results. Through the use of virtual prototyping technology in the physical design of the installation at the same time as a follow -up action debugging trajectory planning to provide a digital simulation to support and enhance efficiency. Key words ：manipulator; motion analysis; trajectory plannin; digital prototype; simulation
1引言
在校企合作开发的柔性制造系统（FMS ）综合试验系
设置的是可灵活张合的机械手爪，通过齿轮传动和平行双曲柄机构自由张合，使机械手可以模拟人手在一定范围内抓取物件。3
设计思路
该模型机械手采用Pro/E软件进行设计，在原机械手的基础上按照一定比例缩小。设计要求在实现各关节功能时需要用一些构件和标准件将各个舵机相连，来保证各个运动副的正常运动。在设计过程中采用了自上而下的设计方法，根据原机械各关节运动的分析，得出目标机械手的概念，并设计和绘制装配草图（骨架skeleton ），然），再完成具体装后对各零部件进行详细设计（建模Part 配设计（装配Assembly ），最后再做运动分析检验（机构Mechanism ）。在这个过程中装配图和零件图是相互关联的。由粗略到反复细化和充实的过程不产生矛盾。使用"
该机械手的主要设计目标：根据计算机发出的指令完成抓取、搬运、放置工件等动
图
1
统中，FMS 的各模块中的中央控制台、自动传输站、立体仓库站、三坐标检测站、CNC 加工站、拆卸分检站均已实现了自主设计和自主生产。但作为加工站之前的安装搬—机械手仍选择外购，导致整个系统运系统主要部件——
成本较高，通讯和控制也无法统一。
为此，计划参考原导致结构设计一款替换机型，并根据先期各关节动作验证，设计并制作了一款利用舵机驱动的多关节机械手模型，该模型通过各关节伺服电机的该控制能实现原机械手的大部分动作，具有很高的柔性。项目取得了阶段性成果，为后期正式替代产品的设计生产奠定了基础。2
总体结构
自顶而下" （TOP-DOWN ）的设计。符合了装配图和相关零件图的一致性设计，大大优化了设计过程。4
装配关系
机械手爪部分结构比较复杂，所以将手爪部分作为一个子装配部件处理。要实现运动分析，必须在装配中采用连接装配，如图2中机械手爪就用到了组件（Assembly Design ）模块中的
（1）销钉连接
其运动副自由度为1，零件可沿销钉所在轴线旋转。
图2
作。比较精确地
完成三维空间中一点到另一点按照一定路径的动作。如图1，在原型机基础上也设计为垂直多关节型机械手，有6个自由度，包括转动基座S 轴、下臂倾动L 轴、上臂倾动U 轴、手腕俯仰B 轴、手腕旋转T 轴、手抓开合Z 轴6个转动轴。在伺服电机性能限制下，达到每个转动轴在±90°的范围内运动，重复定位精度达±0.5mm 。在手臂的末端
销钉（PIN ）连接和齿轮连接（GEARS ）连接。
机械工程师2009年第4
期
59
制造业信息化
MA NUFACTURING INFORMATIZATION
仿真/建模/CAD /CAM /CAE /CAPP
适合机械手中各个转动部件（如紧安装轴承）的运动方（Axis 式，定义完成后系统会自动产生一个“轴对齐”）的位置约束。另外还需要定义一个“平移”alignment
（Translation ）约束来定义安装的轴向位置，通常可以取轴（Translation ）属承端面和轴或者孔的一个面使用“对齐”“重合”（Mate Coincident ）。性选择
（2）齿轮连接
其运动副自由度为需要定义两个齿轮的各自的“运动（Motion Axis ），对应的主体（Body ）中的齿轮（Gear ）、轴”
托架（Carrier ）和节圆直径（Pitch Circle Diameter ）。如机械手中的齿轮副用的是M0.8Z18的齿轮即设置其节圆直径是14.4mm 。5
运动仿真
在机械手爪部分按照对设计要求有2个自由度，应2个舵机进行控制，所以在运动仿真中需要定义2处伺服电机，而因为每个舵机需要正反2个方向转动故需要在机构（
Mechanism ）模块中用到伺服电动机定，义（Servo Motor Definition ）如图3。
（1）伺服电机
伺服电机是机构仿真中的旋转动力原件。一般定义在旋转运动副上如机械手的2个舵机的位置。
轨迹做出了严格的控制。而在此之前运用Pro/E中插入轨迹曲线选定需要控制的端点如机械手爪的末梢点和纸零件如上一级舵机就可以绘制出其三维的运动轨迹。6
结语
在Pro/E环境中，不仅能在实体制造前完成虚拟装配，避免安装尺寸错误，避免干涉，而且还能在加工制造的同步通过运动仿真分析其机械手的动作，回归分析功时间、能得到所需部件速度、
图7图6
位置等关系曲线，通过轨迹功能完成机械手的轨迹规划。对后续的上位机调试机械手具体动作给出各种参考物理量和轨迹曲线。给后续具体动作的控制代码的编辑带来了方便，减少了实际的测试调试时间，提高机械手的动作效率和精度。
［参考文献］
［1］林清安．Pro/ENGINEERWildfire 零件设计阶进篇［M ］．北京：中
国铁道出版社，2004.
［2］梅江平．高速包装机器人技术与应用［J ］．机器人技术与应用，
2007.
［3］陈立平，等．机械系统动力学分析及ADAMS 应用教程［M ］．北
京：清华大学出版社，2005.
［4］吴宗泽．机械设计实用手册［M ］．北京：化学工业出版社，1999．
通过设置其属性可以定位其转动的速度或者加速度。［5］李刚俊，陈永．机器人的三维运动仿真［J ］．西南交通大学学报，
2002，37（3）：273-276. （编辑立明）如安装所用的各舵机的速度设置为45°/s，为了方便，忽略其加速度和减速度截断的时间，根据需要仿真要求定义分析（Analysis Definition ）中各个电动机的运行时间。
（2）分析设置和运行可以设置测量结果，例如当我们需要得到手爪末端的的位置和速度曲线时，可以分别在测量定义中添加位置和速度并选好
图4
回放动画可以捕捉为影片便于跨平台观查
!!!!!!!!!! 作者简介：殷铭（1979-），男，高级技师，研究方向为CAD/CAM/CAE
黄华栋（1964-），男，实验师，研究方向为机电一体化技术。
收稿日期：2009-02-10
对应的测量点和坐标系。
然后通过运行可以得到测量结果和回放动画。
（3）轨迹规划方案
2
机器人的轨迹规划是指机器人在运动过程中的位移、速度和加速度。其规
1
划的轨迹应该是连续和平滑的，在实际复杂的环境中，其运动常常是复杂的，
图5
一般采用CP 控制对目标手从一点到另一点的移动
1. 爪口开口距离与时间的关系曲线坐标的连续控制，对机械
2. 爪口相对速度与时间的关系曲线
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机械工程师2009年第4期
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基于Pro/E机械手爪设计与运动分析
殷铭，黄华栋
（苏州工业职业技术学院，江苏苏州215404）
介绍了Pro/E软件在多关机机械手设计调试过程中的运用，详细说明了手爪部分的装配，运动分析和轨迹规划摘要：
的过程和结果。通过虚拟样机技术的运用，在实物设计安装调试的同时，为后续的动作调试轨迹规划等工作提供了数字化仿真支持，提高了效率。
关键词：机械手；运动分析；轨迹规划；数字样机；仿真
中图分类号：TP241文献标识码：A
YIN Ming,
文章编号：1002－2333（2009）04－0059－02
HUANG Hua-dong
Design and Analysis of Manipulator by Pro/E
（Suzhou Institute of Industrial Technology ，Suzhou 215404，China ）
Abstract ：Research Pro/Esoftware in multi-robot off the design process of commissioning the use of hand some of the details of assembly ，movement analysis and planning process and track the results. Through the use of virtual prototyping technology in the physical design of the installation at the same time as a follow -up action debugging trajectory planning to provide a digital simulation to support and enhance efficiency. Key words ：manipulator; motion analysis; trajectory plannin; digital prototype; simulation
1引言
在校企合作开发的柔性制造系统（FMS ）综合试验系
设置的是可灵活张合的机械手爪，通过齿轮传动和平行双曲柄机构自由张合，使机械手可以模拟人手在一定范围内抓取物件。3
设计思路
该模型机械手采用Pro/E软件进行设计，在原机械手的基础上按照一定比例缩小。设计要求在实现各关节功能时需要用一些构件和标准件将各个舵机相连，来保证各个运动副的正常运动。在设计过程中采用了自上而下的设计方法，根据原机械各关节运动的分析，得出目标机械手的概念，并设计和绘制装配草图（骨架skeleton ），然），再完成具体装后对各零部件进行详细设计（建模Part 配设计（装配Assembly ），最后再做运动分析检验（机构Mechanism ）。在这个过程中装配图和零件图是相互关联的。由粗略到反复细化和充实的过程不产生矛盾。使用"
该机械手的主要设计目标：根据计算机发出的指令完成抓取、搬运、放置工件等动
图
1
统中，FMS 的各模块中的中央控制台、自动传输站、立体仓库站、三坐标检测站、CNC 加工站、拆卸分检站均已实现了自主设计和自主生产。但作为加工站之前的安装搬—机械手仍选择外购，导致整个系统运系统主要部件——
成本较高，通讯和控制也无法统一。
为此，计划参考原导致结构设计一款替换机型，并根据先期各关节动作验证，设计并制作了一款利用舵机驱动的多关节机械手模型，该模型通过各关节伺服电机的该控制能实现原机械手的大部分动作，具有很高的柔性。项目取得了阶段性成果，为后期正式替代产品的设计生产奠定了基础。2
总体结构
自顶而下" （TOP-DOWN ）的设计。符合了装配图和相关零件图的一致性设计，大大优化了设计过程。4
装配关系
机械手爪部分结构比较复杂，所以将手爪部分作为一个子装配部件处理。要实现运动分析，必须在装配中采用连接装配，如图2中机械手爪就用到了组件（Assembly Design ）模块中的
（1）销钉连接
其运动副自由度为1，零件可沿销钉所在轴线旋转。
图2
作。比较精确地
完成三维空间中一点到另一点按照一定路径的动作。如图1，在原型机基础上也设计为垂直多关节型机械手，有6个自由度，包括转动基座S 轴、下臂倾动L 轴、上臂倾动U 轴、手腕俯仰B 轴、手腕旋转T 轴、手抓开合Z 轴6个转动轴。在伺服电机性能限制下，达到每个转动轴在±90°的范围内运动，重复定位精度达±0.5mm 。在手臂的末端
销钉（PIN ）连接和齿轮连接（GEARS ）连接。
机械工程师2009年第4
期
59
制造业信息化
MA NUFACTURING INFORMATIZATION
仿真/建模/CAD /CAM /CAE /CAPP
适合机械手中各个转动部件（如紧安装轴承）的运动方（Axis 式，定义完成后系统会自动产生一个“轴对齐”）的位置约束。另外还需要定义一个“平移”alignment
（Translation ）约束来定义安装的轴向位置，通常可以取轴（Translation ）属承端面和轴或者孔的一个面使用“对齐”“重合”（Mate Coincident ）。性选择
（2）齿轮连接
其运动副自由度为需要定义两个齿轮的各自的“运动（Motion Axis ），对应的主体（Body ）中的齿轮（Gear ）、轴”
托架（Carrier ）和节圆直径（Pitch Circle Diameter ）。如机械手中的齿轮副用的是M0.8Z18的齿轮即设置其节圆直径是14.4mm 。5
运动仿真
在机械手爪部分按照对设计要求有2个自由度，应2个舵机进行控制，所以在运动仿真中需要定义2处伺服电机，而因为每个舵机需要正反2个方向转动故需要在机构（
Mechanism ）模块中用到伺服电动机定，义（Servo Motor Definition ）如图3。
（1）伺服电机
伺服电机是机构仿真中的旋转动力原件。一般定义在旋转运动副上如机械手的2个舵机的位置。
轨迹做出了严格的控制。而在此之前运用Pro/E中插入轨迹曲线选定需要控制的端点如机械手爪的末梢点和纸零件如上一级舵机就可以绘制出其三维的运动轨迹。6
结语
在Pro/E环境中，不仅能在实体制造前完成虚拟装配，避免安装尺寸错误，避免干涉，而且还能在加工制造的同步通过运动仿真分析其机械手的动作，回归分析功时间、能得到所需部件速度、
图7图6
位置等关系曲线，通过轨迹功能完成机械手的轨迹规划。对后续的上位机调试机械手具体动作给出各种参考物理量和轨迹曲线。给后续具体动作的控制代码的编辑带来了方便，减少了实际的测试调试时间，提高机械手的动作效率和精度。
［参考文献］
［1］林清安．Pro/ENGINEERWildfire 零件设计阶进篇［M ］．北京：中
国铁道出版社，2004.
［2］梅江平．高速包装机器人技术与应用［J ］．机器人技术与应用，
2007.
［3］陈立平，等．机械系统动力学分析及ADAMS 应用教程［M ］．北
京：清华大学出版社，2005.
［4］吴宗泽．机械设计实用手册［M ］．北京：化学工业出版社，1999．
通过设置其属性可以定位其转动的速度或者加速度。［5］李刚俊，陈永．机器人的三维运动仿真［J ］．西南交通大学学报，
2002，37（3）：273-276. （编辑立明）如安装所用的各舵机的速度设置为45°/s，为了方便，忽略其加速度和减速度截断的时间，根据需要仿真要求定义分析（Analysis Definition ）中各个电动机的运行时间。
（2）分析设置和运行可以设置测量结果，例如当我们需要得到手爪末端的的位置和速度曲线时，可以分别在测量定义中添加位置和速度并选好
图4
回放动画可以捕捉为影片便于跨平台观查
!!!!!!!!!! 作者简介：殷铭（1979-），男，高级技师，研究方向为CAD/CAM/CAE
黄华栋（1964-），男，实验师，研究方向为机电一体化技术。
收稿日期：2009-02-10
对应的测量点和坐标系。
然后通过运行可以得到测量结果和回放动画。
（3）轨迹规划方案
2
机器人的轨迹规划是指机器人在运动过程中的位移、速度和加速度。其规
1
划的轨迹应该是连续和平滑的，在实际复杂的环境中，其运动常常是复杂的，
图5
一般采用CP 控制对目标手从一点到另一点的移动
1. 爪口开口距离与时间的关系曲线坐标的连续控制，对机械
2. 爪口相对速度与时间的关系曲线
60
机械工程师2009年第4期