基于液压驱动的四自由度机械手的运动仿真与优化设计近年来,工业机械手在制造业、海洋开发、航空航天等方面得到了越来越广泛的应用,随着工业机械手向更深方向的发展及智能化水平的提高,机械手的应用范围还在不停的扩大,供求也越来越多,尤其是具有危险性和污染环境下的工作。本文详细研究了基于液压驱动的四自由度机械手的运动特性,运用先进的MATLAB机器人工具箱模块对机械手进行了动态仿真；用先进的ANSYS有限元分析软件对其主要结构进行了优化设计,并且对控制系统也进行了详细的研究。本文共分6章,各章的主要内容如下：第1章详细介绍了国内外工业机械手的发展历程和在工业生产过程中的广泛应用,分析了工业机械手发展现状和今后的发展趋势,同时阐述了本文的主要研究内容及其意义。第2章分析了机械手的运动学和动力学。运动学和动力学是研究机械手的基础,直接关系到机械手的动态特性,对结构和控制系统研究具有十分重要的意义。因此,建立运动学和动力学模型对机械手的运动仿真至关重要。本章用D-H法建立了机械手各个杆件的坐标系,依据齐次变换研究了机械手的运动学正问题,计算出了机械手末端的位姿；利用分离变量法对运动学逆解进行了求解,计算出了各个连杆的关节角,从而验证了正解的正确性；用拉格朗日方法推导出了机械手的动力学方程；讨论分析了点到点的路径规划,为机械手的运动仿真分析奠定了理论基础。第3章用MATLAB软件对机械手进行了运动仿真,首先在CATIA软件平台上建立机械手零件模型并进行了装配；在此基础上,用MATLAB软件的机器人工具箱构建四自由度机械手对象,通过设置已知的D-H参数,使之具有与物理模型相似的结构和运动性能,进行了运动学和动力学仿真；通过仿真得到了机械手末端的位姿和各个关节的运动速度曲线与力矩曲线,通过观察和分析仿真结果,验证结构设计的合理性和可行性。第4章根据机械手的工作要求选择手部结构为两支点回转滑槽杠杆型结构,通过对手指的力学分析和抓取误差分析表明了手爪结构设计的合理性,通过ANSYS软件对其进行了有限元分析,得到了应力和应变结果,对其结构进行了优化设计,使其达到最佳的抓取效果；对伸缩臂的结构进行了详细的设计,对伸缩液压缸进行了详细的计算并选择了型号,对位置控制伺服系统进行了仿真,加入PID控制后稳定性大大提高。对摆动大臂进行了有限元分析和优化设计的研究,优化后稳定性大大提高。最后,根据机械手的动作要求设计了液压控制回路,为控制系统的研究提供了参考。第5章设计了机械手的控制系统,根据机械手的动作流程,选用软PLC控制器,对软PLC的结构和功能进行了简单的介绍,然后根据工作的要求确定了输入输出点,选择控制器的型号,建立了总程序结构图,继而设计了自动控制程序梯形图,并在程序中加入了PID控制,给出了PID控制子程序梯形图,最后用编程软件编程进行调试,最后进行了软PLC控制仿真,仿真结果表明机械手能够按照预定的轨迹稳定的工作,满足设计的要求。第6章对全文进行了总结,对本文的主要工作进行了回顾,并总结了研究的成果,提出了整个系统的几点不足之处和和建议。