随着工业自动化水平的提高,越来越多的工业生产线采用机械臂代替工人进行作业。其中关节机械臂因其结构紧凑、灵活性大、占地面积小、工作空间大等优点而得到了广泛应用。以汽车变速箱齿轮加工生产线中的零件传送环节为例,本文设计了一台应用于该生产线负责搬运齿轮至多个工位完成加工的四自由度关节机械臂并对其进行研究。首先,对机械臂运动学进行了研究。利用D-H法建立四自由度机械臂数学模型,推导出了正运动学方程,并进行了逆运动学分析。利用Matlab中的Robotics Toolbox建立了机械臂三维模型,验证了运动学正、逆解的正确性。采用蒙特卡洛法得到了由随机点构成的机械臂工作空间点云图及其各截面图,并从截面图上判断工作空间是否存在空洞与空腔,进而验证了该机械臂几何参数设计满足工业现场的要求。利用雅克比矩阵求解出了最小条件数,得出该机械臂在工作空间内运动灵活性良好。其次,介绍了研究动力学的几种方法,选用拉格朗日法建立机械臂动力学方程,并求解了势能及动能。在Pro/e中建立机械臂三维模型,将其导入ADAMS中建立虚拟样机并进行动力学仿真分析,绘制了在两种不同速度下各关节力矩、角速度、角加速度的关系曲线。最后,研究了机械臂的轨迹规划。介绍了轨迹规划的基本原理与研究问题。选取零件传送过程中某段路径作为研究对象,在直角空间规划时,选用定时直线插补绘制出仿真运动轨迹;在关节空间规划时,选用过中间点的三次多项式插值绘制了各关节角度随时间的变化曲线图。