机械手是目前轻工、电子等行业自动化生产线的核心设备,随着技术的发展对机械手的运动精度和运动平稳性,提出了越来越高的指标要求。从机构动力学的角度分析,这些指标均要求机械手在高速状态下具备良好的动态性能。本文结合实际需求,以高性能平行四边形机械手为研究对象,采用从运动学分析到动力学分析、从刚体动力学模型到弹性动力学模型、从机构优化到结构优化的动态设计方法,对机械手设计与优化进行研究。首先,在机械手初始构型的基础上进行了运动学分析,建立了机械手运动学模型,包括位置、速度、加速度的解析表达式;依据运动学性能评价指标考察机械手的运动学性能,同时构造运动学性能综合评价指标,并将其作为机构参数优化的目标函数。其次,进行动力学分析,建立了机械手刚体动力学模型并提出了刚体动力学性能评价指标;在此基础上建立了机构参数优化模型,以杆件长度、截面积作为设计变量,将运动构件的惯量值、动力学方程中关节耦合程度、驱动力矩、驱动功率等指标作为目标函数,在给定工作空间、运动学、刚体动力学多种约束条件的情况下,借助非支配遗传算法完成了机械手机构的参数优化。由于平行四边形机械手高速运动时,在惯性激励下呈现出一定的弹性。因此,采用有限元理论中的梁单元模拟杆件柔性,建立了机械手的弹性动力学有限元理论模型;并在此基础上建立了机械手结构参数优化模型,以杆件截面积作为设计变量,将机械手一阶、二阶固有频率的全域均方根值作为目标函数,给定机械手总体质量的约束条件,借助非支配遗传算法完成了机械手结构参数优化。利用有限元软件(PATRAN、NASTAN)和机械系统动力学仿真软件(ADAMS)建立了机械手的弹性动力学软件仿真模型,并进行模态分析,验证了有限元理论模型的正确性。在上述分析和优化设计基础上,确定了平行四边形机械手的杆件材料、长度、截面等本体参数,选取了合适的伺服电机及减速器等关键部件,进行了电机惯量匹配校核。最后,对机械手样机进行了模态实验,测试了机械手的固有频率,并与软件仿真模型分析出的固有频率值相比较,实验结果验证了弹性动力学仿真方法的可行性和模型的准确性。