氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析報(bào)告

. . . 課題名稱：氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析：班級：學(xué)號：指導(dǎo)老師：學(xué)院：機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院37 / 42摘 要隨著微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、控制技術(shù)和機(jī)械制造工藝水平的飛速發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域逐步從汽車拓展到其它領(lǐng)域。在各種類型的機(jī)器人中，模擬人體手臂而構(gòu)成的關(guān)節(jié)型機(jī)器人，具有結(jié)構(gòu)緊湊、所占空間小、運(yùn)動(dòng)空間大等優(yōu)點(diǎn)，是應(yīng)用最為廣泛的機(jī)器人之一。尤其由柔性關(guān)節(jié)組成的柔性仿生機(jī)器人在服務(wù)機(jī)器人與康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域中的應(yīng)用和需求越來越突出。本課題重點(diǎn)在于氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)和其可行性分析。由于氣動(dòng)肌肉柔性關(guān)節(jié)的研究歷史短、資料少，肌肉本身的動(dòng)特性還在研究中，因此本課題具有一定的難度，在研究過程中注重靜態(tài)指標(biāo)的滿足。本文重點(diǎn)解決的問題結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真。本課題中主要容是：（1）設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)；（2）關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)；（3）用仿真軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)過程模擬分析以此來改善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，直到得出滿意的結(jié)果為止。目標(biāo)：滿足氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：氣動(dòng)肌肉；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)；運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真AbstractWith the rapid development of microelectronic technology, sensor technology, control technology and the rapid development of mechanical manufacturing technics, the application of robots is expanded from cars to other fields progressively.In all types of robots,the joint-type robot which is composed of the simulation of human arms,has great advantages such as compact construction,little space accounted,and wide motion space,is one of the most widely used robots.In particular,flexible bio-robot which is composed of flexible joints is applicated and needed more and more prominent in the field of service and rehabilitation.The focus of this subject is the machanism design and its feasibility analysis of the pneumatic muscle arm joints,and then finish the mechanical design of the machanism parts of anthropomorphic robot joint.Because research history of pneumatic muscles flexible joints is short, information is little,the dynamic characteristics of the muscle is still under study,this subject has certain difficulty, and pay attention to the satisfaction of the static index in the course of studying. The problem this passage mainly resolves-mechanical design and simulation.The main content of this subject:(1) Design the joint structure of pneumatic manipulator; (2) Parametric design of the joint structure;(3)Using simulation software to simulate structure in order to improve the mechanical design until obtain the satisfactory result.Goal: Achieve the optimized designing of pneumatic manipulator.Key words: Pneumatic muscles;Structural design;Pneumatic manipulator joint; Kinematics emulation目 錄摘 要Abstract第1章 緒論11.1研究氣動(dòng)機(jī)械手的意義11.2 氣動(dòng)機(jī)械手在國外的發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用21.3氣動(dòng)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r與優(yōu)缺點(diǎn)41.4 氣動(dòng)機(jī)械手的發(fā)展方向6第2章 氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)82.1 氣動(dòng)肌肉結(jié)構(gòu)、特性與模型82.1.1 氣動(dòng)肌肉的基本結(jié)構(gòu)82.1.2 氣動(dòng)肌肉的特性82.1.3 氣動(dòng)肌肉的模型92.2 氣動(dòng)機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)112.3 氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)122.3.1 關(guān)節(jié)的基本方式122.3.2 肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)122.3.3 肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)142.3.4 腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)16第3章 氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)18 3.1參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)18 3.2 肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)183.2.1 第一肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)183.2.2 第二肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)203.2.3 第三肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)22 3.3 肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)233.3.1 X軸方向上的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)233.3.2 Y軸方向上的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)24 3.4 腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)26第4章 氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)的模擬仿真27 4.1 仿真容27 4.2 仿真方法27 4.3 氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析284.3.1 第一肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)仿真與分析284.3.2 第二肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)仿真與分析284.3.3 肘關(guān)節(jié)X軸方向的運(yùn)動(dòng)仿真與分析294.3.4 肘關(guān)節(jié)Y軸方向的運(yùn)動(dòng)仿真與分析304.3.5 腕關(guān)節(jié)X軸方向的運(yùn)動(dòng)仿真與分析314.3.6 腕關(guān)節(jié)Z軸方向的運(yùn)動(dòng)仿真與分析324.3.7 第一二肩關(guān)節(jié)，肘關(guān)節(jié)X軸方向，腕關(guān)節(jié)X軸方向的運(yùn)動(dòng)仿真與分析324.3.8 第一二肩關(guān)節(jié)，肘關(guān)節(jié)Y軸方向，腕關(guān)節(jié)Z軸方向的運(yùn)動(dòng)仿真與分析33第5章 結(jié)論33參考文獻(xiàn)34致36第1章 緒論1.1研究氣動(dòng)機(jī)械手的意義近20年來，氣動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域迅速拓寬，尤其是在各種自動(dòng)化生產(chǎn)線上得到廣泛應(yīng)用。電氣可編程控制技術(shù)與氣動(dòng)技術(shù)相結(jié)合，使整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)化程度更高，控制方式更靈活，性能更加可靠；氣動(dòng)機(jī)械手、柔性自動(dòng)生產(chǎn)線的迅速發(fā)展，對氣動(dòng)技術(shù)提出了更多更高的要求；微電子技術(shù)的引入，促進(jìn)了電氣比例伺服技術(shù)的發(fā)展。現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，使氣動(dòng)技術(shù)從開關(guān)控制進(jìn)入閉環(huán)比例伺服控制，控制精度不斷提高；由于氣動(dòng)脈寬調(diào)制技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、抗污染能力強(qiáng)和成本低廉等特點(diǎn)，國外都在大力開發(fā)研究1。從各國的行業(yè)統(tǒng)計(jì)資料來看，近30多年來，氣動(dòng)行業(yè)發(fā)展很快。20世紀(jì)70年代，液壓與氣動(dòng)元件的產(chǎn)值比約為9:1，而30多年后的今天，在工業(yè)技術(shù)發(fā)達(dá)的歐美、日本國家，該比例已達(dá)到6:4，甚至接近5:5。我國的氣動(dòng)行業(yè)起步較晚，但發(fā)展較快。從20世紀(jì)80年代中期開始,氣動(dòng)元件產(chǎn)值的年遞增率達(dá)20以上，高于中國機(jī)械工業(yè)產(chǎn)值平均年遞增率。隨著微電子技術(shù)、PLC技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，氣動(dòng)技術(shù)已成為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代傳動(dòng)與控制的關(guān)鍵技術(shù)之一。傳統(tǒng)的機(jī)器人關(guān)節(jié)多由電機(jī)或液(氣)壓缸等來驅(qū)動(dòng)。以這種方式來驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，位置精度可以達(dá)到很高，但其剛度往往很大，實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的柔順運(yùn)動(dòng)較困難。而柔順性差的機(jī)器人在和人接觸的場合使用時(shí)，容易造成人身和環(huán)境的傷害。因此，在許多服務(wù)機(jī)器人或康復(fù)機(jī)器人研究中，確保機(jī)器人的關(guān)節(jié)具有一定的柔順性提高到了一個(gè)很重要的地位。人類關(guān)節(jié)具有目前機(jī)器人所不具備的優(yōu)良特性，既可以實(shí)現(xiàn)較準(zhǔn)確的位置控制又具有很好的柔順性。這種特性主要是由關(guān)節(jié)所采用的對抗性肌肉驅(qū)動(dòng)方式所決定的。目前模仿生物關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)方式在仿生機(jī)器人中得到越來越多的應(yīng)用。在這種應(yīng)用中為得到類似生物關(guān)節(jié)的良好特性，一般都采用具有類似生物肌肉特性的人工肌肉。氣動(dòng)肌肉是人工肌肉中出現(xiàn)較早、應(yīng)用較廣泛的一種驅(qū)動(dòng)器，具有重量輕、結(jié)構(gòu)簡單與控制容易等優(yōu)點(diǎn)，在類人機(jī)器人、爬行機(jī)器人與康復(fù)輔助器械中得到了應(yīng)用。其基本應(yīng)用形式大都采用一對氣動(dòng)肌肉組成關(guān)節(jié)的方式。氣動(dòng)肌肉最簡單和最常見的使用方式是利用一對氣動(dòng)肌肉以生物體中拮抗肌的形式驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，這種方式克服了氣動(dòng)肌肉變化長度較小的缺點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)大的轉(zhuǎn)動(dòng)位移。而且由于其類似生物體驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的方式，因此具有剛度和位置能獨(dú)立控制等仿生關(guān)節(jié)具有的優(yōu)點(diǎn)。氣動(dòng)機(jī)械手是集機(jī)械、電氣、氣動(dòng)和控制于一體的典型機(jī)電一體化產(chǎn)品。近年來，機(jī)械手在自動(dòng)化領(lǐng)域中，特別是在有毒、放射、易燃、易爆等惡劣環(huán)境，與電動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手相比，顯示出獨(dú)特的優(yōu)越性，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。1.2氣動(dòng)機(jī)械手在國外的發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用由于機(jī)器人或機(jī)械手都需要能快速、準(zhǔn)確的抓取工件，因而對機(jī)器人或機(jī)械手提出了更高的要求，即他們必須具有高定位精度、能快速反應(yīng)、有一定的承載能力、足夠的空間和靈活的自由度以與在任意位置都能自動(dòng)定位。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，由于氣體具有壓縮性，因此，在氣動(dòng)伺服系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)高精度定位比較困難(尤其在高速情況下，似乎更難想象)。此外，氣源工作壓力較低，抓舉力較小。氣動(dòng)技術(shù)作為機(jī)器人中的驅(qū)動(dòng)功能已經(jīng)被工業(yè)界廣泛接受，對于氣動(dòng)機(jī)器人伺服控制體系的研究起步較晚，但已取得了重要成果，它在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用正在受到越來越多的廣泛關(guān)注。90年代初，有布魯塞爾皇家軍事學(xué)院Y.Bando教授領(lǐng)導(dǎo)的綜合技術(shù)部開發(fā)研制的電子氣動(dòng)機(jī)器人“阿基里斯”六腳勘測員，也被稱為FESTO的“六足動(dòng)物”。Y.Bando教授采用了世界上著名的德國FESTO生產(chǎn)的氣動(dòng)元件、可編程控制器和傳感器等，創(chuàng)造了一個(gè)在荷馬史詩中最健壯最勇敢的希臘英雄阿基里斯。它能在人不易進(jìn)入的危險(xiǎn)區(qū)域、污染或放射性的環(huán)境中進(jìn)行地形偵察。六腳電子氣動(dòng)機(jī)器人的上方安裝了一個(gè)照相機(jī)來探視障礙物，能安全的繞過它，并在行走過程中記錄和收集數(shù)據(jù)。六腳電子氣動(dòng)機(jī)器人行走的所有程序由FPC101-B可編程控制器控制，F(xiàn)PC101-B能在六個(gè)不同方向控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，最大行走速度0.1m/s。通常如果有三個(gè)腳與地面接觸，機(jī)器人便能以一種平穩(wěn)的姿態(tài)行走，六腳中的每一個(gè)腳都有三個(gè)自由度，一個(gè)直線氣缸把腳提起、放下，一個(gè)擺動(dòng)馬達(dá)控制腳伸展、退回，另一個(gè)擺動(dòng)馬達(dá)則負(fù)責(zé)圍繞腳的軸心作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。每個(gè)氣缸都裝備了調(diào)節(jié)速度用的單向節(jié)流閥，使機(jī)械驅(qū)動(dòng)部件在運(yùn)動(dòng)時(shí)保持平穩(wěn)，即在無級調(diào)速狀態(tài)下工作?？刂茪飧椎拈y置在機(jī)器人體，由FPC101-B可編程控制器控制。當(dāng)接通電源時(shí)，氣動(dòng)閥被切換到工作狀態(tài)位置，當(dāng)關(guān)閉電源時(shí)，他們便回到初始位置。此外，操作者能在任何一點(diǎn)上停止機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，如果機(jī)器人的傳感器在它的有效圍檢測到障礙物，機(jī)器人也會自動(dòng)停止。由漢諾威大學(xué)材料科學(xué)研究院設(shè)計(jì)的氣動(dòng)攀墻機(jī)器人，它能在兩個(gè)相互垂直的表面上行走(包括從地面到墻面或者從墻面到天花板上)。該機(jī)器人軸心的圓周邊上裝備著等距離(根據(jù)步距設(shè)置)的吸盤和氣缸，一組吸盤吸力與另一組吸盤吸力的交替交換，類似腳踏似的運(yùn)動(dòng)方式，使機(jī)器人產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。這種攀墻式機(jī)器人可被用于工具搬運(yùn)或執(zhí)行多種操作，如在核能發(fā)電站、高層建筑物氣動(dòng)機(jī)械手位置伺服控制系統(tǒng)的研究或船舶上進(jìn)行清掃、檢驗(yàn)和安裝工作。機(jī)器人用遙控方式進(jìn)行半自動(dòng)操作，操作者只需輸入運(yùn)行的目標(biāo)距離，然后計(jì)算機(jī)便能自動(dòng)計(jì)算出必要的單步運(yùn)行。操作者可對機(jī)器人進(jìn)行監(jiān)控。從上述實(shí)例可見，氣動(dòng)機(jī)器人己經(jīng)取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。就它在三維空間的任意定位、任意姿態(tài)抓取物體或握手而言，“阿基里斯”六腳勘測員、攀墻機(jī)器人都顯示出它們具有足夠的自由度來適應(yīng)工作空間區(qū)域。氣動(dòng)技術(shù)發(fā)展至今，用直線氣缸、旋轉(zhuǎn)馬達(dá)來解決氣動(dòng)機(jī)器人中一般的關(guān)節(jié)活動(dòng)和空間自由度己經(jīng)不成問題了，氣缸低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性這一點(diǎn)也不成問題了，很多場合使用低速氣缸，其速度在5mm/s的情況下也能平穩(wěn)運(yùn)行。因此從根本上改變了傳統(tǒng)上的觀點(diǎn)“由壓縮性的空氣作為介質(zhì)的氣缸運(yùn)動(dòng)速度有沖擊顫動(dòng)或低速運(yùn)行不平穩(wěn)的缺陷”。氣缸的運(yùn)行從低速5mm/s到高速510m/s，表明了它有一個(gè)十分豐富、寬廣的速度區(qū)域，以適應(yīng)各種層次的速度等級需要5。氣動(dòng)技術(shù)經(jīng)歷了一個(gè)漫長的發(fā)展過程，隨著氣動(dòng)伺服技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室，氣動(dòng)技術(shù)與氣動(dòng)機(jī)械手迎來了嶄新的春天。目前在世界上形成了以日本、美國和歐盟氣動(dòng)技術(shù)、氣動(dòng)機(jī)械手三足鼎立的局面。我國對氣動(dòng)技術(shù)和氣動(dòng)機(jī)械手的研究與應(yīng)用都比較晚，但隨著投入力度和研發(fā)力度的加大，我國自主研制的許多氣動(dòng)機(jī)械手已經(jīng)在汽車等行業(yè)為國家的發(fā)展進(jìn)步發(fā)揮著重要作用。隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和機(jī)械加工工藝水平的提高與現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，為研究高性能的氣動(dòng)機(jī)械手奠定了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)。由于氣動(dòng)機(jī)械手有結(jié)構(gòu)簡單、易實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速、易實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)、易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動(dòng)作等諸多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。由于氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)使用安全、可靠，可以在高溫、震動(dòng)、易燃、易爆、多塵埃、強(qiáng)磁、輻射等惡劣環(huán)境下工作6。而氣動(dòng)機(jī)械手作為機(jī)械手的一種，它具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、動(dòng)作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境、容易實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速、易實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)、易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動(dòng)作等優(yōu)點(diǎn)7,8-9。所以，氣動(dòng)機(jī)械手被廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)、半導(dǎo)體與家電行業(yè)、化肥和化工10，食品和藥品的包裝7,11-12、精密儀器和軍事上13,14-15?，F(xiàn)代汽車制造工廠的生產(chǎn)線，尤其是主要工藝是焊接的生產(chǎn)線，大多采用了氣動(dòng)機(jī)械手。車身在每個(gè)工序的移動(dòng)；車身外殼被真空吸盤吸起和放下，在指定工位的夾緊和定位；點(diǎn)焊機(jī)焊頭的快速接近、減速軟著陸后的變壓控制點(diǎn)焊，都采用了各種特殊功能的氣動(dòng)機(jī)械手。高頻率的點(diǎn)焊、力控的準(zhǔn)確性與完成整個(gè)工序過程的高度自動(dòng)化，堪稱是最有代表性的氣動(dòng)機(jī)械手應(yīng)用之一2。氣動(dòng)機(jī)械手用于對食品行業(yè)的粉狀、粒狀、塊狀物料的自動(dòng)計(jì)量包裝；用于煙草工業(yè)的自動(dòng)卷煙和自動(dòng)包裝等許多工序。如酒、油漆灌裝氣動(dòng)機(jī)械手；自動(dòng)加蓋、安裝和擰緊氣動(dòng)機(jī)械手，牛奶盒裝箱氣動(dòng)機(jī)械手等8,11。此外，氣動(dòng)系統(tǒng)、氣動(dòng)機(jī)械手被廣泛應(yīng)用于制藥與醫(yī)療器械上。如：氣動(dòng)自動(dòng)調(diào)節(jié)病床15，Robodoc機(jī)器人，daVinci外科手術(shù)機(jī)器人等17。1.3氣動(dòng)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r與優(yōu)缺點(diǎn)氣動(dòng)技術(shù)是一門正在蓬勃發(fā)展的新技術(shù)，氣動(dòng)元件是氣動(dòng)技術(shù)中最重要的組成部分，用氣動(dòng)元件組成的傳動(dòng)和控制系統(tǒng)己廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)各部門的成套設(shè)備和自動(dòng)化生產(chǎn)線上。氣動(dòng)技術(shù)是以壓縮氣體(例如壓縮空氣或惰性氣體和熱氣體)為工作介質(zhì)進(jìn)行能量和信號的傳遞，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化的一門技術(shù)，它包含氣壓傳動(dòng)和氣動(dòng)控制兩方面的容18,19。氣動(dòng)技術(shù)的發(fā)展歷程，是從單個(gè)元件到控制系統(tǒng)，從單純機(jī)械系統(tǒng)到機(jī)電一體化的復(fù)雜高科技產(chǎn)品的歷程。人類對空氣進(jìn)行利用，以其為傳遞能量的介質(zhì)可追溯到幾千年以前。但真正對起性質(zhì)和基本原理進(jìn)行系統(tǒng)的研究也是從本世紀(jì)開始，形成以氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和氣動(dòng)控制理論為主要容的一門學(xué)科氣動(dòng)系統(tǒng)理論。目前，氣動(dòng)和液壓是兩種較為普遍應(yīng)用的傳動(dòng)和控制方式，兩者有許多一樣點(diǎn)，也有許多不同點(diǎn)，氣動(dòng)技術(shù)真正成為全世界各個(gè)工業(yè)部門所接受并廣泛應(yīng)用，是由于日益迫切的生產(chǎn)自動(dòng)化和操作程序合理化的需要，也由于氣動(dòng)技術(shù)具有以下許多優(yōu)點(diǎn):(1)氣動(dòng)技術(shù)以空氣為工作介質(zhì)，空氣隨處可取，且粘性小，在管流動(dòng)阻力小，便于集中供氣和遠(yuǎn)距離輸送。因而，大多數(shù)工廠有方便的壓縮空氣氣源。作為工作介質(zhì)的壓縮空氣的物理性質(zhì)，是氣動(dòng)技術(shù)在廣泛的各種應(yīng)用具有安全、方便和費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)。壓縮空氣沒有生產(chǎn)火花的危險(xiǎn)。因此，它始于有易燃或爆炸潛在危險(xiǎn)的工礦。(2)氣動(dòng)元件機(jī)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉，用過的空氣可向大氣排放，處理方便，不必使用回收管道。(3)氣動(dòng)系統(tǒng)清潔，即使有泄漏，也不會像液壓系統(tǒng)那樣污染產(chǎn)品和環(huán)境，不受電磁干擾，電子系統(tǒng)則有之。(4)氣動(dòng)系統(tǒng)維護(hù)不復(fù)雜，也不需要特殊的培訓(xùn)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備。(5)適應(yīng)性強(qiáng)，現(xiàn)有的機(jī)器可方便的改為氣動(dòng)傳動(dòng)，氣缸可以直接安裝在要求出力的地方。(6)便于進(jìn)行能量儲存，可以進(jìn)行應(yīng)急或系統(tǒng)需要用。(7)氣壓傳動(dòng)本身有過載保護(hù)性能。氣動(dòng)執(zhí)行元件能長期在滿負(fù)荷下工作，在過載時(shí)自動(dòng)停止。(8)氣動(dòng)元件運(yùn)動(dòng)速度高，普通氣缸的運(yùn)動(dòng)速度一般為0.050.7m/s，有的高達(dá)13m/s，高速氣缸可達(dá)15m/s。調(diào)查資料表明，目前氣動(dòng)裝置在工業(yè)自動(dòng)化裝備中占很重要的地位。當(dāng)然，氣動(dòng)技術(shù)也有其缺點(diǎn):(1)壓縮空氣需要進(jìn)行除塵、除水處理。(2)空氣的可壓縮性使系統(tǒng)效率低，且使氣動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性差，給位置和速度的精確控制帶來很大的影響。(3)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)排放空氣的噪聲較大。(4)氣動(dòng)信號的傳遞速度遠(yuǎn)比電信號低，而且有較大的延遲和失真，因而氣動(dòng)控制技術(shù)不宜用于高速傳遞和處理信息的復(fù)雜系統(tǒng)，而且氣動(dòng)信號的傳送距離也受到限制。盡管氣動(dòng)技術(shù)上有一些缺點(diǎn)，但它的優(yōu)點(diǎn)還是主要的，所以氣動(dòng)技術(shù)能在各個(gè)工業(yè)部門中得到日益廣泛的應(yīng)用。而氣動(dòng)元件更是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的機(jī)械化、自動(dòng)化的理想元件?，F(xiàn)在，氣動(dòng)技術(shù)和電子電器、液壓技術(shù)一樣，都成為自動(dòng)化生產(chǎn)過程的有效技術(shù)之一，在國民經(jīng)濟(jì)中起著越來越大的作用。氣動(dòng)技術(shù)由風(fēng)動(dòng)技術(shù)與液壓技術(shù)演變、發(fā)展而成為獨(dú)立的技術(shù)門類不到50年，卻已經(jīng)充分顯示出它在自動(dòng)化領(lǐng)域中強(qiáng)大的生命力，成為二十世紀(jì)應(yīng)用最廣、發(fā)展最快，也最容易接收與重視的技術(shù)之一，氣動(dòng)技術(shù)己成為各個(gè)行業(yè)不可缺少的一部分。在國外，氣動(dòng)被稱為“廉價(jià)的自動(dòng)化技術(shù)”。氣動(dòng)技術(shù)由幾個(gè)主要的歷史發(fā)展階段。至50年代初，大多數(shù)元件從液壓元件改造或演變過來，體積很大。60年代，開始構(gòu)成工業(yè)控制系統(tǒng)，應(yīng)用成體系，不再與風(fēng)動(dòng)技術(shù)相提并論。在70年代，由于與電子技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，在自動(dòng)化領(lǐng)域得到廣泛的推廣。80年代則是集成化、微型化的時(shí)代。90年代末本世紀(jì)初，氣動(dòng)技術(shù)突破了傳統(tǒng)的死區(qū)，經(jīng)歷著飛躍性的發(fā)展，重復(fù)精度達(dá)0.01mm的模塊化氣動(dòng)機(jī)械手，5mm/s低速平穩(wěn)運(yùn)行與510m/s高速運(yùn)動(dòng)的不同氣缸相繼問世。在與計(jì)算機(jī)、電氣、傳感、通訊等技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了智能氣動(dòng)這一概念(氣動(dòng)比例與伺服、智能閥島、模塊化機(jī)械手)。氣動(dòng)伺服定位技術(shù)可使氣缸在氣動(dòng)機(jī)械手位置伺服控制系統(tǒng)的研究高速運(yùn)動(dòng)3mm/s情況下實(shí)現(xiàn)任意點(diǎn)自動(dòng)定位。智能閥島技術(shù)十分理想的解決了整個(gè)自動(dòng)化生產(chǎn)線的分散與集中控制問題。現(xiàn)代氣動(dòng)的發(fā)展趨勢是微型化、集成化、模塊化、智能化20-22。1.4 氣動(dòng)機(jī)械手的發(fā)展方向1) 重復(fù)高精度精度是指機(jī)器人、機(jī)械手到達(dá)指定點(diǎn)的精確程度，它與驅(qū)動(dòng)器的分辨率以與反饋裝置有關(guān)4。重復(fù)精度是指如果動(dòng)作重復(fù)多次，機(jī)械手到達(dá)同樣位置的精確程度。重復(fù)精度比精度更重要，如果一個(gè)機(jī)器人定位不夠精確，通常會顯示一個(gè)固定的誤差，這個(gè)誤差是可以預(yù)測的，因此可以通過編程予以校正。重復(fù)精度限定的是一個(gè)隨機(jī)誤差的圍，它通過一定次數(shù)地重復(fù)運(yùn)行機(jī)器人來測定13。隨著微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，以與氣動(dòng)伺服技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室和氣動(dòng)伺服定位系統(tǒng)的成套化。氣動(dòng)機(jī)械手的重復(fù)精度將越來越高，它的應(yīng)用領(lǐng)域也將更廣闊，如核工業(yè)和軍事工業(yè)等2。2) 模塊化有的公司把帶有系列導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)裝置的氣動(dòng)機(jī)械手稱為簡單的傳輸技術(shù)，而把模塊化拼裝的氣動(dòng)機(jī)械手稱為現(xiàn)代傳輸技術(shù)。模塊化拼裝的氣動(dòng)機(jī)械手比組合導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)裝置更具靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜與氣管的導(dǎo)向系統(tǒng)裝置，使機(jī)械手運(yùn)動(dòng)自如。由于模塊化氣動(dòng)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)部件采用了特殊設(shè)計(jì)的滾珠軸承，使它具有高剛性、高強(qiáng)度與精確的導(dǎo)向精度。優(yōu)良的定位精度也是新一代氣動(dòng)機(jī)械手的一個(gè)重要特點(diǎn)。模塊化氣動(dòng)機(jī)械手使同一機(jī)械手可能由于應(yīng)用不同的模塊而具有不同的功能，擴(kuò)大了機(jī)械手的應(yīng)用圍，是氣動(dòng)機(jī)械手的一個(gè)重要的發(fā)展方向23。智能閥島的出現(xiàn)對提高模塊化氣動(dòng)機(jī)械手和氣動(dòng)機(jī)器人的性能起到了十分重要的支持作用。因?yàn)橹悄荛y島本來就是模塊化的設(shè)備，特別是緊湊型CP閥島，它對分散上的集中控制起了十分重要的作用，特別對機(jī)械手中的移動(dòng)模塊。3)機(jī)電氣一體化由“可編程序控制器傳感器氣動(dòng)元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動(dòng)化技術(shù)的重要方面；發(fā)展與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)控制氣動(dòng)元件，使氣動(dòng)技術(shù)從“開關(guān)控制”進(jìn)入到高精度的“反饋控制”；省配線的復(fù)合集成系統(tǒng)，不僅減少配線、配管和元件，而且拆裝簡單，大大提高了系統(tǒng)的可靠性2,24。而今，電磁閥的線圈功率越來越小，而PLC的輸出功率在增大，由PLC直接控制線圈變得越來越可能。氣動(dòng)機(jī)械手、氣動(dòng)控制越來越離不開PLC，而閥島技術(shù)的發(fā)展，又使PLC在氣動(dòng)機(jī)械手、氣動(dòng)控制中變得更加得心應(yīng)手25。第2章 氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)2.1 氣動(dòng)肌肉結(jié)構(gòu)、特性與模型2.1.1 氣動(dòng)肌肉的基本結(jié)構(gòu)圖2-1 氣動(dòng)肌肉圖2-2 氣動(dòng)肌肉的結(jié)構(gòu)1.管接螺母 材料：精制鋁合金，光亮陽極氧化；2.法蘭 材料：精制鋁合金，藍(lán)色陽極氧化；3.部圓錐 材料：精制鋁合金，光亮陽極氧化；4.盤形彈簧 材料：鋼；5.密封圈 材料：NBR；6.隔膜軟管 材料：芳香族物質(zhì)，CR2.1.2 氣動(dòng)肌肉的特性1) 氣動(dòng)肌肉的工作方式氣動(dòng)肌肉是一種拉伸驅(qū)動(dòng)器，它模仿自然肌肉的運(yùn)動(dòng)，氣動(dòng)肌肉由一個(gè)收縮系統(tǒng)和合適的連接器組成。這個(gè)收縮系統(tǒng)由一段被高強(qiáng)纖維包裹的密封橡膠管組成。纖維形成了一個(gè)三維的棱形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)部有壓力時(shí)，管道就在球面方向上擴(kuò)，因此產(chǎn)生了拉伸力和肌肉縱向的收縮運(yùn)動(dòng)。拉伸力在收縮開始時(shí)最大，并與行程成線形比例關(guān)系減小。氣動(dòng)肌肉的可使用工作行程高達(dá)其額定長度的25%。氣動(dòng)肌肉只能做拉伸驅(qū)動(dòng)器。球面方向的擴(kuò)不能用于夾緊，因?yàn)槭湛s運(yùn)動(dòng)引起的外部摩擦可能損壞肌肉。2) 氣動(dòng)肌肉長度和負(fù)載的關(guān)系氣動(dòng)肌肉的額定長度是在無壓力，無負(fù)載的情況下定義的。它相當(dāng)于接口間可見的那部分肌肉的長度。當(dāng)氣動(dòng)肌肉受外力作用預(yù)拉伸時(shí)，它就被拉長了（如圖2-3所示）；另一方面，當(dāng)受壓時(shí)，肌肉收縮，其長度減小。圖2-3 長度與力的關(guān)系2.1.3 氣動(dòng)肌肉的模型在最簡單的情況下，氣動(dòng)肌肉用作單作用驅(qū)動(dòng)器，負(fù)載不變（如圖2-4a）。假設(shè)氣動(dòng)肌肉上該負(fù)載一直存在，在沒有壓力的情況下，肌肉將從原始狀態(tài)被拉伸一段長度，這是考慮氣動(dòng)肌肉的技術(shù)特性的一種理想工作狀態(tài)：當(dāng)加壓時(shí)，氣動(dòng)肌肉在預(yù)拉伸狀態(tài)下有最大的輸出力和最佳動(dòng)態(tài)性能，并且耗氣量最小。在這種情況下，可用的力也最大。如果要求氣動(dòng)肌肉在擴(kuò)狀態(tài)時(shí)無作用力（如允許附加上負(fù)載），首先就要加上用于提升負(fù)載目的的保持力，利用它的運(yùn)動(dòng)來移動(dòng)作用力小的元件。 (a) (b)圖2-4不同外力作用下氣動(dòng)肌肉表現(xiàn)形式當(dāng)外力發(fā)生變化時(shí)（如圖2-4b），氣動(dòng)肌肉像一根彈簧；它與力的作用方向一致。對用作“氣彈簧”的氣動(dòng)肌肉而言，預(yù)拉伸力和彈簧剛度都是變化的。氣動(dòng)肌肉在常壓或體積不變的情況下可用作彈簧。這些氣動(dòng)肌肉會產(chǎn)生不同的彈簧特性，這使得它可很好地適用于具體應(yīng)用26。在機(jī)械設(shè)計(jì)手的設(shè)計(jì)過程中，為了簡化設(shè)計(jì)的模型，使設(shè)計(jì)過程簡單明了，采用如圖2-5的二維簡化模型。在三維模擬仿真階段，由于氣動(dòng)肌肉所做的是拉圖2-5 二維簡化模型圖2-6 三維簡化模型伸運(yùn)動(dòng)，為了實(shí)現(xiàn)肌肉的這種運(yùn)動(dòng)形式，把氣動(dòng)肌肉中部的隔膜軟管的圓柱體改為長方體,并且為了定義滑動(dòng)桿運(yùn)動(dòng)形式的方便，把每一根氣動(dòng)肌肉看做是由左右兩根等長的半根氣動(dòng)肌肉組成（如圖2-6）。2.2氣動(dòng)機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)本課題所設(shè)計(jì)的氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)如圖2-7所示。1. 機(jī)架 2. 氣動(dòng)肌肉 3. 第一肩關(guān)節(jié) 4. 第二肩關(guān)節(jié) 5. 機(jī)架臂6. 第三肩關(guān)節(jié) 7. 大臂 8. 肘關(guān)節(jié) 9. 小臂 10. 腕關(guān)節(jié) 11. 氣爪圖2-7 氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)氣動(dòng)機(jī)械手主要由起固定支撐作用的機(jī)架、機(jī)械臂和氣爪三部分組成。氣動(dòng)機(jī)械手能夠?qū)崿F(xiàn)4個(gè)自由度（由于機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)確定，因此機(jī)構(gòu)的自由度等于機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件數(shù)目，此機(jī)構(gòu)有4個(gè)原動(dòng)件，因此可得有4個(gè)自由度）的運(yùn)動(dòng)，其各自的自由度的驅(qū)動(dòng)全部由氣動(dòng)肌肉來實(shí)現(xiàn)。最前端的氣爪抓取物品，通過氣動(dòng)肌肉的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)各自關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)，使物品在空間上運(yùn)動(dòng)，根據(jù)合理的控制，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的動(dòng)作要求。驅(qū)動(dòng)第一肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)有2根氣動(dòng)肌肉組成，機(jī)架臂有4根氣動(dòng)肌肉組成，大臂上安裝有4根氣動(dòng)肌肉，小臂上安裝有4根氣動(dòng)肌肉。2.3 氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.3.1 關(guān)節(jié)的基本方式在氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)中，有4個(gè)自由度，相當(dāng)于4個(gè)獨(dú)立的關(guān)節(jié)。每個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)原理都是一樣的，即由一對相當(dāng)于人類拮抗的氣動(dòng)肌肉相互之間的對抗作用來驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)。其原理如圖2-8所示。這種方式驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)，其剛度和兩個(gè)肌肉的壓力之和有關(guān)，而其位置則和2個(gè)肌肉的壓力差有關(guān)，因此可以實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)位置和剛度的獨(dú)立控制27。圖2-8 關(guān)節(jié)的基本驅(qū)動(dòng)方式2.3.2 肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1) 第一肩關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)第一肩關(guān)節(jié)主要是由2根氣動(dòng)肌肉作為驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)繞Z軸（X、Y、Z軸的方向標(biāo)在圖2-7中，下同）轉(zhuǎn)動(dòng)這1個(gè)自由度，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2-9(a)所示。三維建模的第一肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)如圖2-9(b)所示。 圖2-9(a) 第一肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)簡圖 圖2-9(b) 第一肩關(guān)節(jié)三維結(jié)構(gòu)圖2) 第二肩關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)第二肩關(guān)節(jié)和其下的4根機(jī)架臂相連接，為的是實(shí)現(xiàn)繞X軸旋轉(zhuǎn)這1個(gè)自由度，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2-10a所示。三維建模的第二肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)如圖2-10b所示。圖2-10(a)第二肩關(guān)節(jié) 圖2-10(b)第二肩關(guān)節(jié) 結(jié)構(gòu)簡圖 三維結(jié)構(gòu)圖3) 第三肩關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)第三肩關(guān)節(jié)是連接第二肩關(guān)節(jié)和大臂的紐帶。主要零件是肩部連接腕和中部支撐桿。其中肩部連接腕固定在肩部連接軸上，在機(jī)架臂的帶動(dòng)下，使得大臂、小臂與氣爪整體繞X軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，其另一功能是連接大臂的4根氣動(dòng)肌肉。中部支撐桿是用來固定肘關(guān)節(jié)，是大臂的支撐桿。其三維結(jié)構(gòu)圖如圖2-11所示。圖2-11第三肩關(guān)節(jié)三維結(jié)構(gòu)圖2.3.3肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1) 虎克鉸簡介氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要在于肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)的實(shí)現(xiàn)。最靈活的關(guān)節(jié)形式就是球鉸，有3個(gè)自由度，但是其實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，控制難度比較大。在許多氣動(dòng)機(jī)械手的研究中，采用的驅(qū)動(dòng)器都是電機(jī)，為實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)的3個(gè)自由度，結(jié)構(gòu)往往比較復(fù)雜28,29。作為2個(gè)自由度的機(jī)構(gòu)，虎克鉸的結(jié)構(gòu)比較簡單，且2個(gè)自由度之間的運(yùn)動(dòng)可以獨(dú)立進(jìn)行控制。由于驅(qū)動(dòng)方式的限制，虎克鉸的應(yīng)用在機(jī)器人中不是很常見。本研究采用氣動(dòng)肌肉，可以方便地對這種機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。在本設(shè)計(jì)中，采用如圖2-12所示的虎克鉸形式來實(shí)現(xiàn)肘關(guān)節(jié)的2個(gè)自由度27。圖2-12 虎克鉸的基本結(jié)構(gòu)2) 肘關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)肘關(guān)節(jié)主要是由一個(gè)虎克鉸的結(jié)構(gòu)構(gòu)成。由于虎克鉸能夠?qū)崿F(xiàn)2個(gè)自由度，并且虎克鉸的2根軸相互垂直，這就要求肘關(guān)節(jié)與大臂的氣動(dòng)肌肉的連接件必須具有兩個(gè)方向單一的鉸鏈點(diǎn)結(jié)構(gòu)，其三維結(jié)構(gòu)如圖2-13所示。圖2-13 氣動(dòng)肌肉連接件肘關(guān)節(jié)是連接大臂與小臂的重要關(guān)節(jié)。分別是通過中部支撐桿和前部支撐桿維系著這兩個(gè)結(jié)構(gòu)，其三維結(jié)構(gòu)圖如圖2-14所示。其中一些重要的尺寸參數(shù)分別圖2-14 肘關(guān)節(jié)三維結(jié)構(gòu)圖由X、Y軸方向來確定，肘關(guān)節(jié)X軸方向上的結(jié)構(gòu)簡圖如圖2-15a所示，綠色表示的是肌肉連接件，由于在X軸方向上，其與氣動(dòng)肌肉沒有相互轉(zhuǎn)動(dòng)，因此表示成同一條直線，綠色只是說明這里另一個(gè)零件，Y軸方向上的結(jié)構(gòu)簡圖如圖2-15b所示。當(dāng)不同相鄰的兩根氣動(dòng)肌肉組成一對時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)繞不同軸的旋轉(zhuǎn)。如圖2-14（左圖）所示，當(dāng)前面的兩根氣動(dòng)肌肉組成一對，即兩根肌肉有一樣的運(yùn)動(dòng)形式，可知后面的是一對，在運(yùn)動(dòng)過程中可以實(shí)現(xiàn)繞Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。同樣的左、右各為一對時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)繞X軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。(a) X軸方向 (b) Y軸方向圖2-15 肘關(guān)節(jié)X、Y軸方向的結(jié)構(gòu)簡圖2.3.4 腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)腕關(guān)節(jié)大體上與肘關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)相似，主要有一個(gè)虎克鉸的結(jié)構(gòu)構(gòu)成。同樣能夠?qū)崿F(xiàn)2個(gè)自由度，與肘關(guān)節(jié)不同的是繞著X軸、Z軸的旋轉(zhuǎn)。腕關(guān)節(jié)和小臂的連接件和肘關(guān)節(jié)的連接件一樣（如圖2-13），是兩個(gè)方向單一的鉸鏈點(diǎn)。腕關(guān)節(jié)通過前部支撐桿和肘關(guān)節(jié)固定，前端安裝有一個(gè)氣爪。其三維結(jié)構(gòu)如圖2-16所示。圖2-16 腕關(guān)節(jié)三維結(jié)構(gòu)圖腕關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)過程中的一些重要尺寸參數(shù)有X軸，Z軸方向來確定。其在X軸方向上的結(jié)構(gòu)簡圖如圖2-17(a)所示，Z軸如圖2-17(b)所示。(a) X軸方向(b) Z軸方向圖2-17 腕關(guān)節(jié)X、Z軸方向的結(jié)構(gòu)簡圖第3章 氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)3.1 參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)一個(gè)產(chǎn)品的問世主要包括提出想法，初步確定方案，探討方案進(jìn)行可行性分析，最終確定方案，研制，以與最終成型。在設(shè)計(jì)的初級階段主要是考慮方案的可行性，確定方案后，參數(shù)化設(shè)計(jì)各個(gè)結(jié)構(gòu)零件，可以獲得最滿意的結(jié)果30。結(jié)合本次所設(shè)計(jì)的氣動(dòng)機(jī)械手，參數(shù)化設(shè)計(jì)零件的優(yōu)點(diǎn)是在一樣的結(jié)構(gòu)下，使每一個(gè)關(guān)節(jié)獲得最大的運(yùn)動(dòng)圍，即繞各自的轉(zhuǎn)動(dòng)軸獲得最大的轉(zhuǎn)動(dòng)角。3.2 肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)3.2.1第一肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)第一肩關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)簡圖如圖3-1所示。圖3-1 第一肩關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)簡圖假定CBOEC1是第一肩關(guān)節(jié)開始的運(yùn)動(dòng)位置，BDD1E可繞O點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的極限位置是B1OE1，這時(shí)出現(xiàn)死點(diǎn)的現(xiàn)象，即當(dāng)CB1O在同一直線上，連接BO，B1O，EO，E1O，C1O。作O點(diǎn)到CD的垂線交CD的延長線于F點(diǎn)。設(shè)OA= a，AD= d，BD= b，BC=L，BO= B1O= EO= E1O=R。（1）確定bb是肌肉連接件的鉸鏈點(diǎn)到肩部肌肉連接件的距離，根據(jù)結(jié)構(gòu)可得b=35mm。（2）確定L根據(jù)氣動(dòng)肌肉的型號，選定沒有充氣時(shí)長度為250mm的氣動(dòng)肌肉，其最大運(yùn)動(dòng)行程是原始長度的20%，在運(yùn)動(dòng)的開始位置，取其最大收縮長度的一半，即是225mm，在加上氣動(dòng)肌肉本身結(jié)構(gòu)（如圖2-5）的其他長度，兩個(gè)鉸鏈點(diǎn)的長度L=225+50=275mm，L的圍是（27525）mm。（3）確定aa是如圖2-8b所示的肩部肌肉連接件寬度的一半，d是長度的一半。設(shè)為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)的最大角度，可知BOB1=，EOE1=，由于BOCEOC，所以EOC1=BOC=。=BOC=FBOFCO=arctanarctan=arctanarctan (3-1)由公式（3-1）可知：tan= (3-2)由于tan在是單調(diào)增函數(shù)，b，L為已知，所以當(dāng)a取得最小值時(shí)，tan取得最大值，即取得最大值。由于O點(diǎn)處裝有一根20mm的連接桿，因此取肩部肌肉連接件的寬度為30mm，即半寬a=15mm。（4）確定d由公式(2)可知，tan=1.07947.2º當(dāng)=47.2º代入公式(1-1)可知d無解。計(jì)算BOE旋轉(zhuǎn)到B1OE1的極限位置，其中氣動(dòng)肌肉CB1250mm，C1E1300mm。CB1=COB1O=COR=250mm(3-3)由公式(3-3)可得mm (3-4)已知C1OE1=2 (3-5)其中C1O=CO= E1O=R= arctanarctan代入公式(3-5)可得mm (3-6)根據(jù)氣動(dòng)肌肉的結(jié)構(gòu)，在安裝時(shí)，2d24mm， 即 d12mm (3-7)有(3-4)、(3-6)、(3-7)式得 mm由公式(3-2)知tan=，由于d<<L，<<，所以取最大的d時(shí)，可以得到最大的tan，也就是最大的,在這里取d=36mm。（5）確定由公式(3-2)得 tan= =0.564得=29.4º。所以第一肩關(guān)節(jié)繞Z軸的理論最大運(yùn)動(dòng)圍為(29.4º，29.4º)。3.2.2第二肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)第二肩關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)簡圖如圖3-2所示。假定CAOEC1是第二肩關(guān)節(jié)開始的運(yùn)動(dòng)位置，鉸鏈點(diǎn)A，E可繞O點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，逆時(shí)針的極限位置是A1OE1，即當(dāng)CA1O在同一條直線上，連接AO，A1O，EO，E1O。作O點(diǎn)到CA的垂線交CA的延長線于F點(diǎn)。連接AE，作O點(diǎn)垂直AE交AE于B點(diǎn)。設(shè)AB= a，OB= b，AC=L,AO=A1O=EO=E1O=R。（1）確定L根據(jù)氣動(dòng)肌肉的型號，選定沒有充氣時(shí)長度為230mm的氣動(dòng)肌肉，其最大運(yùn)動(dòng)行程是原始長度的20%，在運(yùn)動(dòng)的開始位置，取其最大收縮長度的一半，即是207mm，再加上氣動(dòng)肌肉本身結(jié)構(gòu)（如圖2-5）的長度，兩個(gè)鉸鏈點(diǎn)的長度L=207+67=274mm，L的圍是（27423）mm。（2）確定b設(shè)為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)的最大角度，可知AOA1=,EOE1=，由于AOCEOC1，所以EOC1=AOC=。=AOC=FAOFCO=arctanarctan=arctanarctan (3-8)有公式（3-8）可知：tan= (3-9)由于tan在是單調(diào)增函數(shù)，L為已知，所以當(dāng)b取得最小值時(shí)，tan取得最大值，即取得最大值。由于由于O點(diǎn)處裝有一根20mm的連接桿，因此取合適的最小的b=20mm。（3）確定a由公式(3-9)可知，tan=1.787得 60.8º當(dāng)60.8º代入公式(3-8)可知a無解。計(jì)算AOE旋轉(zhuǎn)到A1OE1的極限位置，其中氣動(dòng)肌肉CA1251mm，C1E1297mm。CA1=COA1O=COR=251mm(3-10)由公式(3-10)可得mm (3-11)已知C1OE1=2 (3-12)其中C1O=CO=E1O=R= arctanarctan代入公式(3-12)可得mm (3-13)根據(jù)氣動(dòng)肌肉的結(jié)構(gòu)，在安裝時(shí)，2a24mm，即 a12mm (3-14)有(3-11)、(3-13)、(3-14)式得 mm由公式(3-9)知 tan=,由于a<<L,<<,所以取最大的a時(shí)，可以得到最大的tan，也就是最大的,在這里取a=23mm。（4）確定由公式(3-9)得 tan=0.983得=44.5º所以第二肩關(guān)節(jié)繞X軸的理論最大運(yùn)動(dòng)圍為(44.5º，44.5º)。3.2.3第三肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)第三肩關(guān)節(jié)通過大臂上的氣動(dòng)肌肉連接到肘關(guān)節(jié)上。第三肩關(guān)節(jié)的零件尺寸與肘關(guān)節(jié)的零件尺寸有關(guān)，其零件尺寸是通過肘關(guān)節(jié)的零件尺寸來確定的。因此第三肩關(guān)節(jié)的零件參數(shù)化設(shè)計(jì)詳見肘關(guān)節(jié)的零件設(shè)計(jì)。3.3 肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)肘關(guān)節(jié)的零件尺寸確定可以分為兩個(gè)方向，即X軸和Y軸方向。下面分別就X軸和Y軸方向上的參數(shù)化設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述。3.3.1 X軸方向上的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)肘關(guān)節(jié)在X軸方向上的結(jié)構(gòu)簡圖如圖3-3所示。假定CABC1是肘關(guān)節(jié)開始的運(yùn)動(dòng)位置，A，B可繞O點(diǎn)旋轉(zhuǎn), 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的極限位置是A1OB1，這時(shí)出現(xiàn)死點(diǎn)現(xiàn)象，即當(dāng)CA1O在同一直線上，連接A1O，B1O。設(shè)OA= a，AD= b，DD1=L。紅色虛線框表示肘部擋板。（1）確定bb是肌肉連接件的長度,根據(jù)結(jié)構(gòu)得b=45mm。（2）確定L根據(jù)氣動(dòng)肌肉的型號，選定沒有充氣時(shí)長度為230mm的氣動(dòng)肌肉，其最大運(yùn)動(dòng)行程是原始長度的20%，在運(yùn)動(dòng)的開始位置，取其最大收縮長度的一半，即是207mm，在加上氣動(dòng)肌肉本身結(jié)構(gòu)（如圖2-5）的其他長度，兩個(gè)鉸鏈點(diǎn)的長度L=207+50=257mm，L的圍是（25723）mm。（3）確定aA,B表示肘部擋板上連接肌肉連接件的兩個(gè)鉸鏈點(diǎn)，a是兩個(gè)鉸鏈點(diǎn)距離的一半。設(shè)為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)的最大角度，可知AOC1=，BOB1=。tan=(3-15) 由公式(3-15)可知，tan在是單調(diào)增函數(shù)，b，L為已知，所以當(dāng)a取得最小值時(shí)，tan取得最大值，即取得最大值。當(dāng)a0時(shí)，=90º。計(jì)算AOB旋轉(zhuǎn)到A1OB1的極限位置，其中A1C2b+Lmin=245+234=324mm。B1C12b+Lmax=245+280=370mm。A1C= COA1O= A1O=a324mm (3-16)由公式(3-16)可得 mm (3-17)已知BOB1=，得OBB1=，B1BC1=OBB1+OBC1=+= (3-18)=得BB1=BC1=AC=2b+L=347mm=arctan代入公式(3-18)得mm (3-19)根據(jù)氣動(dòng)肌肉的結(jié)構(gòu)，在安裝時(shí)，2a24mm，即 a12mm (3-20)由(3-17)、(3-19)、(3-20)式得 mm由公式(3-15)可知 tan=，且已知L=257mm，b=45mm，當(dāng)取最小值a=12時(shí)，tan取得最大值。（4）確定tan=28.9得 =88.0 º所以肘關(guān)節(jié)繞X軸的理論最大運(yùn)動(dòng)圍為(88.0º，88.0º)。由此可以得到第三肩關(guān)節(jié)的兩個(gè)鉸鏈點(diǎn)之間的距離為2a=24mm。3.3.2 Y軸方向上的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)肘關(guān)節(jié)在Y軸方向上的結(jié)構(gòu)簡圖如圖3-4所示。假定CAOA1C1是肘關(guān)節(jié)開始的運(yùn)動(dòng)位置，D，B可繞O點(diǎn)旋轉(zhuǎn),作以O(shè)點(diǎn)為圓心，OD為半徑的圓。順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的極限位置是D1OB1，這時(shí)出現(xiàn)死點(diǎn)的現(xiàn)象，即當(dāng)CD1O在同一直線上，連接DO，D1O，BO，B1O，C1O。設(shè)OA= a，AD= b，DC=L。（1）確定a設(shè)為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)的最大角度，可知DOC=，BOB1=。由于DOCBOC1，所以BOC1=DOC =。=DOC=AOCAOD=arctanarctan=arctanarctan (3-21)有公式（3-21）可知：tan=1.10可得 47.8º計(jì)算DOB旋轉(zhuǎn)到D1OB1的極限位置，其中CD1234mm，C1B1280mm。CD1=COD1O= =234mm(3-22) 由公式(3-22)可得mm (3-23)已知C1OB1=2 (3-24)其中C1O=CO=B1O=R=arctanarctan代入公式(3-24)可得mm (3-25)根據(jù)氣動(dòng)肌肉的結(jié)構(gòu)，在安裝時(shí)，2a24mm， 即a12mm (3-26)有(3-23)、(3-25)、(3-26)式得 mm可知 tan=，由于a<<L，<<，所以取最大的a時(shí)，可以得到最大的tan，也就是最大的,在這里取a=32mm。（2）確定所以 tan=0.563得=29.4º。所以肘關(guān)節(jié)繞Y軸的理論最大運(yùn)動(dòng)圍為(29.4º，29.4º)。由此可以得到第三肩關(guān)節(jié)長度方向的兩個(gè)鉸鏈點(diǎn)之間的距離為2a=64mm。3.4 腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)腕關(guān)節(jié)加上小臂的結(jié)構(gòu)等同于肘關(guān)節(jié)加上大臂的結(jié)構(gòu)，因此肘關(guān)節(jié)的零件尺寸確定于腕關(guān)節(jié)的零件尺寸確定完全一樣，唯一不同的是肘關(guān)節(jié)是X，Y軸方向，腕關(guān)節(jié)是X，Z軸方向。（1）X軸方向上的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)腕關(guān)節(jié)X軸方向上的結(jié)構(gòu)簡圖與肘關(guān)節(jié)X軸方向的一樣，因此直接得到結(jié)果：取最小值a=12mm時(shí)，tan取得最大值，tan=28.9，得=88.0 º。腕關(guān)節(jié)繞Z軸的理論最大運(yùn)動(dòng)圍為(88.0º，88.0º)。由此可以得到腕肩關(guān)節(jié)擋板上的兩個(gè)鉸鏈點(diǎn)之間的距離為2a=24mm。（2）Z軸方向上的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)腕關(guān)節(jié)Z軸方向上的結(jié)構(gòu)簡圖與肘關(guān)節(jié)Y軸方向的一樣，因此直接得到結(jié)果：取最大值a=32mm時(shí)，tan取得最大值，tan=0.563，得=29.4º。腕關(guān)節(jié)繞X軸的理論最大運(yùn)動(dòng)圍為(29.4º，29.4º)。由此可以得到腕關(guān)節(jié)兩塊擋板的兩個(gè)鉸鏈點(diǎn)之間的距離為2a=64mm。第4章 氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)的模擬仿真4.1仿真容運(yùn)動(dòng)仿真是結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要容,氣動(dòng)機(jī)械手是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)構(gòu)，確定結(jié)構(gòu)后，在運(yùn)行中還會發(fā)生干涉現(xiàn)象，因此需要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，確保方案可行。在運(yùn)動(dòng)仿真過程中，對結(jié)構(gòu)零件不斷進(jìn)行修改，最終滿足設(shè)計(jì)要求31。仿真的基本容是對結(jié)構(gòu)進(jìn)行可行性分析，運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，增大機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)圍，使其更好的滿足生產(chǎn)需要。結(jié)合本次設(shè)計(jì)的氣動(dòng)機(jī)械手，仿真的容是(1)第一肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)仿真；(2)第二肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)仿真；(3)肘關(guān)節(jié)X軸方向的運(yùn)動(dòng)仿真；(4)肘關(guān)節(jié)Y軸方向的運(yùn)動(dòng)仿真；(5)腕關(guān)節(jié)X軸方向的運(yùn)動(dòng)仿真；(6)腕關(guān)節(jié)Z軸方向的運(yùn)動(dòng)仿真；(7)第一、二肩關(guān)節(jié)，肘關(guān)節(jié)X軸方向，腕關(guān)節(jié)X軸方向的運(yùn)動(dòng)仿真；(8)第一、二肩關(guān)節(jié)，肘關(guān)節(jié)Y軸方向，腕關(guān)節(jié)Z軸方向的運(yùn)動(dòng)仿真。4.2仿真方法運(yùn)動(dòng)仿真是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要容,在Pro/E的Mechanism模塊中,通過對機(jī)構(gòu)添加運(yùn)動(dòng)副、驅(qū)動(dòng)器使其運(yùn)動(dòng)起來,來實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真。在整體設(shè)計(jì)后, 通過仿真可以模擬機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng),從而檢查機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求,是否發(fā)生干涉，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)軌跡校核。同時(shí),可直接分析各運(yùn)動(dòng)副與構(gòu)件在某一時(shí)刻的位置、運(yùn)動(dòng)量以與各運(yùn)動(dòng)副之間的相互運(yùn)動(dòng)關(guān)系與關(guān)鍵部件的受力情況。在Pro/E環(huán)境下進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真分析,不需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)建模、也不需要復(fù)雜的計(jì)算機(jī)語言編程,而是以實(shí)體模型為基礎(chǔ),集設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)分析于一體,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析的參數(shù)化和全相關(guān),反映機(jī)構(gòu)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)情況32。本文以PTC公司的三維建模軟件Pro/E與其中的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真功能建立氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)仿真模型。首先在Pro/E中建立氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)的三維模型，然后完成整個(gè)機(jī)械手的裝配，設(shè)置關(guān)節(jié)的安裝位置為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的初始位置，添加驅(qū)動(dòng)和約束，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。在整個(gè)過程中，需要對建立模型等前續(xù)工作進(jìn)行不斷的修改和完善，才能生成所要求的氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)的仿真模型。4.3氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析仿真時(shí)，氣動(dòng)肌肉作為動(dòng)力源，極限位置是氣動(dòng)肌肉與轉(zhuǎn)動(dòng)軸（鉸鏈點(diǎn)）在同一條直線上，即出現(xiàn)死點(diǎn)的位置。4.3.1第一肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)仿真與分析第一肩關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)前后的位置如圖4-1（a）和4-1（b）所示。在此運(yùn)動(dòng)過程中，無干涉現(xiàn)象，通過測量極限位置的角度，得到=29.4º，所以第一肩關(guān)節(jié)繞Z軸的實(shí)際最大運(yùn)動(dòng)圍為(29.4º，29.4º)。（a）運(yùn)動(dòng)前 （b）運(yùn)動(dòng)后圖4-1第一肩關(guān)節(jié)仿真效果圖4.3.2第二肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)仿真與分析第二肩關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)前后的位置如圖4-2（a）和4-2（b）所示。在此運(yùn)動(dòng)過程中，無干涉現(xiàn)象，通過測量極限位置的角度，得到=44.5º，所以第二肩關(guān)節(jié)繞X軸的實(shí)際最大運(yùn)動(dòng)圍為(44.5º，44.5º)。（a）運(yùn)動(dòng)前 （b）運(yùn)動(dòng)后圖4-2 第二肩關(guān)節(jié)仿真效果圖4.