氣動(dòng)機(jī)械手在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用.doc

河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校課程設(shè)計(jì)報(bào)告書課程名稱：自動(dòng)化職業(yè)技能培訓(xùn) 系部名稱：自動(dòng)控制系 專業(yè)班級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 2011年5月 13日37 / 41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)器人及康復(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)及仿真。本課題中主要內(nèi)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)仿真目 錄第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)械手在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用21.3 氣動(dòng)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r及優(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)、特性及模型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)18 3.2.1 第一肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)18 3.2.2 第二肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)20 3.2.3 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)23 3.3.1 X軸方向上的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)23 3.3.2 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 仿真內(nèi)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)仿真及分析284.3.2 第二肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)仿真及分析284.3.3 肘關(guān)節(jié)X軸方向的運(yùn)動(dòng)仿真及分析294.3.4 肘關(guān)節(jié)Y軸方向的運(yùn)動(dòng)仿真及分析304.3.5 腕關(guān)節(jié)X軸方向的運(yùn)動(dòng)仿真及分析314.3.6 腕關(guān)節(jié)Z軸方向的運(yùn)動(dòng)仿真及分析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)仿真及分析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)仿真及分析33第5章 結(jié)論33參考文獻(xiàn)34致謝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(duì)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(jiǎn)單、抗污染能力強(qiáng)和成本低廉等特點(diǎn)，國內(nèi)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)之一2。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(chǎng)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(duì)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(jiǎn)單及控制容易等優(yōu)點(diǎn)，在類人機(jī)器人、爬行機(jī)器人及康復(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(duì)氣動(dòng)肌肉組成關(guān)節(jié)的方式。氣動(dòng)肌肉最簡(jiǎn)單和最常見的使用方式是利用一對(duì)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(zhǎng)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)3。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)境內(nèi)，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4。1.2氣動(dòng)機(jī)械手在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀及應(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(duì)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及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(duì)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(cè)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(jí)調(diào)速狀態(tài)下工作。控制氣缸的閥內(nèi)置在機(jī)器人體內(nèi)，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范圍內(nèi)檢測(cè)到障礙物，機(jī)器人也會(huì)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(duì)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。就它在三維空間內(nèi)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(cè)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(chǎng)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(jí)需要5。氣動(dòng)技術(shù)經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)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)及氣動(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(duì)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及現(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(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)無級(jí)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(jiǎn)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(jí)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)體及家電行業(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)確性及完成整個(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。在彩電、冰箱等家用電器產(chǎn)品的裝配生產(chǎn)線上，在半導(dǎo)體芯片、印刷電路等各種電子產(chǎn)品的裝配流水線上，不僅可以看到各種大小不一、形狀不同的氣缸、氣爪，還可以看到許多靈巧的真空吸盤將一般氣爪很難抓起的顯像管、紙箱等物品輕輕地吸住，運(yùn)送到指定目標(biāo)位置。對(duì)加速度限制十分嚴(yán)格的芯片搬運(yùn)系統(tǒng)，采用了平穩(wěn)加速的SIN氣缸16。氣動(dòng)機(jī)械手用于對(duì)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及優(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(hào)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)控制兩方面的內(nèi)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(duì)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(duì)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)控制理論為主要內(nèi)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，兩者有許多相同點(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，在管內(nèi)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(jiǎn)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(huì)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?jī)?chǔ)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(zhǎng)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(hào)的傳遞速度遠(yuǎn)比電信號(hào)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(hào)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)及液壓技術(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，也最容易接收及重視的技術(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)行及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?，F(xiàn)代氣動(dòng)的發(fā)展趨勢(shì)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)器的分辨率以及反饋裝置有關(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(huì)顯示一個(gè)固定的誤差，這個(gè)誤差是可以預(yù)測(cè)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)誤差的范圍，它通過一定次數(shù)地重復(fù)運(yùn)行機(jī)器人來測(cè)定13。隨著微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，以及氣動(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(jiǎn)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及氣管的導(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)度及精確的導(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)用范圍，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(duì)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(duì)分散上的集中控制起了十分重要的作用，特別對(duì)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(jiǎn)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)、特性及模型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.內(nèi)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)內(nèi)部有壓力時(shí)，管道就在球面方向上擴(kuò)張，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(zhǎng)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)張不能用于夾緊，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(zhǎng)度和負(fù)載的關(guān)系氣動(dòng)肌肉的額定長(zhǎng)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(zhǎng)度。當(dāng)氣動(dòng)肌肉受外力作用預(yù)拉伸時(shí)，它就被拉長(zhǎng)了（如圖2-3所示）；另一方面，當(dāng)受壓時(shí)，肌肉收縮，其長(zhǎng)度減小。圖2-3 長(zhǎng)度與張力的關(guān)系2.1.3 氣動(dòng)肌肉的模型在最簡(jiǎn)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(zhǎng)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)張狀態(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(duì)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(huì)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(jiǎn)化設(shè)計(jì)的模型，使設(shè)計(jì)過程簡(jiǎn)單明了，采用如圖2-5的二維簡(jiǎn)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(jiǎn)化模型圖2-6 三維簡(jiǎn)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(zhǎng)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(zhǎng)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)原理都是相同的，即由一對(duì)相當(dāng)于人類拮抗的氣動(dòng)肌肉相互之間的對(duì)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(jiǎn)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(jiǎn)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(jiǎn)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(jiǎn)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、小臂及氣爪整體繞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(jiǎn)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(jiǎn)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(duì)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(jiǎn)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(jiǎn)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(duì)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(duì)，即兩根肌肉有相同的運(yùn)動(dòng)形式，可知后面的是一對(duì)，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(duì)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(jiǎn)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(jiǎn)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(jiǎn)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，以及最終成型。在設(shè)計(jì)的初級(jí)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)是在相同的結(jié)構(gòu)下，使每一個(gè)關(guān)節(jié)獲得最大的運(yùn)動(dòng)范圍，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(jiǎn)圖如圖3-1所示。圖3-1 第一肩關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(zhǎng)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(hào)，選定沒有充氣時(shí)長(zhǎng)度為250mm的氣動(dòng)肌肉，其最大運(yùn)動(dòng)行程是原始長(zhǎng)度的20%，在運(yùn)動(dòng)的開始位置，取其最大收縮長(zhǎng)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(zhǎng)度，兩個(gè)鉸鏈點(diǎn)的長(zhǎng)度L=225+50=275mm，L的范圍是（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(zhǎng)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=1.079 47.2當(dāng)=47.2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dL，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=29.4。所以第一肩關(guān)節(jié)繞Z軸的理論最大運(yùn)動(dòng)范圍為(29.4，29.4)。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(jiǎn)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(zhǎng)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(hào)，選定沒有充氣時(shí)長(zhǎng)度為230mm的氣動(dòng)肌肉，其最大運(yùn)動(dòng)行程是原始長(zhǎng)度的20%，在運(yùn)動(dòng)的開始位置，取其最大收縮長(zhǎng)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(zhǎng)度，兩個(gè)鉸鏈點(diǎn)的長(zhǎng)度L=207+67=274mm，L的范圍是（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 60.8當(dāng)60.8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aL, ,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=44.5所以第二肩關(guān)節(jié)繞X軸的理論最大運(yùn)動(dòng)范圍為(44.5，44.5)。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(jiǎn)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(zhǎng)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(hào)，選定沒有充氣時(shí)長(zhǎng)度為230mm的氣動(dòng)肌肉，其最大運(yùn)動(dòng)行程是原始長(zhǎng)度的20%，在運(yùn)動(dòng)的開始位置，取其最大收縮長(zhǎng)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(zhǎng)度，兩個(gè)鉸鏈點(diǎn)的長(zhǎng)度L=207+50=257mm，L的范圍是（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)，=90。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 所以肘關(guān)節(jié)繞X軸的理論最大運(yùn)動(dòng)范圍為(88.0，88.0)。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(jiǎn)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 47.8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aL，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=29.4。所以肘關(guān)節(jié)繞Y軸的理論最大運(yùn)動(dòng)范圍為(29.4，29.4)。由此可以得到第三肩關(guān)節(jié)長(zhǎng)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(jiǎn)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 。腕關(guān)節(jié)繞Z軸的理論最大運(yùn)動(dòng)范圍為(88.0，88.0)。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(jiǎn)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=29.4。腕關(guān)節(jié)繞X軸的理論最大運(yùn)動(dòng)范圍為(29.4，29.4)。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 仿真內(nèi)容運(yùn)動(dòng)仿真是結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要內(nèi)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(huì)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(duì)結(jié)構(gòu)零件不斷進(jìn)行修改，最終滿足設(shè)計(jì)要求31。仿真的基本內(nèi)容是對(duì)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)范圍，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，仿真的內(nèi)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