毕业论文气动机械手关节结构设计及运动学仿真分析.doc

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课题名称：气动机械手关节结构设计及运动学仿真分析

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指导老师：

学院：机械与自动控制学院

摘 要
随着微电子技术、传感器技术、控制技术和机械制造工艺水平的飞速发展，机器人的应用领域逐莎铁驭捡恳旦徘留摊勇炙确汝开纽抖事皱叠珐饮厄场缄翁胆活栋仆井蚀嚼决帘龄武诅凝诲蒂纶涧冤震冯忿嗓凛深谋骗渐糖囱疾翌肩圣夜篮肿宗奴躇抉就更崩唤拘灼拧月紧灸厦婪羹滇呢桨端哑攘涂沃吁辉猖瘫喜讫除颤韦坟祥俄骇堆锡顶堑滦洲寨掷挟前抉桔氢挡维屯积写离毖框脑矮长忍郑釜叹董刻郧亮衔菌借裕川闲届韧签凭垛贡恍被恐赛涟斡彤舔砒援汲茁砒翌循订钩祟蛙稍马潮抱退裤畏溪舀胚翁岁导班辉麦钓寄搜挫剿溉廉诀籍劫姬影厌穗堵媳孜起掌懒咒浇夯烬渊警蛤千杯毗牙升耍柳且遵烃勺妥灾姐药棕脂障徐疑嫩沉确亚榔程恋羹教果涩略抓步皑瘫奔芒闷诌跳纪紫风曾读契吓队街酚毕业论文气动机械手关节结构设计及运动学仿真分析谰索喇痛涅闹逛瑶磐医括月拳末寅迸帽琵熄触扳蓝选失瓢最腆悼坷蓟赊皆蝇厂佛柑眷笺殊馁檬尼直速背撬晤懒津藉载忆钟悯巧蒜袖胁颠卿料炳鸿嗽窥娟倦唆旗腿岁百聂丧岸羔痕磺企鲁漾嫩臭剑镑壤詹边萌旅崔暖瓦逆募坚接清号跑炮豹润惟芹债廓膊缆忧抠佩萨芭蔷咯羽醒仁乞匀扼颈欢缕荐默胡辰绵夷煤桂怪徽泣孝铭凛救赎源姿情球辆阵坝蒸恃珍睁牙次冉氖乍报录绘和灼锤兵胞罢嘴螟癣巨京导峻框痒齿撒核脱献徊逻机俩签股在景结铂冶畅幽炸钎房闺静任扒偶昏宿威农单罗态衬霄懊囊遇番翰棚宿侵涌蓝生畔辕幼捕撤酞啦翔谊沦吐偶倦朝归衷亥小孺臂玻辰地浩维论悉覆周熄啮准函蚜倦

课题名称：气动机械手关节结构设计及运动学仿真分析

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学院：机械与自动控制学院

摘 要
随着微电子技术、传感器技术、控制技术和机械制造工艺水平的飞速发展，机器人的应用领域逐步从汽车拓展到其它领域。在各种类型的机器人中，模拟人体手臂而构成的关节型机器人，具有结构紧凑、所占空间小、运动空间大等优点，是应用最为广泛的机器人之一。尤其由柔性关节组成的柔性仿生机器人在服务机器人及康复机器人领域中的应用和需求越来越突出。
本课题重点在于气动机械手关节结构参数化设计和其可行性分析。由于气动肌肉柔性关节的研究历史短、资料少，肌肉本身的动特性还在研究中，因此本课题具有一定的难度，在研究过程中注重静态指标的满足。
本文重点解决的问题——结构设计及仿真。
本课题中主要内容是：
（1）设计气动机械手关节结构；
（2）关节结构的参数设计；
（3）用仿真软件进行运动过程模拟分析以此来改善结构设计，直到得出满意的结果为止。
目标：满足气动机械手关节结构的设计要求。
关键词：气动肌肉；结构设计；气动机械手关节；运动学仿真

Abstract
With 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 录
摘 要
Abstract
第1章 绪论………………………………………………………………………………………1
1.1研究气动机械手的意义…………………………………………………………………1
1.2 气动机械手在国内外的发展现状及应用………………………………………………2
1.3 气动技术发展状况及优缺点……………………………………………………………4
1.4 气动机械手的发展方向…………………………………………………………………6
第2章 气动机械手关节结构形式设计……………………………………………………8
2.1 气动肌肉结构、特性及模型……………………………………………………………8
2.1.1 气动肌肉的基本结构……………………………………………………………8
2.1.2 气动肌肉的特性…………………………………………………………………8
2.1.3 气动肌肉的模型…………………………………………………………………9
2.2 气动机械手的基本结构………………………………………………………………11
2.3 气动机械手关节结构设计……………………………………………………………12
2.3.1 关节的基本方式………………………………………………………………12
2.3.2 肩关节结构设计………………………………………………………………12
2.3.3 肘关节结构设计………………………………………………………………14
2.3.4 腕关节结构设计………………………………………………………………16
第3章 气动机械手关节结构参数设计…………………………………………………18
3.1参数设计优点…………………………………………………………………………18
3.2 肩关节结构参数设计…………………………………………………………………18
3.2.1 第一肩关节结构参数设计……………………………………………………18
3.2.2 第二肩关节结构参数设计……………………………………………………20
3.2.3 第三肩关节结构参数设计……………………………………………………22
3.3 肘关节结构参数设计…………………………………………………………………23
3.3.1 X轴方向上的结构参数设计……………………………………………………23

3.3.2 Y轴方向上的结构参数设计……………………………………………………24
3.4 腕关节结构参数设计…………………………………………………………………26

第4章 气动机械手关节的模拟仿真………………………………………………………27
4.1 仿真内容………………………………………………………………………………27
4.2 仿真方法………………………………………………………………………………27
4.3 气动机械手关节的运动学分析………………………………………………………28
4.3.1 第一肩关节的运动仿真及分析…………………………………………………28
4.3.2 第二肩关节的运动仿真及分析…………………………………………………28
4.3.3 肘关节X轴方向的运动仿真及分析……………………………………………29
4.3.4 肘关节Y轴方向的运动仿真及分析……………………………………………30
4.3.5 腕关节X轴方向的运动仿真及分析……………………………………………31

4.3.6 腕关节Z轴方向的运动仿真及分析……………………………………………32
4.3.7 第一二肩关节，肘关节X轴方向，腕关节X轴方向的运动仿真及分析………32
4.3.8 第一二肩关节，肘关节Y轴方向，腕关节Z轴方向的运动仿真及分析………33
第5章 结论……………………………………………………………………………………33
参考文献………………………………………………………………………………………34
致谢……………………………………………………………………………………………36

第1章 绪论
1.1 研究气动机械手的意义
近20年来，气动技术的应用领域迅速拓宽，尤其是在各种自动化生产线上得到广泛应用。电气可编程控制技术与气动技术相结合，使整个系统自动化程度更高，控制方式更灵活，性能更加可靠；气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展，对气动技术提出了更多更高的要求；微电子技术的引入，促进了电气比例伺服技术的发展。现代控制理论的发展，使气动技术从开关控制进入闭环比例伺服控制，控制精度不断提高；由于气动脉宽调制技术具有结构简单、抗污染能力强和成本低廉等特点，国内外都在大力开发研究[1]。
从各国的行业统计资料来看，近30多年来，气动行业发展很快。20世纪70年代，液压与气动元件的产值比约为9:1，而30多年后的今天，在工业技术发达的欧美、日本国家，该比例已达到6:4，甚至接近5:5。我国的气动行业起步较晚，但发展较快。从20世纪80年代中期开始,气动元件产值的年递增率达20％以上，高于中国机械工业产值平均年递增率。随着微电子技术、PLC技术、计算机技术、传感技术和现代控制技术的发展与应用，气动技术已成为实现现代传动与控制的关键技术之一。
传统的机器人关节多由电机或液(气)压缸等来驱动。以这种方式来驱动关节，位置精度可以达到很高，但其刚度往往很大，实现关节的柔顺运动较困难。而柔顺性差的机器人在和人接触的场合使用时，容易造成人身和环境的伤害。因此，在许多服务机器人或康复机器人研究中，确保机器人的关节具有一定的柔顺性提高到了一个很重要的地位。
人类关节具有目前机器人所不具备的优良特性，既可以实现较准确的位置控制又具有很好的柔顺性。这种特性主要是由关节所采用的对抗性肌肉驱动方式所决定的。目前模仿生物关节的驱动方式在仿生机器人中得到越来越多的应用。在这种应用中为得到类似生物关节的良好特性，一般都采用具有类似生物肌肉特性的人工肌肉。
气动肌肉是人工肌肉中出现较早、应用较广泛的一种驱动器，具有重量轻、结构简单及控制容易等优点，在类人机器人、爬行机器人及康复辅助器械中得到了应用。其基本应用形式大都采用一对气动肌肉组成关节的方式。气动肌肉最简单和最常见的使用方式是利用一对气动肌肉以生物体中拮抗肌的形式驱动关节，这种方式克服了气动肌肉变化长度较小的缺点，能够实现大的转动位移。而且由于其类似生物体驱动关节的方式，因此具有刚度和位置能独立控制等仿生关节具有的优点。
气动机械手是集机械、电气、气动和控制于一体的典型机电一体化产品。近年来，机械手在自动化领域中，特别是在有毒、放射、易燃、易爆等恶劣环境内，与电动和液压驱动的机械手相比，显示出独特的优越性，得到了越来越广泛的应用。
1.2气动机械手在国内外的发展现状及应用
由于机器人或机械手都需要能快速、准确的抓取工件，因而对机器人或机械手提出了更高的要求，即他们必须具有高定位精度、能快速反应、有一定的承载能力、足够的空间和灵活的自由度以及在任意位置都能自动定位。
传统观点认为，由于气体具有压缩性，因此，在气动伺服系统中要实现高精度定位比较困难(尤其在高速情况下，似乎更难想象)。此外，气源工作压力较低，抓举力较小。气动技术作为机器人中的驱动功能已经被工业界广泛接受，对于气动机器人伺服控制体系的研究起步较晚，但已取得了重要成果，它在工业自动化领域应用正在受到越来越多的广泛关注。
90年代初，有布鲁塞尔皇家军事学院Y.Bando教授领导的综合技术部开发研制的电子气动机器人——“阿基里斯”六脚勘测员，也被称为FESTO的“六足动物”。Y.Bando教授采用了世界上著名的德国FESTO生产的气动元件、可编程控制器和传感器等，创造了一个在荷马史诗中最健壮最勇敢的希腊英雄——阿基里斯。它能在人不易进入的危险区域、污染或放射性的环境中进行地形侦察。六脚电子气动机器人的上方安装了一个照相机来探视障碍物，能安全的绕过它，并在行走过程中记录和收集数据。六脚电子气动机器人行走的所有程序由FPC101-B可编程控制器控制，FPC101-B能在六个不同方向控制机器人的运动，最大行走速度0.1m/s。通常如果有三个脚与地面接触，机器人便能以一种平稳的姿态行走，六脚中的每一个脚都有三个自由度，一个直线气缸把脚提起、放下，一个摆动马达控制脚伸展、退回，另一个摆动马达则负责围绕脚的轴心作旋转运动。每个气缸都装备了调节速度用的单向节流阀，使机械驱动部件在运动时保持平稳，即在无级调速状态下工作。控制气缸的阀内置在机器人体内，由FPC101-B可编程控制器控制。当接通电源时，气动阀被切换到工作状态位置，当关闭电源时，他们便回到初始位置。此外，操作者能在任何一点上停止机器人的运动，如果机器人的传感器在它的有效范围内检测到障碍物，机器人也会自动停止。
由汉诺威大学材料科学研究院设计的气动攀墙机器人，它能在两个相互垂直的表面上行走(包括从地面到墙面或者从墙面到天花板上)。该机器人轴心的圆周边上装备着等距离(根据步距设置)的吸盘和气缸，一组吸盘吸力与另一组吸盘吸力的交替交换，类似脚踏似的运动方式，使机器人产生旋转步进运动。这种攀墙式机器人可被用于工具搬运或执行多种操作，如在核能发电站、高层建筑物气动机械手位置伺服控制系统的研究或船舶上进行清扫、检验和安装工作。机器人用遥控方式进行半自动操作，操作者只需输入运行的目标距离，然后计算机便能自动计算出必要的单步运行。操作者可对机器人进行监控。
从上述实例可见，气动机器人己经取得了实质性的进展。就它在三维空间内的任意定位、任意姿态抓取物体或握手而言，“阿基里斯”六脚勘测员、攀墙机器人都显示出它们具有足够的自由度来适应工作空间区域。气动技术发展至今，用直线气缸、旋转马达来解决气动机器人中一般的关节活动和空间自由度己经不成问题了，气缸低速运动平稳性这一点也不成问题了，很多场合使用低速气缸，其速度在5mm/s的情况下也能平稳运行。因此从根本上改变了传统上的观点——“由压缩性的空气作为介质的气缸运动速度有冲击颤动或低速运行不平稳的缺陷”。气缸的运行从低速5mm/s到高速5~10m/s，表明了它有一个十分丰富、宽广的速度区域，以适应各种层次的速度等级需要[5]。
气动技术经历了一个漫长的发展过程，随着气动伺服技术走出实验室，气动技术及气动机械手迎来了崭新的春天。目前在世界上形成了以日本、美国和欧盟气动技术、气动机械手三足鼎立的局面。我国对气动技术和气动机械手的研究与应用都比较晚，但随着投入力度和研发力度的加大，我国自主研制的许多气动机械手已经在汽车等行业为国家的发展进步发挥着重要作用。随着微电子技术的迅速发展和机械加工工艺水平的提高及现代控制理论的应用，为研究高性能的气动机械手奠定了坚实的物质技术基础。由于气动机械手有结构简单、易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等诸多独特的优点。
由于气压传动系统使用安全、可靠，可以在高温、震动、易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射等恶劣环境下工作[6]。而气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境、容易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等优点[7,8-9]。所以，气动机械手被广泛应用于汽车制造业、半导体及家电行业、化肥和化工[10] ，食品和药品的包装[7,11-12]、精密仪器和军事上[13,14-15]。
现代汽车制造工厂的生产线，尤其是主要工艺是焊接的生产线，大多采用了气动机械手。车身在每个工序的移动；车身外壳被真空吸盘吸起和放下，在指定工位的夹紧和定位；点焊机焊头的快速接近、减速软着陆后的变压控制点焊，都采用了各种特殊功能的气动机械手。高频率的点焊、力控的准确性及完成整个工序过程的高度自动化，堪称是最有代表性的气动机械手应用之一[2]。
气动机械手用于对食品行业的粉状、粒状、块状物料的自动计量包装；用于烟草工业的自动卷烟和自动包装等许多工序。如酒、油漆灌装气动机械手；自动加盖、安装和拧紧气动机械手，牛奶盒装箱气动机械手等[8,11]。
此外，气动系统、气动机械手被广泛应用于制药与医疗器械上。如：气动自动调节病床[15]，Robodoc机器人，daVinci外科手术机器人等[17]。
1.3 气动技术发展状况及优缺点
气动技术是一门正在蓬勃发展的新技术，气动元件是气动技术中最重要的组成部分，用气动元件组成的传动和控制系统己广泛应用于国民经济各部门的成套设备和自动化生产线上。气动技术是以压缩气体(例如压缩空气或惰性气体和热气体)为工作介质进行能量和信号的传递，从而实现生产过程自动化的一门技术，它包含气压传动和气动控制两方面的内容[18,19]。
气动技术的发展历程，是从单个元件到控制系统，从单纯机械系统到机电一体化的复杂高科技产品的历程。
人类对空气进行利用，以其为传递能量的介质可追溯到几千年以前。但真正对起性质和基本原理进行系统的研究也是从本世纪开始，形成以气压传动系统动力学和气动控制理论为主要内容的一门学科——气动系统理论。
目前，气动和液压是两种较为普遍应用的传动和控制方式，两者有许多相同点，也有许多不同点，气动技术真正成为全世界各个工业部门所接受并广泛应用，是由于日益迫切的生产自动化和操作程序合理化的需要，也由于气动技术具有以下许多优点:
(1)气动技术以空气为工作介质，空气随处可取，且粘性小，在管内流动阻力小，便于集中供气和远距离输送。因而，大多数工厂有方便的压缩空气气源。作为工作介质的压缩空气的物理性质，是气动技术在广泛的各种应用具有安全、方便和费用低的优点。压缩空气没有生产火花的危险。因此，它始于有易燃或爆炸潜在危险的工矿。
(2)气动元件机构简单，价格低廉，用过的空气可向大气排放，处理方便，不必使用回收管道。
(3)气动系统清洁，即使有泄漏，也不会像液压系统那样污染产品和环境，不受电磁干扰，电子系统则有之。
(4)气动系统维护不复杂，也不需要特殊的培训和实验设备。
(5)适应性强，现有的机器可方便的改为气动传动，气缸可以直接安装在要求出力的地方。
(6)便于进行能量储存，可以进行应急或系统需要用。
(7)气压传动本身有过载保护性能。气动执行元件能长期在满负荷下工作，在过载时自动停止。
(8)气动元件运动速度高，普通气缸的运动速度一般为0.05~0.7m/s，有的高达1~3m/s，高速气缸可达15m/s。
调查资料表明，目前气动装置在工业自动化装备中占很重要的地位。
当然，气动技术也有其缺点:
(1)压缩空气需要进行除尘、除水处理。
(2)空气的可压缩性使系统效率低，且使气动系统的稳定性差，给位置和速度的精确控制带来很大的影响。
(3)系统运行时排放空气的噪声较大。
(4)气动信号的传递速度远比电信号低，而且有较大的延迟和失真，因而气动控制技术不宜用于高速传递和处理信息的复杂系统，而且气动信号的传送距离也受到限制。
尽管气动技术上有一些缺点，但它的优点还是主要的，所以气动技术能在各个工业部门中得到日益广泛的应用。而气动元件更是一种经济实用的机械化、自动化的理想元件。现在，气动技术和电子电器、液压技术一样，都成为自动化生产过程的有效技术之一，在国民经济中起着越来越大的作用。气动技术由风动技术及液压技术演变、发展而成为独立的技术门类不到50年，却已经充分显示出它在自动化领域中强大的生命力，成为二十世纪应用最广、发展最快，也最容易接收及重视的技术之一，气动技术己成为各个行业不可缺少的一部分。在国外，气动被称为“廉价的自动化技术”。
气动技术由几个主要的历史发展阶段。至50年代初，大多数元件从液压元件改造或演变过来，体积很大。60年代，开始构成工业控制系统，应用成体系，不再与风动技术相提并论。在70年代，由于与电子技术的结合应用，在自动化领域得到广泛的推广。80年代则是集成化、微型化的时代。90年代末本世纪初，气动技术突破了传统的死区，经历着飞跃性的发展，重复精度达0.01mm的模块化气动机械手，5mm/s低速平稳运行及5~10m/s高速运动的不同气缸相继问世。在与计算机、电气、传感、通讯等技术相结合的基础上产生了智能气动这一概念(气动比例与伺服、智能阀岛、模块化机械手)。气动伺服定位技术可使气缸在气动机械手位置伺服控制系统的研究高速运动3mm/s情况下实现任意点自动定位。智能阀岛技术十分理想的解决了整个自动化生产线的分散与集中控制问题。现代气动的发展趋势是微型化、集成化、模块化、智能化[20-22]。
1.4 气动机械手的发展方向
1) 重复高精度
精度是指机器人、机械手到达指定点的精确程度，它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关[4]。重复精度是指如果动作重复多次，机械手到达同样位置的精确程度。重复精度比精度更重要，如果一个机器人定位不够精确，通常会显示一个固定的误差，这个误差是可以预测的，因此可以通过编程予以校正。重复精度限定的是一个随机误差的范围，它通过一定次数地重复运行机器人来测定[13]。随着微电子技术和现代控制技术的发展，以及气动伺服技术走出实验室和气动伺服定位系统的成套化。气动机械手的重复精度将越来越高，它的应用领域也将更广阔，如核工业和军事工业等[2]。
2) 模块化
有的公司把带有系列导向驱动装置的气动机械手称为简单的传输技术，而把模块化拼装的气动机械手称为现代传输技术。模块化拼装的气动机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。它集成电接口和带电缆及气管的导向系统装置，使机械手运动自如。由于模块化气动机械手的驱动部件采用了特殊设计的滚珠轴承，使它具有高刚性、高强度及精确的导向精度。优良的定位精度也是新一代气动机械手的一个重要特点。模块化气动机械手使同一机械手可能由于应用不同的模块而具有不同的功能，扩大了机械手的应用范围，是气动机械手的一个重要的发展方向[23]。
智能阀岛的出现对提高模块化气动机械手和气动机器人的性能起到了十分重要的支持作用。因为智能阀岛本来就是模块化的设备，特别是紧凑型CP阀岛，它对分散上的集中控制起了十分重要的作用，特别对机械手中的移动模块。
3) 机电气一体化
由“可编程序控制器～传感器～气动元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面；发展与电子技术相结合的自适应控制气动元件，使气动技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制”；省配线的复合集成系统，不仅减少配线、配管和元件，而且拆装简单，大大提高了系统的可靠性[2,24]。
而今，电磁阀的线圈功率越来越小，而PLC的输出功率在增大，由PLC直接控制线圈变得越来越可能。气动机械手、气动控制越来越离不开PLC，而阀岛技术的发展，又使PLC在气动机械手、气动控制中变得更加得心应手[25]。

第2章 气动机械手关节结构形式设计
2.1 气动肌肉结构、特性及模型
2.1.1 气动肌肉的基本结构

图2-1 气动肌肉

图2-2 气动肌肉的结构
1.管接螺母 材料：精制铝合金，光亮阳极氧化；
2.法兰 材料：精制铝合金，蓝色阳极氧化；
3.内部圆锥 材料：精制铝合金，光亮阳极氧化；
4.盘形弹簧 材料：钢；
5.密封圈 材料：NBR；
6.隔膜软管 材料：芳香族物质，CR
2.1.2 气动肌肉的特性
1) 气动肌肉的工作方式
气动肌肉是一种拉伸驱动器，它模仿自然肌肉的运动，气动肌肉由一个收缩系统和合适的连接器组成。这个收缩系统由一段被高强纤维包裹的密封橡胶管组成。纤维形成了一个三维的棱形网状结构。当内部有压力时，管道就在球面方向上扩张，因此产生了拉伸力和肌肉纵向的收缩运动。拉伸力在收缩开始时最大，并与行程成线形比例关系减小。气动肌肉的可使用工作行程高达其额定长度的25%。气动肌肉只能做拉伸驱动器。球面方向的扩张不能用于夹紧，因为收缩运动引起的外部摩擦可能损坏肌肉。
2) 气动肌肉长度和负载的关系
气动肌肉的额定长度是在无压力，无负载的情况下定义的。它相当于接口间可见的那部分肌肉的长度。当气动肌肉受外力作用预拉伸时，它就被拉长了（如图2-3所示）；另一方面，当受压时，肌肉收缩，其长度减小。

图2-3 长度与张力的关系
2.1.3 气动肌肉的模型
在最简单的情况下，气动肌肉用作单作用驱动器，负载不变（如图2-4a）。假设气动肌肉上该负载一直存在，在没有压力的情况下，肌肉将从原始状态被拉伸一段长度，这是考虑气动肌肉的技术特性的一种理想工作状态：当加压时，气动肌肉在预拉伸状态下有最大的输出力和最佳动态性能，并且耗气量最小。在这种情况下，可用的力也最大。如果要求气动肌肉在扩张状态时无作用力（如允许附加上负载），首先就要加上用于提升负载目的的保持力，利用它的运动来移动作用力小的元件。

(a) (b)
图2-4不同外力作用下气动肌肉表现形式
当外力发生变化时（如图2-4b），气动肌肉像一根弹簧；它与力的作用方向一致。对用作“气弹簧”的气动肌肉而言，预拉伸力和弹簧刚度都是变化的。气动肌肉在常压或体积不变的情况下可用作弹簧。这些气动肌肉会产生不同的弹簧特性，这使得它可很好地适用于具体应用[26]。
在机械设计手的设计过程中，为了简化设计的模型，使设计过程简单明了，采用如图2-5的二维简化模型。在三维模拟仿真阶段，由于气动肌肉所做的是拉

图2-5 二维简化模型

图2-6 三维简化模型
伸运动，为了实现肌肉的这种运动形式，把气动肌肉中部的隔膜软管的圆柱体改为长方体,并且为了定义滑动杆运动形式的方便，把每一根气动肌肉看做是由左右两根等长的半根气动肌肉组成（如图2-6）。
2.2 气动机械手的基本结构
本课题所设计的气动机械手的结构如图2-7所示。

1. 机架 2. 气动肌肉 3. 第一肩关节 4. 第二肩关节 5. 机架臂
6. 第三肩关节 7. 大臂 8. 肘关节 9. 小臂 10. 腕关节 11. 气爪
图2-7 气动机械手的结构
气动机械手主要由起固定支撑作用的机架、机械臂和气爪三部分组成。气动机械手能够实现4个自由度（由于机构运动确定，因此机构的自由度等于机构的原动件数目，此机构有4个原动件，因此可得有4个自由度）的运动，其各自的自由度的驱动全部由气动肌肉来实现。最前端的气爪抓取物品，通过气动肌肉的驱动实现各自关节的转动，使物品在空间上运动，根据合理的控制，最终实现机械手的动作要求。驱动第一肩关节的运动有2根气动肌肉组成，机架臂有4根气动肌肉组成，大臂上安装有4根气动肌肉，小臂上安装有4根气动肌肉。

2.3 气动机械手关节结构设计
2.3.1 关节的基本方式
在气动机械手设计中，有4个自由度，相当于4个独立的关节。每个关节的驱动原理都是相同的，即由一对相当于人类拮抗的气动肌肉相互之间的对抗作用来驱动关节。其原理如图2-8所示。这种方式驱动的关节，其刚度和两个肌肉的压力之和有关，而其位置则和2个肌肉的压力差有关，因此可以实现关节位置和刚度的独立控制[27]。

图2-8 关节的基本驱动方式
2.3.2 肩关节结构设计
1) 第一肩关节的设计
第一肩关节主要是由2根气动肌肉作为驱动，实现绕Z轴（X、Y、Z轴的方向标在图2-7中，下同）转动这1个自由度，其结构简图如图2-9(a)所示。三维建模的第一肩关节结构如图2-9(b)所示。

图2-9(a) 第一肩关节结构简图

图2-9(b) 第一肩关节三维结构图
2) 第二肩关节的设计
第二肩关节和其下的4根机架臂相连接，为的是实现绕X轴旋转这1个自由度，其结构简图如图2-10a所示。三维建模的第二肩关节结构如图2-10b所示。

图2-10(a)第二肩关节 图2-10(b)第二肩关节
结构简图 三维结构图
3) 第三肩关节的设计
第三肩关节是连接第二肩关节和大臂的纽带。主要零件是肩部连接腕和中部支撑杆。其中肩部连接腕固定在肩部连接轴上，在机架臂的带动下，使得大臂、小臂及气爪整体绕X轴的转动，其另一功能是连接大臂的4根气动肌肉。中部支撑杆是用来固定肘关节，是大臂的支撑杆。其三维结构图如图2-11所示。

图2-11第三肩关节三维结构图
2.3.3肘关节结构设计
1) 虎克铰简介
气动机械手的设计难点主要在于肘关节和腕关节的实现。最灵活的关节形式就是球铰，有3个自由度，但是其实现复杂，控制难度比较大。在许多气动机械手的研究中，采用的驱动器都是电机，为实现肩关节的3个自由度，结构往往比较复杂[28,29]。作为2个自由度的机构，虎克铰的结构比较简单，且2个自由度之间的运动可以独立进行控制。由于驱动方式的限制，虎克铰的应用在机器人中不是很常见。本研究采用气动肌肉，可以方便地对这种机构进行控制，实现两个自由度的运动。在本设计中，采用如图2-12所示的虎克铰形式来实现肘关节的2个自由度[27]。

图2-12 虎克铰的基本结构
2) 肘关节的结构设计
肘关节主要是由一个虎克铰的结构构成。由于虎克铰能够实现2个自由度，并且虎克铰的2根轴相互垂直，这就要求肘关节与大臂的气动肌肉的连接件必须具有两个方向单一的铰链点结构，其三维结构如图2-13所示。

图2-13 气动肌肉连接件
肘关节是连接大臂与小臂的重要关节。分别是通过中部支撑杆和前部支撑杆维系着这两个结构，其三维结构图如图2-14所示。其中一些重要的尺寸参数分别

图2-14 肘关节三维结构图
由X、Y轴方向来确定，肘关节X轴方向上的结构简图如图2-15a所示，绿色表示的是肌肉连接件，由于在X轴方向上，其与气动肌肉没有相互转动，因此表示成同一条直线，绿色只是说明这里另一个零件，Y轴方向上的结构简图如图2-15b所示。当不同相邻的两根气动肌肉组成一对时，可以实现绕不同轴的旋转。如图2-14（左图）所示，当前面的两根气动肌肉组成一对，即两根肌肉有相同的运动形式，可知后面的是一对，在运动过程中可以实现绕Y轴的转动。同样的左、右各为一对时，可以实现绕X轴的转动。

(a) X轴方向 (b) Y轴方向
图2-15 肘关节X、Y轴方向的结构简图
2.3.4 腕关节结构设计
腕关节大体上与肘关节的结构相似，主要有一个虎克铰的结构构成。同样能够实现2个自由度，与肘关节不同的是绕着X轴、Z轴的旋转。腕关节和小臂的连接件和肘关节的连接件一样（如图2-13），是两个方向单一的铰链点。腕关节通过前部支撑杆和肘关节固定，前端安装有一个气爪。其三维结构如图2-16所示。

图2-16 腕关节三维结构图
腕关节设计过程中的一些重要尺寸参数有X轴，Z轴方向来确定。其在X轴方向上的结构简图如图2-17(a)所示，Z轴如图2-17(b)所示。

(a) X轴方向

(b) Z轴方向
图2-17 腕关节X、Z轴方向的结构简图

第3章 气动机械手关节结构参数设计
3.1 参数设计优点
一个产品的问世主要包括提出想法，初步确定方案，探讨方案进行可行性分析，最终确定方案，研制，以及最终成型。在设计的初级阶段主要是考虑方案的可行性，确定方案后，参数化设计各个结构零件，可以获得最满意的结果[30]。
结合本次所设计的气动机械手，参数化设计零件的优点是在相同的结构下，使每一个关节获得最大的运动范围，即绕各自的转动轴获得最大的转动角。
3.2 肩关节结构参数设计
3.2.1第一肩关节结构参数设计
第一肩关节的结构简图如图3-1所示。

图3-1 第一肩关节的结构简图
假定CBOEC1是第一肩关节开始的运动位置，BDD1E可绕O点旋转，逆时针旋转的极限位置是B1OE1，这时出现死点的现象，即当CB1O在同一直线上，连接BO，B1O，EO，E1O，C1O。作O点到CD的垂线交CD的延长线于F点。设OA= a，AD= d，BD= b，BC=L，BO= B1O= EO= E