【正文】 器人末端夾持器在抓取的穩(wěn)定性、靈活性以及通用性等方面都存在嚴重不足，這在很大程度制約了機器人的應(yīng)用，這種情況下，國內(nèi)外的科學(xué)工作者開始研究具有多個關(guān)節(jié)和自由度的機器人多指靈巧手。目前，國內(nèi)外機器人多指靈巧手，大部分采用伺服電機驅(qū)動，這種驅(qū)動優(yōu)勢在于可以實現(xiàn)準確的控制，同時采用電機 — 柔索動力傳遞 方式，這樣設(shè)計的目的在于得到了較大的之間輸出力的同時又保證了靈巧手具有較小的尺寸。但是，電機 — 柔索傳動方案使得整個靈巧結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 而且柔索裝置在傳遞動力的過程中會有摩擦、松弛、振顫等現(xiàn)象，不僅效率低下．而且增加了控制難度。為了克服上述存在的問題，浙江工業(yè)大學(xué)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)等國內(nèi)院校已經(jīng)進行了相關(guān)研究，本畢業(yè)設(shè)計研究一種基于氣動人工肌肉驅(qū)動的多關(guān)節(jié)機械靈巧手指，并且進行動力學(xué)仿真。 氣動人工肌肉多關(guān)節(jié)手指的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 北京理工大學(xué)范偉，余麟等針對氣動人工肌肉驅(qū)動仿人靈巧手的設(shè)計，提出應(yīng)用 氣動人工肌肉的五指靈巧手設(shè)計方案包括各手指的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及手指與手掌的連接設(shè)計手指采腱傳動方式，靈巧手總共具有 17 個自由度。手指南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 3 頁 端有滑覺傳感手掌中有握緊力傳感。該靈巧手具有充分的自由度，結(jié)構(gòu)緊湊、新穎并具有力知覺能力仿生性好 [1]。 浙江理工大學(xué)王龍輝 設(shè)計了一種多自由度的仿人手指，該手指采用氣動肌肉作為驅(qū)動器。在設(shè)計手指之前，為了得到氣動人工肌肉的基礎(chǔ)模型，首先要通過實驗來獲得氣動肌肉的靜態(tài)特征，采用兩個氣動肌肉來帶動滑輪轉(zhuǎn)動的原理，設(shè)計出靈巧手指的基本關(guān)節(jié)模型，然后設(shè)計出靈巧手的基本機構(gòu)，根據(jù)氣動 肌肉的驅(qū)動原理，設(shè)計手指關(guān)節(jié)的氣路和控制系統(tǒng)；其次為了進行試驗分析，必須構(gòu)建氣動肌肉手的實時反饋系統(tǒng) [2]。 河南科技大學(xué)王凱通過對人下指結(jié)構(gòu)的分析 ,基于 SolidWorks 三維軟件設(shè)計了一種氣動人工肌肉驅(qū)動的機器人靈巧手指，按照人手指結(jié)構(gòu)比例進行了優(yōu)化 ,并采用觸力傳感器和電位計來分別檢測指尖接觸力及三個關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角．為構(gòu)成閉環(huán)控制產(chǎn)生反饋信號 ,對所設(shè)計的手指進行運動學(xué)分析，確定出手指各關(guān)節(jié)的運動空間及輸出力 ,為進一步進行靈巧手模塊化設(shè)計打下了基礎(chǔ) [3]。 北京理工大學(xué)彭光正研究并設(shè)計了氣動人工肌肉驅(qū) 動的多關(guān)節(jié)手。該手有5 個手指，結(jié)合人體的構(gòu)造，參考人手的外形和肌肉的運動形式，設(shè)計了 19個自由度多指仿人靈巧手，該手指依靠氣動肌肉帶動柔索伸縮，從而使手指彎曲。通過實驗數(shù)據(jù)分析可得 ,該手指的整體尺寸和運動空間接近人手，因此該手指擁有良好的柔順性能 [4]。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)樊紹巍提出了一種新型的類人化五指手被研制出來，手是由一個獨立的手掌和五個相同的模塊化的手指構(gòu)成，手指的尺寸大約是第一代HIT/ DLR 手的三分之一，手的大小和人類的相似包裝件同結(jié)構(gòu)功能件融合的設(shè)計思想不但進一步縮減的靈巧手的外形尺寸 ,而且使 靈巧手外形更加類人化 [5]。 河南科技大學(xué)朱玉樂根據(jù)氣動人工肌肉驅(qū)動的 HUST 靈巧手的結(jié)構(gòu)特點，采用標準 D— H 參數(shù)法建立各手指指尖相對于手掌坐標系的運動方程，分析求解多指氣動靈巧手的正逆運動學(xué)問題，基于 MATLAB 對靈巧手的工作空間進行仿真分析，得出了各手指在手掌坐標系下的操作可達空間，并通過抓取實例驗證了運動學(xué)與仿真分析的正確性，為多指靈巧手的抓取規(guī)劃提供了重要依據(jù)[6]。 昆明理工大學(xué)武鵬飛對能抓取易碎物體的氣動手指進行了研究 , 采用南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 4 頁 氣動手指位置的夾持力自適應(yīng)控制系統(tǒng) , 建立了氣動手 指系統(tǒng) 模型 , 并通過 AMESim 仿真分析 , 利用 PID 控制技術(shù)提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性 [7]。 浙江工業(yè)大學(xué)張立彬提出了一種新型氣動靈巧手指。由于該 5D力傳感器和非接觸式角位移傳感器被集成在手指中。一體化設(shè)計手指關(guān)節(jié)本體和 驅(qū)動器，減小了手指的整體尺寸；手指關(guān)節(jié)采用 FPA直線驅(qū)動，直接輸出驅(qū)動力矩，合理減少了松弛、顫抖等現(xiàn)象 [8]。 Kanchana 和 Thananchai 際實驗值的模型，他們在這個中增加理想情況下的偏差因素，能夠適應(yīng)實際情況下 產(chǎn)生的誤差，可以更好的反應(yīng)氣動肌肉的基本特征 [9]。 氣動技術(shù)的介紹以及發(fā)展前景 氣動技術(shù) [1 15]是一項正在迅速發(fā)展而且熱門新技術(shù)，氣動技術(shù)中最重要的組成部分那就是氣動元件了，氣動技術(shù)是基于一個壓縮氣體（如壓縮空氣或惰性氣體和熱氣體）作為工作介質(zhì)來傳遞能量及信號，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的自動化的一項新技術(shù)，由氣動元件構(gòu)成的驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟各部門的設(shè)備和自動化生產(chǎn)線，氣動技術(shù)包括氣動原理和氣動控制兩個方面。 氣動技術(shù)發(fā)展歷史，是從單個部件到控制系統(tǒng)，從簡單的機械系統(tǒng)到復(fù)雜的機電一體化過程。人類使用的空氣來能量傳遞介質(zhì)可追溯到數(shù)千年。但氣動技術(shù)的具體特性和基本原理進行系統(tǒng)研究是從本世紀初開始的，形成一中氣壓傳播動力學(xué)和控制理論作為主要內(nèi)容的氣動系統(tǒng)理論學(xué)科。目前，氣動和液壓驅(qū)動器是控制技術(shù)兩個最普遍的應(yīng)用，他們之間許多相似之處，也有很多不同點。之所以氣動技術(shù)真正成為世界廣泛接受和使用，是因為各地各工業(yè)部門由于日益緊迫的生產(chǎn)自動化和程序合理化必需的，還因為許多氣動技術(shù)具有以下優(yōu)點： （ 1） 空氣技術(shù)用空氣作為工作介質(zhì)，空氣到處可取的，低粘性，在管道集中供氣和遠距離輸送流動阻力小。因此 ，大多數(shù)企業(yè)都有壓縮空氣的來源。作為工作介質(zhì)的壓縮空氣，有著安全性能高，取用方便和獲取成本低的優(yōu)點，利用這些優(yōu)點，使氣動技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。壓縮空氣不會產(chǎn)生危險的電火花。所以，它可以用易燃易爆這些潛在危險的場所。 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 5 頁 （ 2） 氣動元件運動速度高，速度一般鋼瓶為 ? ，有些高達 1?3m/s，高速氣缸高達 15m/s。 （ 3）氣動元件機構(gòu)較為簡單，成本低，易于取得，使用過的壓縮空氣可以直接排放到空氣中，而不需要經(jīng)過特殊的后置處理 （ 4）氣動系統(tǒng)非常環(huán)保，系啟動系統(tǒng)能量儲存比較方便，可以作為應(yīng)急能量使用。統(tǒng)即 使有氣體泄漏，它也不會像的液壓系統(tǒng)，造成嚴重的污染，與傳統(tǒng)的電機控制相比，它不容易受電磁干擾。 （ 5）充氣系統(tǒng)維護簡單，操作人員也不需要特別的訓(xùn)練和特殊實驗室設(shè)備。 （ 6）適應(yīng)性強，現(xiàn)有的機器可以容易地改裝來安裝氣動驅(qū)動缸，可以直接按照輸出要求來安裝。 （ 7）氣動系統(tǒng)本神擁有過載保護的功能。氣動執(zhí)行器可在滿負荷下長期工作，過載時候自動停止工作。 當(dāng)然，氣動技術(shù)也有它的缺點： （ 1） 壓縮空氣的必須凈化，以便出去不必要的灰塵和水。 （ 2） 系統(tǒng)運行會產(chǎn)生嘈雜的排氣 （ 3）空氣的可壓縮性使得系統(tǒng)效率和氣動系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生變動， 大多數(shù)情況下將會影響位置和速度控制。 （ 4）氣動系統(tǒng)的反應(yīng)速度相對于電路控制，有一個較大的延遲和失真低，因而不適合于高速氣動控制技術(shù)和復(fù)雜的信息系統(tǒng)和處理，而且氣動信號傳輸距離也是有限的。雖然氣動技術(shù)有一些缺點，但它也是一個主要的優(yōu)點，所以氣動技術(shù)可以越來越廣泛地應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域。氣動元件是一個具有成本效益高的機械化和理想的自動化元件?，F(xiàn)在，氣動技術(shù)和電子、液壓技術(shù)，自動化技術(shù)一起在國民經(jīng)濟中的發(fā)揮作用越來越重要。從風(fēng)能驅(qū)動技術(shù)和液壓技術(shù)逐步發(fā)展為氣動技術(shù)，雖然它才經(jīng)歷了 50 年的發(fā)展歷史，但已充分顯示了其 在自動化領(lǐng)域強大的生命力，成為了 20 世紀發(fā)展最快、最受關(guān)注、應(yīng)用最廣泛的一門科學(xué)技術(shù)，氣動技術(shù)已成為各個行業(yè)不可缺少的一部分。在其他國家，氣動被稱為“廉價的自動化技術(shù)。” 氣動技術(shù)經(jīng)歷了主要發(fā)展幾個歷史階段。到上世紀 50 年代初，大部分從液壓元件變換或演化在大體積的組件。 20 世紀 60 年代左右，開始構(gòu)成工業(yè)控制系統(tǒng)，應(yīng)用到系統(tǒng)中，與現(xiàn)在的氣動技術(shù)沒有可比性。在 20 世紀 70 年代，南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 6 頁 由于電子技術(shù)在自動化領(lǐng)域已得到廣泛推廣，液壓技術(shù)得到了大規(guī)模的應(yīng)用。 20 世紀 80 年代是集成化，小型化的時代。 90 年代末和本 世紀初，傳統(tǒng)的死區(qū)氣動技術(shù)的突破，氣動技術(shù)開始經(jīng)歷了跨越式發(fā)展，精度為 組合式氣動機械手已經(jīng)被設(shè)計出來， 5mm/ s 的低速平穩(wěn)和 5? 10m/s 的高速運行氣缸相繼問世。隨著計算機、電子、傳感器、通訊等多種技術(shù)的發(fā)展，促使了智能氣動（氣動比例和伺服，智能閥島，模塊化機器人）的概念產(chǎn)生出來。氣缸氣動伺服定位技術(shù)可以實現(xiàn)高精度的自動定位，氣動伺服定位技術(shù)可使氣缸在氣動機械手位置在伺服控制系統(tǒng)的高速運動 3mm/s 情況下實現(xiàn)任意點自動定位。智能閥門終端技術(shù)的全自動化生產(chǎn)線方案解決分散和集中控制問題。現(xiàn)代氣動的 發(fā)展趨勢集成化、模塊化、智能化、微型化 [10]。 論文研究的內(nèi)容和方法 目前各種類型的機械手指被開發(fā)出來，主要是由伺服電機驅(qū)動。雖然目前的伺服電機已經(jīng)達到所需的一些性能 ,但是它們的主要缺陷是既大又重而且需要復(fù)雜的傳輸機制，極大的地限制了機械手指的使用。事實上現(xiàn)有的機器手指由于驅(qū)動電機的重量和復(fù)雜的傳輸機制，實用性大打折扣。在現(xiàn)有的機械手指結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，我們打算使用新型的氣動人工肌肉以及驅(qū)動原理對它進行研究，提高機器手指的性能。本研究首先利用人工肌肉制作出直線驅(qū)動器，然后通過曲柄搖桿機構(gòu)的逆向運用 將直線驅(qū)動器的直線運動轉(zhuǎn)換成手指關(guān)節(jié)的彎曲運動，設(shè)計制造出功能類似于人類手指的機械手指，對多關(guān)節(jié)機械手指的結(jié)構(gòu)進行動力學(xué)仿真分析。 雖然 ADAMS[11]擁有較強的運動學(xué)和動力學(xué)仿真能力，但是它不能夠準確繪制復(fù)雜的三維實體模型。本論文使用 SolidWorks[12] 三維繪圖軟件來建立較為復(fù)雜的機械手指三維模型。 MATLAB 具有強大的數(shù)據(jù)分析能力，又可以彌補ADAMS 控制能力不足，沒有復(fù)雜的控制模塊，所以采取 ADAMS 和 MATLAB 聯(lián)合仿真的方法對手指的動力學(xué)特性進行分析優(yōu)化，觀察手指在驅(qū)動力的作用 下運動情況。 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 7 頁 第二章 多關(guān)節(jié)手指的結(jié)構(gòu)設(shè)計及建模 氣動肌肉的介紹 氣動肌肉的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 21 氣動肌肉的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 氣動肌肉的材料，管接螺紋、法蘭、內(nèi)部圓錐一般使用鋁合金，而盤形彈簧一般用彈簧鋼，氣體密封圈常用腈基丁二烯橡膠（ NBR），隔膜軟膠管使用芳香烴類物質(zhì)（ CR)。 氣動肌肉的特性 1） 氣動肌肉的工作方式 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 8 頁 圖 22 氣動肌肉 氣動 肌肉是一種伸縮驅(qū)動器，它是有內(nèi)部伸縮裝置和外部連接器組成它能夠人肌肉一樣工作，內(nèi)部伸縮裝置是由高強纖維的密封軟管組成，當(dāng)內(nèi)部充氣時，隔膜軟管逐漸膨脹為球體，氣動肌肉縱向擴張，橫向收縮，帶動負載直線運動，一開始充氣時，氣動人工肌肉的拉伸力非常大，隨著時間推移，橫向位移逐漸增大，拉伸力也隨之減少。研究表明，氣動肌肉的行程大約為額定長度的 24%左右，氣動肌肉只能橫向拉伸運動，并不能縱向壓縮，所以當(dāng)充氣壓力過大時，可能導(dǎo)致橡膠管外部摩擦力增加，破壞氣動肌肉的性能。 2) 氣動肌肉長度和負載的關(guān)系 定義氣動人工肌 肉在無負載、無壓力的情況下的長度為額定長度，這就等于接口間可見的那部分氣動肌肉的長度。當(dāng)氣動肌肉受外力作用預(yù)拉伸時，它的長度變長；另一方面，當(dāng)氣動肌肉受壓時，氣動肌肉收縮，它的長度減小[13]。如圖 23 所示。 圖 23 長度與張力的關(guān)系 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 9 頁 氣動機械手指的基本結(jié)構(gòu) 繪圖軟件 SoildWorks 介紹 SolidWorks 軟件是世界上第一個基于 Windows 開發(fā)的三維 CAD 系統(tǒng)，由于技術(shù)創(chuàng)新符合 CAD 技術(shù)的發(fā)展潮流和趨勢， SolidWorks 公司于兩年間成為CAD/CAM 產(chǎn)業(yè)中獲利最 高的公司。良好的財務(wù)狀況和用戶支持使得 SolidWorks每年都有數(shù)十乃至數(shù)百項的技術(shù)創(chuàng)新，公司也獲得了很多榮譽。該系統(tǒng)在19951999 年獲得全球微機平臺 CAD 系統(tǒng)評比第一名；從 1995 年至今，已經(jīng)累計獲得十七項國際大獎，其中僅從 1999 年起，美國權(quán)威的 CAD 專業(yè)雜志CADENCE 連續(xù) 4 年授予 SolidWorks 最佳編輯獎，以表彰 SolidWorks 的創(chuàng)新、活力和簡明。至此， SolidWorks 所遵循的易用、穩(wěn)定和創(chuàng)新三大原則得到了全面的落實和證明，使用它， 設(shè)計師 大大縮短了設(shè)計時間，產(chǎn)品快速、高效地投向了市場。 整體方案的設(shè)計 多關(guān)節(jié)手指是一種可以在二維空間運動的構(gòu)件，設(shè)計和建立手指的三維手指圖首先必須考慮手指的運動和驅(qū)動裝置，本文采取氣動人工肌肉作為手指的驅(qū)動器，氣動人工肌肉只能夠直線運動，要想轉(zhuǎn)化為手指的彎曲，一般可以采取繩索 — 轉(zhuǎn)動件的組合，也可以采用類似于曲柄滑塊機構(gòu)的關(guān)節(jié)，手指三個關(guān)節(jié)長度差別不 大，一般為 90~100mm 左右，手指應(yīng)該包括近指節(jié)，中指節(jié)和遠指節(jié)，因為遠指節(jié)需要進行抓取工作，所以末端結(jié)構(gòu)應(yīng)該與其他兩個關(guān)節(jié)有所不同，手指內(nèi)部還必須考慮氣動人工肌肉安裝位置，人工肌肉可以采取小型人工肌