【正文】 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(guó)內(nèi)院校已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)研究，本畢業(yè)設(shè)計(jì)研究一種基于氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)的多關(guān)節(jié)機(jī)械靈巧手指，并且進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。 氣動(dòng)人工肌肉多關(guān)節(jié)手指的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 北京理工大學(xué)范偉，余麟等針對(duì)氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)仿人靈巧手的設(shè)計(jì)，提出應(yīng)用氣動(dòng)人工肌肉的五指靈巧手 設(shè)計(jì)方案包括各手指的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及手指與手掌的連接設(shè)計(jì)手指采腱傳動(dòng)方式，靈巧手總共具有 17個(gè)自由度。手指南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)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(jì)了一種多自由度的仿人手指，該手指采用氣動(dòng)肌肉作為驅(qū)動(dòng)器。在設(shè)計(jì)手指之前，為了得到氣動(dòng)人工肌肉的基礎(chǔ)模型，首先要通過實(shí)驗(yàn)來獲得氣動(dòng)肌肉的靜態(tài)特征，采用兩個(gè)氣動(dòng)肌肉來帶動(dòng)滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)的原理，設(shè)計(jì)出靈巧手指的基本關(guān)節(jié)模型，然后設(shè)計(jì)出靈巧手的基本機(jī)構(gòu)，根據(jù)氣動(dòng)肌肉的驅(qū)動(dòng)原理，設(shè)計(jì)手指 關(guān)節(jié)的氣路和控制系統(tǒng)；其次為了進(jìn)行試驗(yàn)分析，必須構(gòu)建氣動(dòng)肌肉手的實(shí)時(shí)反饋系統(tǒng) [2]。 河南科技大學(xué)王凱通過對(duì)人下指結(jié)構(gòu)的分析 ,基于 SolidWorks 三維軟件設(shè)計(jì)了一種氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人靈巧手指，按照人手指結(jié)構(gòu)比例進(jìn)行了優(yōu)化 ,并采用觸力傳感器和電位計(jì)來分別檢測(cè)指尖接觸力及三個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角．為構(gòu)成閉環(huán)控制產(chǎn)生反饋信號(hào) ,對(duì)所設(shè)計(jì)的手指進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，確定出手指各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)空間及輸出力 ,為進(jìn)一步進(jìn)行靈巧手模塊化設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ) [3]。 北京理工大學(xué)彭光正研究并設(shè)計(jì)了氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)的多關(guān)節(jié)手。該手有5 個(gè) 手指，結(jié)合人體的構(gòu)造，參考人手的外形和肌肉的運(yùn)動(dòng)形式，設(shè)計(jì)了 19個(gè)自由度多指仿人靈巧手，該手指依靠氣動(dòng)肌肉帶動(dòng)柔索伸縮，從而使手指彎曲。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可得 ,該手指的整體尺寸和運(yùn)動(dòng)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(gè)獨(dú)立的手掌和五個(gè)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(jì)思想不但進(jìn)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(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)的 HUST靈巧手的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用標(biāo)準(zhǔn) D— H 參數(shù)法建立各手指指尖相對(duì)于手掌坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)方程，分析求解多指氣動(dòng)靈巧手的正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問題，基于 MATLAB 對(duì)靈巧手的工作空間進(jìn)行仿真分析，得出了各手指在手掌坐標(biāo)系下的操作可達(dá)空間，并通過抓取實(shí)例驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)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(duì)能抓取易碎物體的氣動(dòng)手指進(jìn)行了研究 , 采用南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 4 頁 氣動(dòng)手指位置的夾持力自適應(yīng)控制系統(tǒng) , 建立了氣動(dòng)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(dòng)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(jì)手指關(guān)節(jié)本體和 驅(qū)動(dòng)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(dòng)，直接輸出驅(qū)動(dòng)力矩，合理減少了松弛、顫抖等現(xiàn)象 [8]。 Kanchana 和 Thananchai 際實(shí)驗(yàn)值的模型，他們?cè)谶@個(gè)中增加理想情況下的偏差因素，能夠適應(yīng)實(shí)際情況下產(chǎn)生的誤差，可以更好的反 應(yīng)氣動(dòng)肌肉的基本特征 [9]。 氣動(dòng)技術(shù)的介紹以及發(fā)展前景 氣動(dòng)技術(shù) [1 15 ]是一項(xiàng)正在迅速發(fā)展而且熱門新技術(shù)，氣動(dòng)技術(shù)中最重要的組成部分那就是氣動(dòng)元件了，氣動(dòng)技術(shù)是基于一個(gè)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(hào)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程的自動(dòng)化的一項(xiàng)新技術(shù)，由氣動(dòng)元件構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門的設(shè)備和自動(dòng)化生產(chǎn)線，氣動(dòng)技術(shù)包括氣動(dòng)原理和氣動(dòng)控制兩個(gè)方面。 氣動(dòng)技術(shù)發(fā)展歷史，是從單個(gè)部件到控制系統(tǒng)，從簡(jiǎn)單的機(jī)械系統(tǒng)到復(fù)雜的機(jī)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(dòng)技術(shù)的具體特性和基本原理進(jìn)行系統(tǒng)研究是從本世紀(jì)初開始的，形成一中氣壓傳播動(dòng)力學(xué)和控制理論作為主要內(nèi)容的氣動(dòng)系統(tǒng)理論學(xué)科。目前，氣動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)器是控制技術(shù)兩個(gè)最普遍的應(yīng)用，他們之間許多相似之處，也有很多不同點(diǎn)。之所以氣動(dòng)技術(shù)真正成為世界廣泛接受和使用，是因?yàn)楦鞯馗鞴I(yè)部門由于日益緊迫的生產(chǎn)自動(dòng)化和程序合理化必需的，還因?yàn)樵S多氣動(dòng)技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)： （ 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(yuǎn)距離輸送流動(dòng)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(diǎn)，利用這些優(yōu)點(diǎn)，使氣動(dòng)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。壓縮空氣不會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)的電火花。所以，它可以用易燃易爆這些潛在危險(xiǎn)的場(chǎng)所。 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 5 頁 （ 2） 氣動(dòng)元件運(yùn)動(dòng)速度高，速度一般鋼瓶為 ? ，有些高達(dá) 1?3m/s，高速氣缸高達(dá) 15m/s。 （ 3）氣動(dòng)元件機(jī)構(gòu)較為簡(jiǎn)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(dòng)系統(tǒng)非常環(huán)保，系啟動(dòng)系統(tǒng)能量?jī)?chǔ)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(huì)像 的液壓系統(tǒng)，造成嚴(yán)重的污染，與傳統(tǒng)的電機(jī)控制相比，它不容易受電磁干擾。 （ 5）充氣系統(tǒng)維護(hù)簡(jiǎn)單，操作人員也不需要特別的訓(xùn)練和特殊實(shí)驗(yàn)室設(shè)備。 （ 6）適應(yīng)性強(qiáng)，現(xiàn)有的機(jī)器可以容易地改裝來安裝氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)缸，可以直接按照輸出要求來安裝。 （ 7）氣動(dòng)系統(tǒng)本神擁有過載保護(hù)的功能。氣動(dòng)執(zhí)行器可在滿負(fù)荷下長(zhǎng)期工作，過載時(shí)候自動(dòng)停止工作。 當(dāng)然，氣動(dòng)技術(shù)也有它的缺點(diǎn)： （ 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(yùn)行會(huì)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(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生變動(dòng)，大多數(shù)情況下將會(huì)影響位置 和速度控制。 （ 4）氣動(dòng)系統(tǒng)的反應(yīng)速度相對(duì)于電路控制，有一個(gè)較大的延遲和失真低，因而不適合于高速氣動(dòng)控制技術(shù)和復(fù)雜的信息系統(tǒng)和處理，而且氣動(dòng)信號(hào)傳輸距離也是有限的。雖然氣動(dòng)技術(shù)有一些缺點(diǎn)，但它也是一個(gè)主要的優(yōu)點(diǎn)，所以氣動(dòng)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(dòng)元件是一個(gè)具有成本效益高的機(jī)械化和理想的自動(dòng)化元件?，F(xiàn)在，氣動(dòng)技術(shù)和電子、液壓技術(shù)，自動(dòng)化技術(shù)一起在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的發(fā)揮作用越來越重要。從風(fēng)能驅(qū)動(dòng)技術(shù)和液壓技術(shù)逐步發(fā)展為氣動(dòng)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(dòng)化領(lǐng)域強(qiáng)大的生命力 ，成為了 20 世紀(jì)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(dòng)技術(shù)已成為各個(gè)行業(yè)不可缺少的一部分。在其他國(guó)家，氣動(dòng)被稱為“廉價(jià)的自動(dòng)化技術(shù)?！? 氣動(dòng)技術(shù)經(jīng)歷了主要發(fā)展幾個(gè)歷史階段。到上世紀(jì) 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(jì) 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(dòng)技術(shù)沒有可比性。在 20 世紀(jì) 70年代，南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 6 頁 由于電子技術(shù)在自動(dòng)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(jì) 80 年代是集成化，小型化的時(shí)代。 90 年代末和本世紀(jì)初，傳統(tǒng)的死區(qū)氣動(dòng)技 術(shù)的突破，氣動(dòng)技術(shù)開始經(jīng)歷了跨越式發(fā)展，精度為 組合式氣動(dòng)機(jī)械手已經(jīng)被設(shè)計(jì)出來， 5mm/ s 的低速平穩(wěn)和 5? 10m/s 的高速運(yùn)行氣缸相繼問世。隨著計(jì)算機(jī)、電子、傳感器、通訊等多種技術(shù)的發(fā)展，促使了智能氣動(dòng)（氣動(dòng)比例和伺服，智能閥島，模塊化機(jī)器人）的概念產(chǎn)生出來。氣缸氣動(dòng)伺服定位技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高精度的自動(dòng)定位，氣動(dòng)伺服定位技術(shù)可使氣缸在氣動(dòng)機(jī)械手位置在伺服控制系統(tǒng)的高速運(yùn)動(dòng) 3mm/s 情況下實(shí)現(xiàn)任意點(diǎn)自動(dòng)定位。智能閥門終端技術(shù)的全自動(dòng)化生產(chǎn)線方案解決分散和集中控制問題?，F(xiàn)代氣動(dòng)的發(fā)展趨勢(shì)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(jī)械手指被開發(fā)出來，主要是由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。雖然目前的伺服電機(jī)已經(jīng)達(dá)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(jī)制，極大的地限制了機(jī)械手指的使用。事實(shí)上現(xiàn)有的機(jī)器手指由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的重量和復(fù)雜的傳輸機(jī)制，實(shí)用性大打折扣。在現(xiàn)有的機(jī)械手指結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，我們打算使用新型的氣動(dòng)人工肌肉以及驅(qū)動(dòng)原理對(duì)它進(jìn)行研究，提高機(jī)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(dòng)器，然后通過曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的逆向運(yùn)用將直線驅(qū)動(dòng)器的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn) 換成手指關(guān)節(jié)的彎曲運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)制造出功能類似于人類手指的機(jī)械手指，對(duì)多關(guān)節(jié)機(jī)械手指的結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析。 雖然 ADAMS[11]擁有較強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真能力，但是它不能夠準(zhǔn)確繪制復(fù)雜的三維實(shí)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(jī)械手指三維模型。 MATLAB 具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析能力，又可以彌補(bǔ)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(duì)手指的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析優(yōu)化，觀察手指在驅(qū)動(dòng)力的作用下運(yùn)動(dòng)情況。 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)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(jì)及建模 氣動(dòng)肌肉的介紹 氣動(dòng)肌肉的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 21 氣動(dòng)肌肉的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 氣動(dòng)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(dòng)肌肉的特性 1） 氣動(dòng)肌肉的工作方式 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 8 頁 圖 22 氣動(dòng)肌肉 氣動(dòng)肌肉是一種伸縮驅(qū)動(dòng)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(qiáng)纖維的密封軟管組成，當(dāng)內(nèi)部充氣時(shí)，隔膜軟管逐漸膨脹為球體，氣動(dòng)肌肉縱向擴(kuò)張，橫向收縮，帶動(dòng)負(fù)載直線運(yùn)動(dòng)，一開始充氣時(shí)，氣動(dòng)人工肌肉的拉伸力非常大，隨著時(shí)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(dòng)肌肉的行程大約為額定長(zhǎng)度的 24%左右，氣動(dòng)肌肉只能橫向拉伸運(yùn)動(dòng)，并不能縱向壓縮，所以當(dāng)充氣壓力過大時(shí)，可能導(dǎo)致橡膠管外部摩擦力增加，破壞氣動(dòng)肌肉的性能。 2) 氣動(dòng)肌肉長(zhǎng)度和負(fù)載的關(guān)系 定義氣動(dòng)人工肌肉在無負(fù)載、無壓力的情況 下的長(zhǎng)度為額定長(zhǎng)度，這就等于接口間可見的那部分氣動(dòng)肌肉的長(zhǎng)度。當(dāng)氣動(dòng)肌肉受外力作用預(yù)拉伸時(shí)，它的長(zhǎng)度變長(zhǎng)；另一方面，當(dāng)氣動(dòng)肌肉受壓時(shí)，氣動(dòng)肌肉收縮，它的長(zhǎng)度減小[13]。如圖 23 所示。 圖 23 長(zhǎng)度與張力的關(guān)系 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 9 頁 氣動(dòng)機(jī)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(gè)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(shì)， 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(cái)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(xiàng)的技術(shù)創(chuàng)新，公司也獲得了很多榮譽(yù)。該系統(tǒng)在19951999 年獲得全球微機(jī)平臺(tái) CAD 系統(tǒng)評(píng)比第一名；從 1995 年至今，已經(jīng)累計(jì)獲得十七項(xiàng)國(guó)際大獎(jiǎng)，其中僅從 1999 年起，美國(guó)權(quán)威的 CAD 專業(yè)雜志CADENCE 連續(xù) 4 年授予 SolidWorks 最佳編輯獎(jiǎng)，以表彰 SolidWorks 的創(chuàng)新、活力和簡(jiǎn)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(shí)和證明，使用它， 設(shè)計(jì)師 大大縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，產(chǎn)品快速、高效地投向了市場(chǎng)。 整體方案的設(shè)計(jì) 多關(guān)節(jié)手指是一種可以在二維空間運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件，設(shè)計(jì)和建立手指的三維手指圖首先必須考慮手指的運(yùn)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)裝置，本文采取氣動(dòng)人工肌肉作為手指的驅(qū)動(dòng)器，氣動(dòng)人工肌肉只能夠直線運(yùn)動(dòng)，要想轉(zhuǎn)化為手指的彎曲，一般可以采取繩索 — 轉(zhuǎn)動(dòng)件的組合，也可以采用類似于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的關(guān)節(jié)，手指三個(gè)關(guān)節(jié)長(zhǎng)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(yuǎn)指節(jié)，因?yàn)檫h(yuǎn)指節(jié)需要進(jìn)行抓取工作，所以末端結(jié)構(gòu)應(yīng)該與其他兩個(gè)關(guān)節(jié)有所不同，手指內(nèi)部還必須考慮氣動(dòng)人工肌肉安裝位置，人工肌肉可以采取小型人工肌肉，便于安裝在曲柄滑塊上，考慮到氣動(dòng)人工肌肉縱向十分柔軟，不具有導(dǎo)向性，還必須在曲柄滑塊中間設(shè)置導(dǎo)向裝置。我們以一個(gè)手指關(guān)節(jié)為研究對(duì)象，對(duì)手指關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和建模，手指的關(guān)節(jié)如圖 24 所示。 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)