【正文】 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (論文 ) 作 者： 學(xué) 號(hào)： 1 系 部： 機(jī)械工程學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)械電子工程 題 目： 基于氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)的多關(guān)節(jié)機(jī)械手指動(dòng)力學(xué)仿真 指導(dǎo)者： 副 教授 評(píng)閱者： 2022 年 5 月 南 京 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）中文摘要 由于氣動(dòng)人工肌肉比重小、結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小等優(yōu)點(diǎn)，本文提出一種曲柄滑塊機(jī)構(gòu)來驅(qū)動(dòng)手指彎曲，讓氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)滑塊運(yùn)動(dòng)，首先設(shè)計(jì)氣動(dòng)肌肉手指關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，并用 SolidWorks繪制手指的三維圖，利用 ADAMS和 MATLAB進(jìn)行動(dòng)力學(xué)聯(lián)合仿真，在手指 端設(shè)置一定的負(fù)載，輸入手指三個(gè)關(guān)節(jié)的直線驅(qū)動(dòng)，觀察手指末端的角速度變化和三個(gè)驅(qū)動(dòng)力的變化，最后根據(jù)氣動(dòng)肌肉的驅(qū)動(dòng)原理進(jìn)行了氣動(dòng)肌肉靈巧手關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的控制研究，利用比例壓力閥對(duì)氣動(dòng)肌肉壓力進(jìn)行控制，使氣動(dòng)肌肉橫向收縮帶動(dòng)滑動(dòng)移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)手指關(guān)節(jié)彎曲角度的控制。 Dynamic simulation 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 目 錄 前言 ................................................................................................................... 1 第一章 緒論 ...................................................................................................... 2 課題項(xiàng)目的背景 ................................................................................... 2 氣動(dòng)人工肌肉多關(guān)節(jié)手指的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 ...................................... 2 氣動(dòng)技術(shù)的介紹以及發(fā)展前景 ............................................................. 4 論文研究的內(nèi)容和方法 ........................................................................ 6 第二章 多關(guān)節(jié)手指的結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)及建模 ............................................................. 7 氣動(dòng)肌肉的介紹 .................................................................................. 7 氣動(dòng)肌肉的內(nèi)部結(jié)構(gòu) ................................................................ 7 氣動(dòng)機(jī)械手指的基本結(jié)構(gòu) ................................................................... 9 繪圖軟 件 SoildWorks 介紹 ........................................................ 9 整體設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì) ................................................................ 9 手指的關(guān)節(jié)設(shè)計(jì) ...................................................................... 10 手指關(guān)節(jié)的建模 ....................................................................... 15 靈巧手指的裝配和三維模型的導(dǎo)出 .................................................. 16 第三章 多關(guān)節(jié)手指的動(dòng)力學(xué)仿真分析 ........................................................... 17 仿真軟件 ADAMS 和 MATLAB 簡介 ................................................. 17 動(dòng)力學(xué)仿真過程介紹 ........................................................................ 19 ADAMS 參數(shù)設(shè)置過程 ............................................................ 19 建立 MATLAB 控制模型 ........................................................ 28 動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果分析以及結(jié)論 .......................................................... 30 第四章 氣動(dòng)肌肉靈巧手指的控 制系統(tǒng)設(shè)計(jì) ................................................... 32 氣動(dòng)肌肉回路原理和設(shè)計(jì) .................................................................. 32 氣動(dòng)回路器件的選擇 ............................................................... 33 靈巧手指的關(guān)節(jié)控制系統(tǒng) .................................................................. 35 控制系統(tǒng)的原理 ....................................................................... 35 控制系統(tǒng)的硬件選擇 ............................................................... 36 D/A 控制界面的設(shè)計(jì)和程序的編寫 ................................................... 37 |第五章 結(jié)論及總結(jié) ....................................................................................... 42 參考文獻(xiàn) ......................................................................................................... 43 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 致 謝 ............................................................................................................. 45 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 1 頁 前言 隨著機(jī)器人技術(shù)的日益成熟，工業(yè)機(jī)器人極有可能最終取代機(jī)床，成為新一代工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)。如今，機(jī)器人的使用范圍已開始向國家安全、特殊環(huán)境服役、醫(yī)療輔助、科學(xué)考察等多個(gè)領(lǐng)域擴(kuò)展。新型能源將有助于解決機(jī)器人的動(dòng)力問題；新材料的使用有助于提升機(jī)器人的性能；信息技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用對(duì)機(jī)器人的控制系統(tǒng)至關(guān)重要；生命科學(xué)的發(fā)展有望使仿生學(xué)更多地運(yùn)用到機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，從而推動(dòng)機(jī)器人“從機(jī)器到人”的轉(zhuǎn)變；先進(jìn)制造技術(shù)的應(yīng)用則可解決結(jié)構(gòu)復(fù)雜機(jī)器人的制造問題，有助于推動(dòng)機(jī)器人的批量化生產(chǎn)和普及 。作為機(jī)器人與周圍環(huán)境交互作用的末端環(huán)節(jié)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，機(jī)器人的“手” (末端執(zhí)行器 )的性能提高對(duì)機(jī)器人操作水平和自動(dòng)化水平的提升具有非常重要的作用。目前，國內(nèi)外機(jī)器人多指靈巧手，大部分采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，這種驅(qū)動(dòng)優(yōu)勢(shì)在于可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的控制，同時(shí)采用電機(jī) — 柔索動(dòng)力傳遞 方式，這樣設(shè)計(jì)的目的在于得到了較大的之間輸出力的同時(shí)又保證了靈巧手具有較小的尺寸。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。 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]。 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]。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。 氣動(dòng)技術(shù)發(fā)展歷史，是從單個(gè)部件到控制系統(tǒng)，從簡單的機(jī)械系統(tǒng)到復(fù)雜的機(jī)電一體化過程。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。所以，它可以用易燃易爆這些潛在危險(xiǎn)的場所。 （ 5）充氣系統(tǒng)維護(hù)簡單，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。 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。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。” 氣動(dòng)技術(shù)經(jīng)歷了主要發(fā)展幾個(gè)歷史階段。 20 世紀(jì) 80 年代是集成化，小型化的時(shí)代。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。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。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。研究表明，氣動(dòng)肌肉的行程大約為額定長度的 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。 圖 23 長度與張力的關(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。 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。在本文中 ,選擇了一個(gè)簡單的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成所需的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 2)受力分析 : ）（ ??? ???? c osc os20 LLFF)s i ns i nc os(c osc os2 ????? ????? 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