【正文】 工業(yè)自動化領域應用正在受到越來越多的廣泛關注。近年來，機械手在自動化領域中，特別是在有毒、放射、易燃、易爆等惡劣環(huán)境內，與電動和液壓驅動的機械手相比，顯示出獨特的優(yōu)越性，得到了越來越廣泛的應用。其基本應用形式大都采用一對氣動肌肉組成關節(jié)的方式。這種特性主要是由關節(jié)所采用的對抗性肌肉驅動方式所決定的。以這種方式來驅動關節(jié)，位置精度可以達到很高，但其剛度往往很大，實現(xiàn)關節(jié)的柔順運動較困難。我國的氣動行業(yè)起步較晚，但發(fā)展較快。電氣可編程控制技術與氣動技術相結合，使整個系統(tǒng)自動化程度更高，控制方式更靈活，性能更加可靠；氣動機械手、柔性自動生產線的迅速發(fā)展，對氣動技術提出了更多更高的要求；微電子技術的引入，促進了電氣比例伺服技術的發(fā)展。現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，使氣動技術從開關控制進入閉環(huán)比例伺服控制，控制精度不斷提高；由于氣動脈寬調制技術具有結構簡單、抗污染能力強和成本低廉等特點，國內外都在大力開發(fā)研究[1]。從20世紀80年代中期開始,氣動元件產值的年遞增率達20％以上，高于中國機械工業(yè)產值平均年遞增率。而柔順性差的機器人在和人接觸的場合使用時，容易造成人身和環(huán)境的傷害。目前模仿生物關節(jié)的驅動方式在仿生機器人中得到越來越多的應用。氣動肌肉最簡單和最常見的使用方式是利用一對氣動肌肉以生物體中拮抗肌的形式驅動關節(jié)，這種方式克服了氣動肌肉變化長度較小的缺點，能夠實現(xiàn)大的轉動位移。由于機器人或機械手都需要能快速、準確的抓取工件，因而對機器人或機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、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定位。90年代初，——“阿基里斯”六腳勘測員，也被稱為FESTO的“六足動物”。六腳電子氣動機器人行走的所有程序由FPC101B可編程控制器控制，F(xiàn)PC101B能在六個不同方向控制機器人的運動。當接通電源時，氣動閥被切換到工作狀態(tài)位置，當關閉電源時，他們便回到初始位置。這種攀墻式機器人可被用于工具搬運或執(zhí)行多種操作，如在核能發(fā)電站、高層建筑物氣動機械手位置伺服控制系統(tǒng)的研究或船舶上進行清掃、檢驗和安裝工作。就它在三維空間內的任意定位、任意姿態(tài)抓取物體或握手而言，“阿基里斯”六腳勘測員、攀墻機器人都顯示出它們具有足夠的自由度來適應工作空間區(qū)域。氣動技術經歷了一個漫長的發(fā)展過程，隨著氣動伺服技術走出實驗室，氣動技術及氣動機械手迎來了嶄新的春天。由于氣動機械手有結構簡單、易實現(xiàn)無級調速、易實現(xiàn)過載保護、易實現(xiàn)復雜的動作等諸多獨特的優(yōu)點?，F(xiàn)代汽車制造工廠的生產線，尤其是主要工藝是焊接的生產線，大多采用了氣動機械手。如酒、油漆灌裝氣動機械手；自動加蓋、安裝和擰緊氣動機械手，牛奶盒裝箱氣動機械手等[8,11]。氣動技術是以壓縮氣體(例如壓縮空氣或惰性氣體和熱氣體)為工作介質進行能量和信號的傳遞，從而實現(xiàn)生產過程自動化的一門技術，它包含氣壓傳動和氣動控制兩方面的內容[18,19]。目前，氣動和液壓是兩種較為普遍應用的傳動和控制方式，兩者有許多相同點，也有許多不同點，氣動技術真正成為全世界各個工業(yè)部門所接受并廣泛應用，是由于日益迫切的生產自動化和操作程序合理化的需要，也由于氣動技術具有以下許多優(yōu)點:(1)氣動技術以空氣為工作介質，空氣隨處可取，且粘性小，在管內流動阻力小，便于集中供氣和遠距離輸送。因此，它始于有易燃或爆炸潛在危險的工礦。(5)適應性強，現(xiàn)有的機器可方便的改為氣動傳動，氣缸可以直接安裝在要求出力的地方。(8)氣動元件運動速度高，~，有的高達1~3m/s，高速氣缸可達15m/s。(3)系統(tǒng)運行時排放空氣的噪聲較大?，F(xiàn)在，氣動技術和電子電器、液壓技術一樣，都成為自動化生產過程的有效技術之一，在國民經濟中起著越來越大的作用。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。90年代末本世紀初，氣動技術突破了傳統(tǒng)的死區(qū)，經歷著飛躍性的發(fā)展，5mm/s低速平穩(wěn)運行及5~10m/s高速運動的不同氣缸相繼問世?，F(xiàn)代氣動的發(fā)展趨勢是微型化、集成化、模塊化、智能化[2022]。重復精度限定的是一個隨機誤差的范圍，它通過一定次數(shù)地重復運行機器人來測定[13]。模塊化拼裝的氣動機械手比組合導向驅動裝置更具靈活的安裝體系。模塊化氣動機械手使同一機械手可能由于應用不同的模塊而具有不同的功能，擴大了機械手的應用范圍，是氣動機械手的一個重要的發(fā)展方向[23]。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。纖維形成了一個三維的棱形網(wǎng)狀結構。氣動肌肉只能做拉伸驅動器。當氣動肌肉受外力作用預拉伸時，它就被拉長了（如圖23所示）；另一方面，當受壓時，肌肉收縮，其長度減小。如果要求氣動肌肉在擴張狀態(tài)時無作用力（如允許附加上負載），首先就要加上用于提升負載目的的保持力，利用它的運動來移動作用力小的元件。這些氣動肌肉會產生不同的彈簧特性，這使得它可很好地適用于具體應用[26]。1. 機架 2. 氣動肌肉 3. 第一肩關節(jié) 4. 第二肩關節(jié) 5. 機架臂6. 第三肩關節(jié) 7. 大臂 8. 肘關節(jié) 9. 小臂 10. 腕關節(jié) 11. 氣爪圖27 氣動機械手的結構氣動機械手主要由起固定支撐作用的機架、機械臂和氣爪三部分組成。 氣動機械手關節(jié)結構設計 關節(jié)的基本方式在氣動機械手設計中，有4個自由度，相當于4個獨立的關節(jié)。圖28 關節(jié)的基本驅動方式 肩關節(jié)結構設計1) 第一肩關節(jié)的設計第一肩關節(jié)主要是由2根氣動肌肉作為驅動，實現(xiàn)繞Z軸（X、Y、Z軸的方向標在圖27中，下同）轉動這1個自由度，其結構簡圖如圖29(a)所示。 圖210(a)第二肩關節(jié) 圖210(b)第二肩關節(jié) 結構簡圖 三維結構圖3) 第三肩關節(jié)的設計第三肩關節(jié)是連接第二肩關節(jié)和大臂的紐帶。其三維結構圖如圖211所示。作為2個自由度的機構，虎克鉸的結構比較簡單，且2個自由度之間的運動可以獨立進行控制。圖212 虎克鉸的基本結構2) 肘關節(jié)的結構設計肘關節(jié)主要是由一個虎克鉸的結構構成。其中一些重要的尺寸參數(shù)分別圖214 肘關節(jié)三維結構圖由X、Y軸方向來確定，肘關節(jié)X軸方向上的結構簡圖如圖215a所示，綠色表示的是肌肉連接件，由于在X軸方向上，其與氣動肌肉沒有相互轉動，因此表示成同一條直線，綠色只是說明這里另一個零件，Y軸方向上的結構簡圖如圖215b所示。 (a) X軸方向 (b) Y軸方向圖215 肘關節(jié)X、Y軸方向的結構簡圖 腕關節(jié)結構設計腕關節(jié)大體上與肘關節(jié)的結構相似，主要有一個虎克鉸的結構構成。其三維結構如圖216所示。在設計的初級階段主要是考慮方案的可行性，確定方案后，參數(shù)化設計各個結構零件，可以獲得最滿意的結果[30]。作O點到CD的垂線交CD的延長線于F點。（3）確定aa是如圖28b所示的肩部肌肉連接件寬度的一半，d是長度的一半。（4）確定d由公式(2)可知，tan= 當=(11)可知d無解。所以第一肩關節(jié)繞Z軸的理論最大運動范圍為(，)。連接AE，作O點垂直AE交AE于B點。=AOC=FAOFCO=arctanarctan=arctanarctan (38)有公式（38）可知：tan=== (39)由于tan在是單調增函數(shù)，L為已知，所以當b取得最小值時，tan取得最大值，即取得最大值。CA1=COA1O=COR= =251mm (310)由公式(310)可得mm (311)已知C1OE1=2 (312)其中C1O=CO= = E1O=R== = arctanarctan代入公式(312)可得mm (313)根據(jù)氣動肌肉的結構，在安裝時，2a24mm，即 a12mm (314)有(311)、(313)、(314)式得 mm由公式(39)知 tan=,由于aL, ,所以取最大的a時，可以得到最大的tan，也就是最大的,在這里取a=23mm。因此第三肩關節(jié)的零件參數(shù)化設計詳見肘關節(jié)的零件設計。假定CABC1是肘關節(jié)開始的運動位置，A，B可繞O點旋轉, 順時針旋轉的極限位置是A1OB1，這時出現(xiàn)死點現(xiàn)象，即當CA1O在同一直線上，連接A1O，B1O。（2）確定L根據(jù)氣動肌肉的型號，選定沒有充氣時長度為230mm的氣動肌肉，其最大運動行程是原始長度的20%，在運動的開始位置，取其最大收縮長度的一半，即是