【正文】 特性的人工肌肉。而且由于其類似生物體驅動關節(jié)的方式，因此具有剛度和位置能獨立控制等仿生關節(jié)具有的優(yōu)點 [3]。傳統(tǒng)觀點認為，由于氣體具有壓縮性，因此，在氣動伺服系統(tǒng)中要實現(xiàn)高精度定位比較困難(尤其在高速情況下，似乎更難想象)。、可編程控制器和傳感器等，創(chuàng)造了一個在荷馬史詩中最健壯最勇敢的希臘英雄——阿基里斯。通常如果有三個腳與地面接觸，機器人便能以一種平穩(wěn)浙 江 理 工 大 學 本 科 畢 業(yè) 設 計 (論 文 )3的姿態(tài)行走，六腳中的每一個腳都有三個自由度，一個直線氣缸把腳提起、放下，一個擺動馬達控制腳伸展、退回，另一個擺動馬達則負責圍繞腳的軸心作旋轉運動。此外，操作者能在任何一點上停止機器人的運動，如果機器人的傳感器在它的有效范圍內檢測到障礙物，機器人也會自動停止。機器人用遙控方式進行半自動操作，操作者只需輸入運行的目標距離，然后計算機便能自動計算出必要的單步運行。氣動技術發(fā)展至今，用直線氣缸、旋轉馬達來解決氣動機器人中一般的關節(jié)活動和空間自由度己經不成問題了，氣缸低速運動平穩(wěn)性這一點也不成問題了，很多場合使用低速氣缸，其速度在5mm/s的情況下也能平穩(wěn)運行。目前在世界上形成了以日本、美國和歐盟氣動技術、氣動機械手三足鼎立的局面。由于氣壓傳動系統(tǒng)使用安全、可靠，可以在高溫、震動、易燃、易爆、多塵埃、強磁、輻射等惡劣環(huán)境下工作 [6]。車身在每個工序的移動；車身外殼被真空吸盤吸起和放下，在指定工位的夾緊和定位；點焊機焊頭的快速接近、減速軟著陸后的變壓控制點焊，都采用了各種特殊功能的氣動機械手。氣動機械手用于對食品行業(yè)的粉狀、粒狀、塊狀物料的自動計量包裝；用于煙草工業(yè)的自動卷煙和自動包裝等許多工序。 氣動技術發(fā)展狀況及優(yōu)缺點氣動技術是一門正在蓬勃發(fā)展的新技術，氣動元件是氣動技術中最重要的組成部分，用氣動元件組成的傳動和控制系統(tǒng)己廣泛應用于國民經濟各部門的成套設備和自動化生產線上。但真正對起性質和基本原理進行系統(tǒng)的研究也是從本世紀開始，形成以氣壓傳動系統(tǒng)動力學和氣動控制理論為主要內容的一門學科——氣動系統(tǒng)理論。壓縮空氣沒有生產火花的危險。(4)氣動系統(tǒng)維護不復雜，也不需要特殊的培訓和實驗設備。氣動執(zhí)行元件能長期在滿負荷下工作，在過載時自動停止。(2)空氣的可壓縮性使系統(tǒng)效率低，且使氣動系統(tǒng)的穩(wěn)定性差，給位置和速度的精確控制帶來很大的影響。而氣動元件更是一種經濟實用的機械化、自動化的理想元件。氣動技術由幾個主要的歷史發(fā)展階段。80年代則是集成化、微型化的時代。智能閥島技術十分理想的解決了整個自動化生產線的分散與集中控制問題。重復精度比精度更重要，如果一個機器人定位不夠精確，通常會顯示一個固定的誤差，這個誤差是可以預測的，因此可以通過編程予以校正。2) 模塊化有的公司把帶有系列導向驅動裝置的氣動機械手稱為簡單的傳輸技術，而把模塊化拼裝的氣動機械手稱為現(xiàn)代傳輸技術。優(yōu)良的定位精度也是新一代氣動機械手的一個重要特點。3) 機電氣一體化由“可編程序控制器～傳感器～氣動元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動化技術的重要方面；發(fā)展與電子技術相結合的自適應控制氣動元件，使氣動技術從“開關控制”進入到高精度的“反饋控制”；省配線的復合集成系統(tǒng)，不僅減少配線、配管和元件，而且拆裝簡單，大大提高了系統(tǒng)的可靠性 [2,24]。這個收縮系統(tǒng)由一段被高強纖維包裹的密封橡膠管組成。氣動肌肉的可使用工作行程高達其額定長度的 25%。它相當于接口間可見的那部分肌肉的長度。氣動機械手關節(jié)結構設計及運動學仿真分析10在這種情況下，可用的力也最大。氣動肌肉在常壓或體積不變的情況下可用作彈簧。 氣動機械手的基本結構本課題所設計的氣動機械手的結構如圖 27 所示。驅動第一肩關節(jié)的運動有 2 根氣動肌肉組成，機架臂有 4 根氣動肌肉組成，大臂上安裝有 4 根氣動肌肉，小臂上安裝有 4 根氣動肌肉。這種方式驅動的關節(jié)，其剛度和兩個肌肉的壓力之和有關，而其位置則和 2 個肌肉的壓力差有關，因此可以實現(xiàn)關節(jié)位置和剛度的獨立控制 [27]。 三 維 建 模 的 第 二 肩 關 節(jié) 結 構 如 圖 210b 所 示 。中部支撐桿是用來固定肘關節(jié)，是大臂的支撐桿。在許多氣動機械手的研究中，采用的驅動器都是電機，為實現(xiàn)肩關節(jié)的3個自由度，結構往往比較復雜 [28,29]。在本設計中，采用如圖212所示的虎克鉸形式來實現(xiàn)肘關節(jié)的2個自由度 [27]。分別是通過中部支撐桿和前部支撐桿維系著這兩個結構，其三維結構圖如圖214所示。同樣的左、右各為一對時，可以實現(xiàn)繞X軸的轉動。腕關節(jié)通過前部支撐桿和肘關節(jié)固定，前端安裝有一個氣爪。(a) X軸方向(b) Z軸方向圖2 17 腕關節(jié)X、Z軸方向的結構簡圖浙 江 理 工 大 學 本 科 畢 業(yè) 設 計 (論 文 )19第 3 章 氣動機械手關節(jié)結構參數設計 參數設計優(yōu)點一個產品的問世主要包括提出想法，初步確定方案，探討方案進行可行性分析，最終確定方案，研制，以及最終成型。圖 31 第一肩關節(jié)的結構簡圖氣動機械手關節(jié)結構設計及運動學仿真分析20假定 CBOEC1 是第一肩關節(jié)開始的運動位置，BDD1E 可繞 O 點旋轉，逆時針旋轉的極限位置是 B1OE1，這時出現(xiàn)死點的現(xiàn)象，即當 CB1O 在同一直線上，連接 BO，B 1O，EO，E1O，C1O。（2）確定 L根據氣動肌肉的型號，選定沒有充氣時長度為 250mm 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 225mm，在加上氣動肌肉本身結構（如圖 25）的其他長度，兩個鉸鏈點的長度 L=225+50=275mm，L 的范圍是（275 25）mm。由于 O 點處裝有一根 20mm 的連接?桿，因此取肩部肌肉連接件的寬度為 30mm，即半寬 a=15mm。?（5）確定由公式(32)得 tan = =?2())dLab? 23675(15))36??? =氣動機械手關節(jié)結構設計及運動學仿真分析22得 =。作 O 點到 CA 的垂線交 CA 的延長線于 F 點。?（2）確定 b設 為逆時針旋轉時的最大角度，可知 AOA1=??, EOE1= ，由于 AOC EOC1，所以 EOC1=???AOC= 。設 AB= a，OB= b，AC=L ,AO=A1O=EO=E1O=R。? 第二肩關節(jié)結構參數設計第 二 肩 關 節(jié) 的 結 構 簡 圖 如 圖 32 所 示 。?計算 BOE 旋轉到 B1OE1 的極限位置，其中氣動肌肉 CB1 250mm，C1E 1?300mm。設 為逆時針旋轉時的最大角度，可知 BOB1= ， EOE1= ，由于???BOC EOC，所以 EOC1= BOC= 。設 OA= a，AD= d，BD= b，BC=L，BO= B1O= EO= E 1O=R。結合本次所設計的氣動機械手，參數化設計零件的優(yōu)點是在相同的結構下，使每一個關節(jié)獲得最大的運動范圍，即繞各自的轉動軸獲得最大的轉動角。氣動機械手關節(jié)結構設計及運動學仿真分析18 圖2 16 腕關節(jié)三維結構圖腕關節(jié)設計過程中的一些重要尺寸參數有X軸，Z軸方向來確定。同樣能夠實現(xiàn)2個自由度，與肘關節(jié)不同的是繞著X軸、 Z軸的旋轉。當不同相鄰的兩根氣動肌肉組成一對時，可以實現(xiàn)繞不同軸的旋轉。由于虎克鉸能夠實現(xiàn)2個自由度，并且虎克鉸的2根軸相互垂直，這就要求肘關節(jié)與大臂的氣動肌肉的連接件必須具有兩個方向單一的鉸鏈點結構，其三維結構如圖213所示。由于驅動方式的限制，虎克鉸的應用在機器人中不是很常見。浙 江 理 工 大 學 本 科 畢 業(yè) 設 計 (論 文 )15圖 211 第三肩關節(jié)三維結構圖 肘關節(jié)結構設計1) 虎 克 鉸 簡 介氣動機械手的設計難點主要在于肘關節(jié)和腕關節(jié)的實現(xiàn)。主要零件是肩部連接腕和中部支撐桿。三維建模的第一肩關節(jié)結構如圖 29(b)所示。每個關節(jié)的驅動原理都是相同的，即由一對相當于人類拮抗的氣動肌肉相互之間的對抗作用來驅動關節(jié)。氣動機械手能夠實現(xiàn) 4 個自由度（由于機構運動確定，因此機構的自由度等于機構的原動件數目，此機構有 4 個原動件，因此可得有 4 個自由度）的運動，其各自的自由度的驅動全部由氣動肌肉來實現(xiàn)。在機械設計手的設計過程中，為了簡化設計的模型，使設計過程簡單明了，采用如圖 25 的二維簡化模型。 (a) (b)圖 24 不同外力作用下氣動肌肉表現(xiàn)形式當外力發(fā)生變化時（如圖 24b） ，氣動肌肉像一根彈簧；它與力的作用方向一致。圖 23 長度與張力的關系 氣動肌肉的模型在最簡單的情況下，氣動肌肉用作單作用驅動器，負載不變（如圖 24a） 。球面方向的擴張不能用于夾緊，因為收縮運動引起的外部摩擦可能損壞肌肉。當內部有壓力時，管道就在球面方向上擴張，因此產生了拉伸力和肌肉縱向的收縮運動。氣動機械手、氣動控制越來越離不開PLC，而閥島技術的發(fā)展，又使PLC在氣動機械手、氣動控制中變得更加得心應手 [25]。智能閥島的出現(xiàn)對提高模塊化氣動機械手和氣動機器人的性能起到了十分重要的支持作用。它集成電接口和帶電纜及氣管的導向系統(tǒng)裝置，使機械手運動自如。隨著微電子技術和現(xiàn)代控制技術的發(fā)展，以及氣動伺服技術走出實驗室和氣動伺服定位系統(tǒng)的成套化。 氣動機械手的發(fā)展方向1) 重復高精度浙 江 理 工 大 學 本 科 畢 業(yè) 設 計 (論 文 )7精度是指機器人、機械手到達指定點的精確程度，它與驅動器的分辨率以及反饋裝置有關 [4]。在與計算機、電氣、傳感、通訊等技術相結合的基礎上產生了智能氣動這一概念(氣動比例與伺服、智能閥島、模塊化機械手)。60年代，開始構成工業(yè)控制系統(tǒng)，應用成體系，不再與風動技術相提并論。氣動技術由風動技術及液壓技術演變、發(fā)展而成為獨立的技術門類不到50年，卻已經充分顯示出它在自動化領域中強大的生命力，成為二十世紀應用最廣、發(fā)展最快，也最容易接收及重視的技術之一，氣動技術己成為各個行業(yè)不可缺少的一部分。(4)氣動信號的傳遞速度遠比電信號低，而且有較大的延遲和失真，因而氣動控制技術不宜用于高速傳遞和處理信息的復雜系統(tǒng)，而且氣動信號的傳送距離也受到限制。調查資料表明，目前氣動裝置在工業(yè)自動化裝備中占很重要的地位。(6)便于進行能量儲存，可以進行應急或系統(tǒng)需要用。(2)氣動元件機構簡單，價格低廉，用過的空氣可向大氣排放，處理方便，不必使用回收管道。因而，大多數工廠有方便的壓縮空氣氣源。氣動技術的發(fā)展歷程，是從單個元件到控制系統(tǒng)，從單純機械系統(tǒng)到機電一體化的復雜高科技產品的歷程。此外，氣動系統(tǒng)、氣動機械手被廣泛應用于制藥與醫(yī)療器械上。在彩電、冰箱等家用電器產品的裝配生產線上，在半導體芯片、印刷電路等各種電子產品的裝配流水線上，不僅可以看到各種大小不一、形狀不同的氣缸、氣爪，還可以看到許多靈巧的真空吸盤將一般氣爪很難抓起的顯像管、紙箱等物品輕輕地吸住，運送到指定目標位置。所以，氣動機械手被廣泛應用于汽車制造業(yè)、半導體及家電行業(yè)、化肥和化工 [10] ，食品和藥品的包裝 [7,1112]、精密儀器和軍事上 [13,1415]。隨著微電子技術的迅速發(fā)展和機械加工工藝水平的提高及現(xiàn)代控制理論的應用，為研究高性能的氣動機械手奠定了堅實的物質技術基礎。氣缸的運行從低速5mm/s到高速5~10m/s，表明了它有一個十分豐富、寬廣的速度區(qū)域，以適應各種層次的速度等級需要 [5]。從上述實例可見，氣動機器人己經取得了實質性的進展。該機器人軸心的圓周邊上裝備著等距離(根據步距設置)的吸盤和氣缸，一組吸盤吸力與另一組吸盤吸力的交替交換，類似腳踏似的運動方式，使機器人產生旋轉步進運動?？刂茪飧椎拈y內置在機器人體內，由FPC101B可編程控制器控制。六腳電子氣動機器人的上方安裝了一個照相機來探視障礙物，能安全的繞過它，并在行走過程中記錄和收集數據。氣動技術作為機器人中的驅動功能已經被工業(yè)界廣泛接受，對于氣動機器人伺服控制體系的研究起步較晚，但已取得了重要成果，它在工業(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 [4]。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。 (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。本課題中主要內容是：