【正文】 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。 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。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。 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)。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。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)。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]。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。圖24 手指的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)1. 手指的指節(jié) 2. 滑塊結(jié)構(gòu) 3. 手指關(guān)節(jié)連桿 手指的關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)A:關(guān)節(jié)機(jī)制氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)器能夠完成其它任何機(jī)械無法替代的模擬人體肌肉的直線的運(yùn)動(dòng)。這導(dǎo)致連桿旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度θ如圖25所示。表21 不同長(zhǎng)度曲柄下的轉(zhuǎn)角和輸出力曲柄長(zhǎng)度L2(mm）偏轉(zhuǎn)角度θ（0）輸出力大小60~100~150~ 可以根據(jù)以上公式，可以計(jì)算曲柄不同長(zhǎng)度時(shí)的連桿的角度和最大受力，比較偏轉(zhuǎn)角度和輸出力，我們這里選擇手指曲柄為10mm最符合要求。如圖26所示 圖26 基準(zhǔn)面的建立2. 繪制如圖27所示的草圖，用鼠標(biāo)選中剛剛繪制的長(zhǎng)方形，然后在實(shí)體特征中選擇實(shí)體拉伸，輸入拉伸的距離，最后點(diǎn)擊確定，得到一個(gè)長(zhǎng)方體。圖28 手指裝配圖第三章 多關(guān)節(jié)手指的動(dòng)力學(xué)仿真分析(1) ADMAS簡(jiǎn)介 ADAMS作為世界上使用最廣泛的多體動(dòng)力學(xué)（MBD）軟件，ADAMS可以幫助工程師研究運(yùn)動(dòng)部件，在機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)中載荷和力如何分布。工程師可以評(píng)估和管理學(xué)科，包括運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)和控制之間復(fù)雜的相互作用，以便更好地優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)性能，安全性和舒適。(2) MATLAB簡(jiǎn)介 MATLAB 擁有算法開發(fā)、數(shù)據(jù)分析、和模型建立的數(shù)值計(jì)算方法。如圖31所示：圖31 導(dǎo)入?yún)?shù)設(shè)置過程2） 在菜單欄點(diǎn)擊connectors按鈕，設(shè)置相關(guān)轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副，并將手指底部與大地鎖定。圖34仿真過程參數(shù)設(shè)置圖35仿真效果圖模擬手指受理情況，這個(gè)力是隨著手指移動(dòng)的，這個(gè)時(shí)候給三個(gè)關(guān)節(jié)施加驅(qū)動(dòng)，讓手指開始彎曲，觀察手指的運(yùn)動(dòng)，并且查看手指三個(gè)滑動(dòng)副的受力情況，分析受力曲線，如圖36所示，是手指的三個(gè)驅(qū)動(dòng)器受力情況。 Joint12：上指節(jié)圖37 手指末端角速度變化曲線圖38 手指末端角加速度變化曲線圖39 手指末端位移變化曲線圖310三個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)矩圖5）輸入輸出參數(shù)的選擇過程是非常重要的，由于手指有三個(gè)關(guān)節(jié)，因此必須有三個(gè)參數(shù)的輸入，我們這里把手指的滑動(dòng)驅(qū)動(dòng)設(shè)置為輸入?yún)?shù)，多關(guān)節(jié)手指關(guān)節(jié)的指端角速度為輸出參數(shù)。其他三個(gè)驅(qū)動(dòng)設(shè)置為speed2，speed3，如圖311所示圖311創(chuàng)建輸入狀態(tài)變量將狀態(tài)變量與模型關(guān)聯(lián) 在手指右側(cè)的motion菜單中選擇joint motion選項(xiàng)，右擊選擇modifly選項(xiàng)，打開編輯對(duì)話框，在函數(shù)輸入框中輸入VARVAL(.)*time ，其中VARVAL（）是一個(gè)ADAMS函數(shù)。將名稱輸入框修改成Angle，在F(time,…)后面點(diǎn)擊按鈕，然后選擇WX函數(shù)，后面的參數(shù)填寫(MARKER_55,MARKER_45,MARKER_45），點(diǎn)擊應(yīng)用按鈕創(chuàng)建狀態(tài)變量Angle作為輸出變量，其中WX（）函數(shù)返回繞X軸旋轉(zhuǎn)的角速度，這里代表手指末端的角速度。如圖315所示圖315指定狀態(tài)變量angle為輸出變量導(dǎo)出控制參數(shù)單擊菜單欄中的工具按鈕，選擇其中Plugin Manager，單擊菜單Controls，選擇Plant Export，彈出導(dǎo)出控制參數(shù)對(duì)話框。在MATLAB命令窗口的命令提示符提示符下，輸如FIRE2，在命令窗口會(huì)出現(xiàn)之前設(shè)置的輸入輸出參數(shù)。如圖314所示設(shè)置MATLAB與ADAMS之間的數(shù)據(jù)交換參數(shù) ，這時(shí)彈出的新的窗口，雙擊窗口中MSCSDoftware控制框，彈出數(shù)據(jù)傳輸參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，將Interprocess設(shè)置為PIPE(DDE) ，將Communication ，將Simulation Mode設(shè)定為continuous，Animation mode設(shè)定成interactive，表示兩個(gè)軟件間進(jìn)行交互式計(jì)算，在仿真過程中會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)ADAMS/View，以便觀察手指仿真畫面，其他使用默認(rèn)設(shè)置即可。速度不斷變小，和我們手指彎曲變化類似，因此該手指的仿真過程顯示，手指具有良好的運(yùn)動(dòng)性能。 氣動(dòng)靈巧手指的工作原理為，通過D/A轉(zhuǎn)換裝置，將計(jì)算機(jī)傳來的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楸壤y的工作電壓，通過比例閥控制電壓來控制氣動(dòng)回路的壓力，兩位三通開關(guān)閥，接通回路，氣動(dòng)肌肉伸縮帶動(dòng)滑塊移動(dòng)，從而能夠控制手指的轉(zhuǎn)角。通過輸出的電壓值的大小來調(diào)節(jié)比例閥壓力的大小，從而來控制氣動(dòng)肌肉的伸縮量，進(jìn)氣時(shí)開關(guān)閥作用，當(dāng)比例壓力閥接受到電壓信號(hào)時(shí)，由于接通的壓力與電壓信號(hào)成線性關(guān)系，控制起來十分方便，其主要性能參數(shù)如表41。在手指關(guān)節(jié)安裝角度傳感器，在計(jì)算機(jī)上輸出手指的轉(zhuǎn)角，與輸出轉(zhuǎn)角信號(hào)對(duì)比，檢驗(yàn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。因此硬件控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是數(shù)據(jù)采集卡選擇和傳感器的選則。為了滿足設(shè)計(jì)要求，PCI7484板上有4路12位獨(dú)立D/A電壓電流輸出,符合最少有三路DA轉(zhuǎn)換的要求。主要性能如表45所示。無限小輸出平滑性%絕緣電阻MΩ大于10工作溫度℃40+～120壽命DAC7625內(nèi)部4 路獨(dú)立D/A轉(zhuǎn)換通道，內(nèi)部可以上電自動(dòng)清零 ，可以實(shí)現(xiàn)單/雙極性清零。DA轉(zhuǎn)換操作幫助函數(shù)Private Sub HelpCom_Click() k = MsgBox(D/A數(shù)據(jù)輸出轉(zhuǎn)換步驟： + Chr(13) + 。3. 本文涉及了靈巧機(jī)械手指，從整體到關(guān)節(jié)以及手指零件涉及，通過理論計(jì)算和三維仿真，通過對(duì)各部分優(yōu)化，來尋找最優(yōu)結(jié)構(gòu)。參考文獻(xiàn)[1] 范偉，[J]，機(jī)床與液壓，2006（8）：62~65[2] [D].浙江：浙江理工大學(xué)，2011[3] [J]，機(jī)電工程技術(shù)，2010（39卷12期）：85~87[4] 彭光正，[J]，北京理工大學(xué)報(bào)，2006（7）：26卷[5] Ⅱ類人形五指靈巧手機(jī)構(gòu)的研究[J],哈爾濱工業(yè)大學(xué)863計(jì)劃，2009：02017107[6] [J]，機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2013（11）：224~227[7] 武鵬飛，氣動(dòng)機(jī)械手柔性抓取控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真分析[J]，機(jī)床與液壓，2008（12）：116~117[8][C]，第五屆全國(guó)先進(jìn)制造裝備與機(jī)器人技術(shù)高峰論壇暨中國(guó)宇航學(xué)會(huì)機(jī)器人專業(yè)委員會(huì)年會(huì)，杭州（310032）[9] Kanchana C．W，Thananchai L．Study on mechanical behaviors of pneumatic artificial muscles[J].International Journal of Engineering Science，2010(48)：188~198[10] [D].湖南：湖南大學(xué)，2004[11] [M]，北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006[12] [M]，北京：人民郵電出版社，2014[13] 隋立明,王祖溫,[J]., 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