【文章內容簡介】 的作用，特別對機械手中的移動模塊。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]。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。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]。第2章 氣動機械手關節(jié)結構形式設計 氣動肌肉結構、特性及模型 氣動肌肉的基本結構圖21 氣動肌肉圖22 氣動肌肉的結構 材料：精制鋁合金，光亮陽極氧化； 材料：精制鋁合金，藍色陽極氧化； 材料：精制鋁合金，光亮陽極氧化； 材料：鋼； 材料：NBR； 材料：芳香族物質，CR 氣動肌肉的特性1) 氣動肌肉的工作方式氣動肌肉是一種拉伸驅動器，它模仿自然肌肉的運動，氣動肌肉由一個收縮系統(tǒng)和合適的連接器組成。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。纖維形成了一個三維的棱形網狀結構。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。拉伸力在收縮開始時最大，并與行程成線形比例關系減小。氣動肌肉的可使用工作行程高達其額定長度的25%。氣動肌肉只能做拉伸驅動器。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。2) 氣動肌肉長度和負載的關系氣動肌肉的額定長度是在無壓力，無負載的情況下定義的。它相當于接口間可見的那部分肌肉的長度。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。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）。假設氣動肌肉上該負載一直存在，在沒有壓力的情況下，肌肉將從原始狀態(tài)被拉伸一段長度，這是考慮氣動肌肉的技術特性的一種理想工作狀態(tài)：當加壓時，氣動肌肉在預拉伸狀態(tài)下有最大的輸出力和最佳動態(tài)性能，并且耗氣量最小。在這種情況下，可用的力也最大。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。 (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。對用作“氣彈簧”的氣動肌肉而言，預拉伸力和彈簧剛度都是變化的。氣動肌肉在常壓或體積不變的情況下可用作彈簧。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]。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。在三維模擬仿真階段，由于氣動肌肉所做的是拉圖25 二維簡化模型圖26 三維簡化模型伸運動，為了實現(xiàn)肌肉的這種運動形式，把氣動肌肉中部的隔膜軟管的圓柱體改為長方體,并且為了定義滑動桿運動形式的方便，把每一根氣動肌肉看做是由左右兩根等長的半根氣動肌肉組成（如圖26）。 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。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(shù)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)。最前端的氣爪抓取物品，通過氣動肌肉的驅動實現(xiàn)各自關節(jié)的轉動，使物品在空間上運動，根據合理的控制，最終實現(xiàn)機械手的動作要求。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。 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)。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)。其原理如圖28所示。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]。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。三維建模的第一肩關節(jié)結構如圖29(b)所示。 圖29(a) 第一肩關節(jié)結構簡圖 圖29(b) 第一肩關節(jié)三維結構圖2) 第二肩關節(jié)的設計第二肩關節(jié)和其下的4根機架臂相連接，為的是實現(xiàn)繞X軸旋轉這1個自由度，其結構簡圖如圖210a所示。三維建模的第二肩關節(jié)結構如圖210b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。主要零件是肩部連接腕和中部支撐桿。其中肩部連接腕固定在肩部連接軸上，在機架臂的帶動下，使得大臂、小臂及氣爪整體繞X軸的轉動，其另一功能是連接大臂的4根氣動肌肉。中部支撐桿是用來固定肘關節(jié)，是大臂的支撐桿。其三維結構圖如圖211所示。圖211第三肩關節(jié)三維結構圖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)。最靈活的關節(jié)形式就是球鉸，有3個自由度，但是其實現(xiàn)復雜，控制難度比較大。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]。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。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。本研究采用氣動肌肉，可以方便地對這種機構進行控制，實現(xiàn)兩個自由度的運動。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]。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。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。圖213 氣動肌肉連接件肘關節(jié)是連接大臂與小臂的重要關節(jié)。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。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。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。如圖214（左圖）所示，當前面的兩根氣動肌肉組成一對，即兩根肌肉有相同的運動形式，可知后面的是一對，在運動過程中可以實現(xiàn)繞Y軸的轉動。同樣的左、右各為一對時，可以實現(xiàn)繞X軸的轉動。 (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。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。腕關節(jié)和小臂的連接件和肘關節(jié)的連接件一樣（如圖213），是兩個方向單一的鉸鏈點。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。其三維結構如圖216所示。 圖216 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(shù)有X軸，Z軸方向來確定。其在X軸方向上的結構簡圖如圖217(a)所示，Z軸如圖217(b)所示。(a) X軸方向(b) Z軸方向圖217 腕關節(jié)X、Z軸方向的結構簡圖第3章 氣動機械手關節(jié)結構參數(shù)設計 參數(shù)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。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]。結合本次所設計的氣動機械手，參數(shù)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。 肩關節(jié)結構參數(shù)設計第一肩關節(jié)的結構簡圖如圖31所示。圖31 第一肩關節(jié)的結構簡圖假定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，B1O，EO，E1O，C1O。作O點到CD的垂線交CD的延長線于F點。設OA= a，AD= d，BD= b，BC=L，BO= B1O= EO= E1O=R。（1）確定bb是肌肉連接件的鉸鏈點到肩部肌肉連接件的距離，根據結構可得b=35mm。（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（27525）mm。（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。設為逆時針旋轉時的最大角度，可知BOB1=，EOE1=，由于BOCEOC，所以EOC1=BOC=。=BOC=FBOFCO=arctanarctan=arctanarctan (31)由公式（31）可知：tan=== (32)由于tan在是單調增函數(shù)，b，L為已知，所以當a取得最小值時，tan取得最大值，即取得最大值。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。（4）確定d由公式(2)可知，tan= 當=(11)可知d無解。計算BOE旋轉到B1OE1的極限位置，其中氣動肌肉CB1250mm，C1E1300mm。CB1=COB1O=COR==250mm (33)由公式(33)可得mm (34)已知C1OE1=2 (3